Den größten 3D-Drucker zukunftsweisend steuern

Es handelte sich um ein ehrgeiziges Projekt, welches das Unternehmen Colossus aus dem belgischen Limburg bei dem Maschinenbauer IMA in Auftrag gab. Denn das Start-up möchte große funktionelle oder dekorative Objekte mit einem neuen 3D-Drucker fertigen, der als Rohstoff recyceltes Material verarbeitet. Darüber hinaus soll der 3D-Drucker im Container eingebaut auch als Eyecatcher zu Messen und Festivals transportiert werden. Damit die Besucher die Faszination Fertigung live erleben können, müssen die Produkte wesentlich schneller entstehen, als übliche Technologien es derzeit ermöglichen.

Im Einzelnen funktioniert das so: Die recycelten Materialien verarbeitet man im Fused Granular Fabrication (FGF)-Verfahren. Dabei wird ein Kunststoffgranulat in einem Extruder aufgeschmolzen und das Endprodukt durch einen schichtweisen Auftrag erzeugt. Der Druckkopf des Extruders wird in dieser Anwendung in einem speziellen Linearportal im Raum bewegt. Die Berechnung der Verfahrdaten für das Linearportal erfolgt in zwei Schritten: Zunächst wird aus dem 3D-Modell des Endprodukts G-Code erzeugt. Die Steuerung verarbeitet den G-Code und berechnet so die Bewegung des Druckkopfs im Raum. Beide Rechenvorgänge erfordern hohe Prozessorleistung.

Die IMA-Mitarbeiter Dries Daniels, Project Engineer, Chris Briers, Senior Automation Engineer, und Thomas Voets, Hardware Engineer entwickelten ein XYZ-Portal als Antrieb für den 3D-Drucker. Dabei treiben Zahnriemen die X- und Y-Achse an, sodass die Y-Achse keinen Motor erfordert. Der Nachteil dabei: Um die korrekten X- und Y-Koordinaten in die entsprechenden Daten für den Zahnriemenantrieb umzusetzen, ist ein zusätzlicher Rechenvorgang erforderlich. Das XYZ-Portal hängt seinerseits an vier Spindeln, die alle über einen eigenen Antrieb verfügen. Somit lässt sich die Druckfläche perfekt parallel zur Fläche der X- und Y-Achse halten.

Für die Steuerung des Druckers fiel die Wahl auf PC-based Control als offene Plattform von Beckhoff. „Es war von Anfang an klar, dass wir diese Offenheit benötigten, damit alle Komponenten untereinander kommunizieren können“, berichtet Chris Briers. Eine der Komponenten ist die Heizzonenregelung des Extruders. Hierfür nutzt IMA das TwinCAT 3 Plastic Processing Framework. Briers erklärt dazu: „Der Extruder hat sechs Heizzonen mit 3-Punkt-Regelung. Jede Zone besitzt ein Heizband und einen Ventilator zur Kühlung. Für einen stabilen Prozess müssen diese exakt angesteuert werden. Um mit dem Drucken des Materials zu starten und zu stoppen, wird eine Verschlussdüse eingesetzt. Das ist ein motorisiertes Ventil, mit dem man den Durchfluss regeln kann. Die Bedienung dieses Ventils stellt eine Störgröße für den Temperaturregler dar, die passend ausgeregelt werden muss.“ Der Extruder arbeitet mit konstantem Massedurchsatz, das heißt die Bewegung des Druckkopfs muss abhängig von der Geometrie des Endprodukts geregelt werden. Die betreffenden Parameter muss der Benutzer selbst einstellen können.

Die von IMA entwickelte Lösung basiert auf einem Ultra-Kompakt-Industrie-PC C6030 sowie, realisiert über Servoverstärker AX5000, auf drei Doppelstellantrieben und einem Einzelstellantrieb. Das Visualisierungsprogramm ist in .NET geschrieben, sodass sich das Visualisierungslayout einfach an die Wünsche des Kunden anpassen ließ. Die Steuerungssoftware kann große Datenmengen im G-Code-Format einlesen und verarbeiten. TwinCAT CNC übernimmt dabei die Interpolation und die kinematische Transformation der virtuellen X- und Y-Achse zur A- und B-Achse des XYZ-Portals. Die Verarbeitung des G-Codes ist eine typische CNC-Funktionalität, die wie die Heizungsregelung des Extruders als Bibliothek in TwinCAT zur Verfügung steht. Dank dieser Bibliotheken kann man die Implementierung äußerst komplexer Aufgaben auf die Parametrierung verfügbarer Funktionen reduzieren. So erfolgt die Temperaturregelung des Extruders mit dem TwinCAT 3 Plastic Processing Framework (TF8540). Die Reglerparameter werden automatisch ermittelt (Autotuning). Mithilfe dieser optimalen Parameter ist schnelles Aufheizen bei geringem Überschwingen möglich.

Damit sich die Möglichkeiten und die Faszination des 3D-Drucks auf das Publikum optimal übertragen, gilt das verwendete Human Machine Interface (HMI) als besonders wichtige Komponente. IMA entschied sich als hierfür geeignete Hardware für das Multitouch-Control-Panel CP2912 mit 12-Zoll-Display.

Durch das kreative Design ist es gelungen, den verfügbaren Platz in einem Container optimal zu nutzen. So lassen sich Produkte mit Abmessungen bis zu 2,72 x 1,25 x 1,5 Metern herstellen. Der Drucker beeindruckt mit einer Fertigungsleistung von bis zu 15 Kilogramm pro Stunde. Je nach gewünschtem Ergebnis sind die Produkte direkt verwendbar.