在無需熔化的金屬 3D 打印中簡化了工程和麵向未來的開發

　　美國 Meld Manufacturing 公gong司si開kai創chuang了le一yi種zhong使shi用yong摩mo擦ca和he壓ya力li的de固gu態tai金jin屬shu增zeng材cai製zhi造zao工gong藝yi。與yu傳chuan統tong的de基ji於yu熔rong融rong沉chen積ji成cheng型xing技ji術shu的de增zeng材cai製zhi造zao工gong藝yi相xiang比bi更geng有you優you勢shi，采cai用yong新xin工gong藝yi的de 3D 打印機可以打印出超大尺寸且強度更高的零件。該公司采用倍福靈活的 EtherCAT 和基於 PC 的控製技術實現係統的最佳控製。該公司采用倍福靈活的 EtherCAT 和基於 PC 的控製技術實現係統的最佳控製。

MELD 工藝的另一個優勢是：打印出來的金屬比通過熔融沉積成型金屬 3D 打印製作的零件更堅固

　　這家位於弗吉尼亞州克裏斯蒂安斯堡的公司在首席執行官 Nanci Hardwick 帶領下，為國防
、科研和製造領域的眾多客戶提供服務。據 MELD 公司技術總監 Chase Cox 博士介紹
，MELD 於 2018 年從其母公司 Aeroprobe 拆分出來，將攪拌摩擦焊的原理應用於增材製造技術。攪拌摩擦焊是一種不需要熔化金屬的焊接方法。

一台 MELD 的 B8 打印機已準備就緒
，可以進行打印

　　MELD 基於此原理開發出了一種實現 3D 打(da)印(yin)多(duo)層(ceng)沉(chen)積(ji)的(de)增(zeng)材(cai)製(zhi)造(zao)工(gong)藝(yi)。此(ci)項(xiang)獲(huo)得(de)專(zhuan)利(li)的(de)工(gong)藝(yi)需(xu)要(yao)旋(xuan)轉(zhuan)固(gu)體(ti)金(jin)屬(shu)棒(bang)材(cai)，同(tong)時(shi)在(zai)沉(chen)積(ji)點(dian)施(shi)加(jia)特(te)定(ding)的(de)壓(ya)力(li)，通(tong)過(guo)摩(mo)擦(ca)使(shi)金(jin)屬(shu)塑(su)性(xing)變(bian)形(xing)並(bing)沉(chen)積(ji)一(yi)層(ceng)。通(tong)過(guo)絕(jue)熱(re)加(jia)熱(re)
，即(ji)不(bu)與(yu)外(wai)界(jie)交(jiao)換(huan)熱(re)量(liang)

，如(ru)果(guo)金(jin)屬(shu)棒(bang)以(yi)正(zheng)確(que)的(de)速(su)度(du)連(lian)續(xu)快(kuai)速(su)旋(xuan)轉(zhuan)，金(jin)屬(shu)原(yuan)料(liao)就(jiu)會(hui)保(bao)持(chi)持(chi)續(xu)流(liu)動(dong)。

　　zheyichuangxingongyirangshebeizhongduanyonghunenggoushiyongrenyijinshucailiaodayinlingjian
，baokuolvhejinyijitongchanghuigeiqitazengcaizhizaoxitongdailaiwentideqitajinshuyuanliao。gaigongyibuxiangqitadabufen 3D 打印方法那樣需要熔化金屬原料，不會影響金屬的特性。因此打印出來的產品更堅固，更不容易出現孔隙
、熱裂紋等問題，此類問題是熔融沉積成型技術的增材製造工藝常見的問題。這種固態金屬 3D 工藝的加工速度比基於熔融的工藝快了至少 10 倍，並且消耗的能源更少。

