应用案例 | 铝合金 3D 打印 — 精度高速度快

格劳博集团是一家在全球范围内运作的家族企业，自 95 年前成立以来，一直致力于为全球知名的汽车制造商研发以及生产各种系统和机床。在当今这个日新月异的时代，他们不仅致力于追求技术创新，更具有很强的市场开拓能力。他们于 2019 年成功研制出的增材制造领域的第一台机床样机。其新型液态金属打印机 GMP300 配备了基于 PC 的自动化控制技术，它能够经济高效地使用铝合金线材进行高精度、高速度的 3D 打印。

             

来自格劳博集团增材制造团队的 Emanuel Engelsberger 和团队负责人 |ohannes Glaschrōder 博士，以及倍福慕尼黑分公司经理 Darius wala (从左到右)在外观优雅的新型 GMP300 前合影留念

格劳博集团总部位于德国明德海姆市，其产品范围包括通用加工中心、高度灵活的生产系统和手动装配站，以及主要针对汽车行业的全自动装配生产线。2018 年，公司出于创新考虑，将重点放在增材制造设备上，以评估电动汽车和燃料电池等未来技术。

经济灵活的增材制造技术

GMP300 液态金属打印机采用无粉制造工艺，可安全快速地生产形状接近成品的部件，为客户提供可靠、高效且经济的系统技术（采用 3 轴运动学，最大轴速度为 30 米/分），同时还提供了最大的生产灵活性。此外，该系统还配备了一个含惰性气体的装配空间，以及大量用于监测液滴、喷嘴和部件高度的传感器。同时，它还可加工铝合金线材，由于无需处理粉末，从而降低了潜在风险。格劳博增材制造团队负责人 Johannes Glasschröder 博士解释道：

我们为此开发了一种全新的技术，与传统工艺相比，具有更加广阔的发展前景。例如，线材原料要比常用的粉末原料便宜得多。这为快速、经济地小批量加工制造铝合金部件提供了理想条件。

使用 GMP300 液态金属印刷机生产的部件示例

格劳博增材制造团队的 Emanuel Engelsberger 在谈及所面临的技术挑战时补充道：

 Emanuel Engelsberger：

“CNC 系统与每个铝滴精准同步是关键。例如，为了实现高精度定位，必须精确补偿铝滴从打印头到形成部件之间的下落时间。我们为这项研发投入了大量的时间和精力，特别是为了能够以最大速度精确地生产边角和尖锐边缘。液滴频率与轴速度的匹配也起着极其重要的作用。同样，大量的传感器数据不仅可用于分析，而且也是参数调整和过程控制的基础。只有这样，才能在部件制造过程中直接补偿任何可能的微小误差。”

三维结构的构建速度通常为 250 个液滴/秒（如图上方所示）

Johannes Glasschröder 博士认为，该技术的应用范围非常广泛，几乎没有任何限制，但它对打印速度的要求各不相同。目前已经实现了每秒 1000 个铝滴的打印速度，但通常打印速度为每秒 250 个铝滴。使用较慢的打印速度时，结果通常会更精确，并且也可以使用更大的铝滴体积快速实现所需效果。

基于 PC 的控制技术具有速度快、精度高的特点

继格劳博在电动汽车领域采用倍福基于 PC 的控制技术获得成功之后，增材制造团队也决定选用这项技术。Emanuel Engelsberger 解释道：“我们不仅能满足传统要求和内部标准，而且基于 PC 的控制技术还能够完全满足我们对速度和精度的要求。”Johannes Glasschröder 博士也证实了这一点：“最重要的是，倍福的控制平台易于使用，开放性强，并且可以集成我们自己的扩展功能，这意味着它是经得起未来考验的。”

性能强大的 C6030 超紧凑型工业 PC 用于控制所有设备和操作流程

C6030 超紧凑型工业 PC，其单核计算能力很高，非常适合这个应用。Johannes Glasschröder 博士还认为，Beckhoff 工业 PC 搭载的处理器种类非常丰富且定期更新，能够满足未来发展需求以及可持续发展方面的要求。格劳博选择了一台CP3918 多点触控控制面板，配备 18.5 英寸显示屏和定制化按钮扩展件，确保机器操作方便。

总共七个伺服轴所需的高精度和高动态运动通过 3 个单通道和 2 个双通道 AX5000 伺服驱动器以及 AM8000 伺服电机实现。此外，格劳博还使用了倍福的安全产品：在伺服驱动器方面，使用的是 AX5805 TwinSAFE 驱动器选项卡，而在 I/O 方面，使用的则是 EL6910 TwinSAFE 逻辑端子模块和多个 TwinSAFE 端子模块。

AX5000 伺服驱动器与 AM8000 系列伺服电机配合使用，确保实现高精度、高动态的运动

总体而言，I/O 层由大量数字量和模拟量 EtherCAT 端子模块以及 EtherCAT 端子盒构成。Emanuel Engelsberger 在描述它们的重要优势时说道：

对我们来说，数据采集、处理的速度和精度至关重要。只有采用倍福的 XFC 极速控制技术，即 EL2262 超采样端子模块，我们才能根据轨迹规划精确设置相应的触发信号，并实现与视觉系统同步等要求。而这正是 GMP300 的核心应用。” 

此外，另一个优势是倍福的 I/O 产品具有各种接口，便于集成 IO-Link 传感器（通过 El6224）等设备。

性能强大且操作便捷的软件组件

Emanuel Engelsberger 认为，倍福 TwinCAT 自动化软件已经通过大量应用证明了其优势，尤其是在与各种 EtherCAT 模拟量模块配合使用时，TwinCAT 3 组件（TF4100）提供了丰富的控制算法。例如，在用打印头的线材原料生产均匀的铝熔体时，正确的温度控制至关重要。在工程环境中，其优势在于无需花时间切换开发环境就能预仿真机器序列，并且拥有丰富的虚拟化功能选项。

                       定制的 CP3918 多点触控控制面板可显著提高 GMP300 的利用率

TwinCAT 3 CNC (TF5200) 是应用核心（轨迹计算）的基础，Emanuel Engelsberger 解释道：

 Emanuel Engelsberger：

“TwinCAT 的开发界面、软件架构和易用性在我们熟悉期间就给了我很大支持。在 TcXaeShell 中可以简单方便来实现我们的核心专业技术。因此，如前所述，为了在数控系统中精确定位铝液滴必须进行类似于预计算的操作，以便正确计算出液滴的下落时间。因此，我们需要准确地知道下一个液滴在轨迹曲线中的位置，然后相应地设置触发器。”