La tecnología de control basada en PC permite la fabricación aditiva de grandes piezas de plástico

Impresión 3D rápida y precisa en formato XXL

Stefan Ziegler, RR PP de Gestión Editorial, Beckhoff Automation

13/05/2022

Los procesos de impresión en 3D se han convertido en el eje de la innovación en el desarrollo, la construcción de prototipos y la producción de pequeñas series de piezas de plástico. Solo la precisión, la velocidad y el tamaño del objeto parecían ser los factores limitantes, o eso parecía. El fabricante de máquinas polaco Atmat ha ampliado considerablemente los límites de lo posible mediante el uso de la tecnología de control y accionamiento de Beckhoff.

Con la ayuda de la impresora 3D Saturn y su amplio espacio de trabajo, se imprimieron el capó del motor, las palas del rotor y el buje del rotor (entre otros) durante la restauración de este avión histórico. Foto: Atmat.

Hasta hace unos 10 años, la impresión 3D se utilizaba principalmente para la creación rápida de prototipos. Sin embargo, hoy en día el procedimiento se ha convertido cada vez más en una parte de la producción en serie. El fabricante de máquinas Atmat, con sede en Cracovia, reconoció pronto el gran potencial de la impresión 3D y, además de en la ingeniería mecánica tradicional, se ha especializado en la fabricación de impresoras 3D industriales convirtiéndolo en su segundo pilar. Con Saturn y Jupiter, sus actuales impresoras de gran tamaño, la empresa ha elevado la escala del espacio de trabajo a un nuevo nivel, sin sacrificar la precisión, la velocidad de impresión y la comodidad de manejo. Los desarrolladores lo han implementado sobre la base de una tecnología de control basada en PC, es decir, con el software TwinCAT 3, un Panel PC Economy CP6700 integrado, así como terminales de E/S EtherCAT y tecnología de servoaccionamiento de Beckhoff.

No faltan áreas de aplicación interesantes para la impresora 3D de gran formato, como las industrias de la automoción y la aviación. Un proyecto excepcional es, por ejemplo, la restauración de un avión francés modelo Caudrin CR.714 de la época anterior a la Segunda Guerra Mundial. No solo el fuselaje resultó dañado durante la guerra, sino que al avión le faltaban las palas de la hélice, el buje, la cubierta de la hélice y la carcasa del motor. Por tanto, una reconstrucción del avión con métodos tradicionales habría requerido una gran cantidad de tiempo y gastos. Por ello, se decidió fabricar estas piezas mediante impresión 3D con el apoyo de Atmat. “El aspecto más importante del proyecto, y al mismo tiempo su mayor reto, consistía en reproducir la forma del fuselaje y sus dimensiones reales con la mayor precisión posible”, explicó Robert Grolik, jefe del departamento de Automatización de Atmat. “Dado que se trata de una pieza de museo, también tuvimos que prever la fijación de las piezas impresas de tal manera que los elementos históricos no sufrieran daños en el momento del montaje”.

Impresión precisa de componentes de filigrana con un tamaño de hasta 1,2 m³

Los requisitos previos para este tipo de restauración son impresoras 3D precisas con espacios de trabajo suficientemente grandes para la producción de piezas de avión de gran formato y sus a menudo complejas geometrías. Todas las piezas se imprimieron mediante FFF/FDM (tecnología de deposición en masa). Con este proceso, se calienta un filamento en forma de hebra con un extrusor hasta que se funde, se introduce en el cabezal de impresión y se aplica con precisión en la mesa de trabajo, capa a capa, hasta que el componente está terminado. De este modo, la mesa de trabajo funciona como eje Z y los ejes de pórtico accionados por correa dentada actúan como ejes X e Y. Para la reconstrucción de las piezas del avión se utilizó una impresora 3D de tipo Saturn. Con un espacio de trabajo de 1.200 x 1.000 x 1.000 mm, representa la segunda impresora 3D fabricada por Atmat en formato XXL después de la Jupiter. “Desde el principio, nos concentramos de forma paralela tanto en los proyectos específicos de los clientes como en las impresoras 3D. Solo gracias a los conocimientos que hemos adquirido en materia de impresoras 3D compactas hemos podido desarrollar una tecnología de impresión 3D eficaz y de gran formato como la que se utiliza en los modelos Jupiter y Saturn”, subraya Robert Grolik.

Expertos frente a la impresora 3D Saturn (de izquierda a derecha): Robert Grolik, director del departamento de automatización, Jacek Domański, programador senior de PLC, ambos de Atmat, el director de cuentas clave Sebastian Aszklar y el director de Ventas Local Krzysztof Pulut, ambos de Beckhoff Polonia, y Mateusz Dyląg, director de Operaciones de Atmat. Foto: Atmat.

Jupiter y Saturn no solo son idóneas para la creación de prototipos funcionales. Los sistemas están diseñados para integrarse directamente en las líneas de producción, lo que permite optimizar la producción en masa de componentes individuales en 3D. “Las empresas internacionales, sobre todo las del sector del automóvil, están encantadas de aprovechar todo esto”, explica Robert Grolik. El motivo: la individualización de los vehículos, además de las numerosas opciones de equipamiento disponibles, es cada vez más importante. “La tecnología aditiva permite la producción de estas opciones de equipos personalizados, en poco tiempo, de forma sencilla y con pocos gastos financieros”. No solo permite imprimir componentes tan sencillos como tapacubos o elementos del volante; hoy en día se pueden implementar estructuras más grandes y bastante complejas, incluidos los salpicaderos y los elementos de iluminación.