由 MELD 開發的增材製造工藝可以使用任意金屬材料進行打印

　　持續開發需要靈活的自動化技術

　　MELD 目前可提供 L3
、K2 和 3Po 等多款標準的 3D 打印機，可以打印各種尺寸的零件，從大約 3 英尺（90 厘米）長、1 英尺（30 厘米）高到大約 13 英尺（4 米）長
、3.5 英尺（1 米）高。公司還可提供 CD-14 套件包 ，它包含一個帶旋轉沉積工具的主軸、電氣外殼和 HMI
，設備製造商可以將其安裝在大型定製化係統中。實踐證明
，開放、可擴展的控製技術對於實現可持續發展至關重要。

CP2924 多點觸控控製麵板（這裏是豎屏）和 TwinCAT HMI 可以通過基於 Web 的編程實現舒適和直觀的操作界麵

　　公司自 2018 年成立以來，其最初的控製平台已經無法滿足需求。首先
，MELD 的高級自動化工程師 Fred Lalande 不得不為其供應商的平台編寫一個 G 代碼解釋器。此外
，還需要一台集成了單獨的軟件包的額外PC 運行 HMI 和交換性能數據。最後
，該平台在連接現場設備方麵遇到了困難。Fred Lalande 努力讓該平台與倍福的 EL70xx 係列步進電機端子模塊進行通信
，於是他與倍福當地團隊成員、區域銷售工程師 Chuck Padvorac 和應用工程師 Jack Plyler 取得了聯係。當他聽說了倍福基於 PC 的完整的集成控製係統
，Lalande 堅信他已經為 MELD 找到了理想的控製平台。

　　TwinCAT 3 自動化軟件是 Fred Lalande 最終決定選擇倍福的主要原因。Lalande 曾使用 Codesys 的 ST 格式編寫了第一台設備的代碼，他發現使用 TwinCAT 開發平台時
，可以在很短的時間內輕鬆的轉換代碼。在此期間，他不僅使用 TwinCAT NCI 軟件包實現了一個可以在 PLC 內執行 G 代碼文件的程序，而且還在 TwinCAT HMI 中設計了一個新的基於 HTML5 的操作界麵。“以前
，我必須使用兩到三個不同的軟件包
，那是一種痛苦。”他說道。“有了 TwinCAT
，我隻需打開一個程序就能找到我所需的一切。”

從左至右：倍福的 Jack Plyler 和 Chuck Padvorac 與 MELD 的 Chase Cox 和 Fred Lalande

　　隨著解決方案的發展和時間的推移，代碼也變得越來越複雜。TwinCAT zhongdedaimayiyuyizhi，yincizaishejixiayidaishebeishi
，chengxutiaozhengqilaiyehenrongyi。ciwai，zengcaizhizaolingyudeqiyedoufeichangzhongshizhishichanquanbaohu，youqishixiangzhezhongdutedehuodezhuanlidegongyi。TwinCAT 在這方麵很有優勢，倍福的 Chuck Padvorac 指出：“倍福軟件平台讓 MELD 能夠使用我們的 OEM 證書功能鎖定其寶貴的代碼。一切都通過密碼加密保護，因此沒有人可以抄襲 MELD 的開發成果。”

　　據 Chase Cox 介紹，在這種 3D 打印工藝中
，必須根據每種特定材料調整主軸速度，以保持連續打印所需的溫度。為了實現這一目標，TwinCAT Controller Toolbox 中的 PID 控製器在軸控製上提供了雙閉環，確保成功實施 MELD 公司無與倫比的工藝。

　　每台設備都配置了一台安裝有 TwinCAT 的倍福 C6920 控製櫃式工業 PC。倍福的 CP2924 多點觸控控製麵板配備了帶定製按鈕擴展件和更多功能選項的操作界麵。

　　運動控製和功能安全

　　L3
、K2 和 3PO 型號的 3D 打印機的運動控製是通過倍福的伺服解決方案實現的。各種 AX5000 伺服驅動器和 AM8000 伺服電機與配套減速機一起控製 X、Y 和 Z 坐標的運動。EL72xx 係列伺服電機端子模塊為連續送料係統提供動力
，Fred Lalande 解釋道：“送料係統允許操作人員一次性裝入 8 小時的材料。通過倍福的緊湊型運動控製解決方案
，材料可以根據需要自動移動到轉塔車床上。”驅動組件還配備了單電纜技術(OCT)，即將動力和反饋係統集成在一根電纜中
，以簡化調試工作。

　　第三方變頻器和主軸電機控製每台設備旋轉沉積工具的旋轉
，Lalande 發現

，由於變頻器基於 EtherCAT 技術，集成變得很簡單。根據 Lalande 的說法，EtherCAT 為同時使用倍福設備以及第三方設備都提供了即插即用的便利。

　　MELD 還采用了倍福的 TwinSAFE 集成式安全解決方案。Fred Lalande 因此能夠在同一個 TwinCAT 開發環境中通過編程實現驅動器的急停按鈕
、安全門和 TwinSAFE 運動控製功能。“TwinSAFE 使用起來很簡單。”Lalande 說道，“通過實施這一解決方案，我們將我們的設備的安全性能等級提升到了 PLe，即最高安全等級。”

　　麵向未來的 3D 打印技術

　　隨著 MELD 在增材製造方麵不斷取得進展，基於 PC 的控製為其提供了堅實的基礎。EtherCAT 和單電纜技術縮短了調試時間，而 TwinCAT 整合了 HMI
、運動控製、PLC 等設備控製功能。該自動化平台還簡化了 OPC UA、LabVIEWTM

、MATLAB®/Simulink® 等應用程序的使用。

　　為了跟上公司的創新步伐，TwinCAT 提供的開發工具可以助力維護整個設備的統一代碼庫。源代碼版本控製工具（如 Git）可以無縫集成到 TwinCAT 開發和 TwinCAT 項目比較工具中。“有了這些工具
，我們就可以更輕鬆地管理驗收測試。”Fred Lalande 說道。

　　關於德國倍福

　　倍福（Beckhoff）是一家專注於自動化新技術的德資企業

，創立於 1980 年(nian)，總(zong)部(bu)位(wei)於(yu)德(de)國(guo)威(wei)爾(er)市(shi)。作(zuo)為(wei)全(quan)球(qiu)自(zi)動(dong)化(hua)技(ji)術(shu)的(de)驅(qu)動(dong)者(zhe)，倍(bei)福(fu)定(ding)義(yi)了(le)自(zi)動(dong)化(hua)領(ling)域(yu)的(de)許(xu)多(duo)標(biao)準(zhun)
，是(shi)國(guo)際(ji)標(biao)準(zhun)的(de)製(zhi)定(ding)者(zhe)和(he)推(tui)動(dong)者(zhe)。公(gong)司(si)所(suo)生(sheng)產(chan)的(de)工(gong)業(ye) PC、現場總線模塊

、驅動產品和 TwinCAT 自動化軟件構成了一套完整的

、相互兼容的控製係統，可為各個工控領域提供開放式自動化係統和完整的解決方案。經過 40 年的發展和努力
，倍福已在世界各地設立 30 多家分支機構，加上全球的合作夥伴，業務遍及 70 多個國家和地區。

　　倍福於 1997 年進入中國市場，中國區總部落戶於上海市北高新產業園區
，現有員工 300 人
，辦事處遍及國內 30 座大中城市。創新產品和解決方案廣泛應用於風力發電、半導體
、光伏太陽能、電子製造

、金屬加工

、包裝機械、印刷機械
、塑料加工
、輪胎加工、木材加工、玻璃機械、物流輸送以及樓宇自動化等眾多領域。

　　公司傾力推廣的 EtherCAT 實時工業以太網於 2014 年成為中國國家推薦性標準

，並已入編工信部的《國家智能製造標準體係建設指南》。作為一家技術驅動型公司，倍福一直注重在技術上尋求突破創新
，在業內享有“創新引擎”的美譽。倍福基於 PC 的控製技術具有良好的開放性，它支持所有主流的工業通信協議，將 IT 技術
、互聯網和自動化技術完美融合在一起，為實現工業 4.0 和智能製造奠定了堅實的技術基礎。

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