Además, los fabricantes de vehículos se están tomando en serio la posibilidad de utilizar la impresión 3D para la producción de automóviles enteros, no solo para series limitadas de vehículos, sino también para prototipos funcionales, con el fin de poder presentar el aspecto real de un nuevo modelo de tamaño 1:1 incluso antes del inicio de la producción en serie. Esta tendencia no solo se da en la industria del automóvil: “Lo vemos en la creciente proporción de pedidos inusuales y de pequeñas series de productos”, señala Robert Grolik. Esto se debe a que la impresión 3D no solo permite probar soluciones innovadoras antes de la producción, sino que también simplifica la organización de la producción de pequeñas series por parte de las empresas. Ya no es necesario pedir y almacenar los componentes por adelantado, pues se imprimen en función de las necesidades.

La impresora de gran formato Saturn es un excelente ejemplo de estas ventajas. Desarrollada especialmente para aplicaciones sofisticadas (es decir, de alta precisión), la máquina combina un banco de trabajo de granito macizo con un eje de pórtico equipado con dos unidades de impresión (cabezal principal y auxiliar) para una alta velocidad de impresión. El cabezal principal está compuesto por dos extrusores con una o dos boquillas de impresión. Esto acelera considerablemente la impresión, incluso en el caso de geometrías complejas, según explica Robert Grolik. La temperatura correcta de la plataforma de trabajo está garantizada por un sistema de calefacción de cuatro zonas integrado en la gran mesa. Sus controles de temperatura independientes no solo reducen el consumo de energía, sino que también permiten alcanzar más rápidamente la temperatura de trabajo establecida. Para mantener la temperatura constante, la enorme zona de impresión está instalada en una cámara de calefacción aislada.

Los servomotores AM8121 de Beckhoff, en combinación con los terminales de motor paso a paso EL72xx, proporcionan una alta velocidad y precisión durante el movimiento de los cabezales de impresión. Foto: Atmat.

Tecnología de accionamiento compacta para el control preciso de movimiento

Atmat ha equipado las impresoras de gran formato con los compactos servomotores AM8121 de Beckhoff. Junto con su construcción maciza, garantizan una precisión de posicionamiento de 50 µm (ejes X/Y) y 10 µm para el eje Z. Para Atmat, las experiencias positivas de trabajos anteriores con la serie Jupiter fueron decisivas para la selección de los componentes del accionamiento. “Una de las ventajas de los servomotores AM8121 es que pueden accionarlos los terminales de motor paso a paso EL72xx”, afirma Krzysztof Pulut, director regional de ventas de Beckhoff. “Con sus dimensiones compactas en el formato estándar de terminales EtherCAT, permiten un considerable ahorro de espacio en el armario de control en comparación con los servoaccionamientos convencionales”. Además, la tecnología de cable único (OCT) reduce considerablemente el esfuerzo de cableado de la impresora, ya que la alimentación y la retroalimentación se combinan en una sola línea. “Además, la OCT disminuye el riesgo de un cableado incorrecto y reduce el número de componentes del sistema que el fabricante de máquinas debe tener a mano”, añade Krzysztof Pulut. El movimiento del eje Z se ejecuta con un motor paso a paso accionado por el terminal EtherCAT EL7031.

Beckhoff también suministró todos los módulos de E/S, incluida la tecnología de seguridad. Los requisitos de seguridad se aplican con los terminales TwinSAFE EL6900, EL1904 y EL2904. Los sensores especiales, que controlan la temperatura de los cabezales de extrusión, la mesa y la cámara (entre otros), utilizan los correspondientes terminales EtherCAT. “La regulación de la temperatura es decisiva para la estratificación de la masa fundida con impresoras FDM, ya que garantiza la calidad de la pieza impresa”, nos comenta Robert Grolik para explicar la importancia de los terminales para el proceso de impresión. Para obtener buenos resultados de impresión también resulta esencial una solución adicional interesante que se les ha ocurrido a los especialistas en automatización de Atmat: utilizan un sensor láser para medir la distancia entre el cabezal de impresión y la mesa, lo que mejora la calidad de la impresión, especialmente en las primeras capas de material.

El Panel PC integrado CP6700 con TwinCAT HMI permite un cómodo manejo de la impresora 3D. Foto: Atmat.

Funcionamiento intuitivo con la TwinCAT HMI

La impresora 3D está automatizada y controlada a través de TwinCAT 3 y el Panel PC integrado CP6700 de la serie Economy. “El procesador Intel Atom (doble núcleo) y la memoria RAM de 4 GB son totalmente suficientes, incluso para nuestros complejos pedidos de impresión 3D”, subraya Robert Grolik. En cuanto a la integridad del sistema, los expertos confían en 30 GB de memoria flash como soporte externo y en un SAI de Beckhoff con copia de seguridad de 1 s. Tanto la capacidad de soportar las condiciones de producción ocasionalmente duras como el software de visualización TwinCAT HMI integrado fueron decisivos para la selección del hardware de control. “Este último ofrece una multitud de diseños y tiempos de respuesta cortos, acceso remoto y la asistencia mediante escáneres de códigos QR”, comenta Robert Grolik.

“Lo que nos convenció de trabajar con Beckhoff es la apertura de la empresa a la innovación. Beckhoff desarrolla e implementa continuamente soluciones poco comunes entre otros fabricantes. Desde nuestro punto de vista, lo más importante fueron la OCT, un entorno de desarrollo avanzado para la HMI y el Panel PC con Windows 10 como sistema operativo, que facilitó la integración de nuestras impresoras 3D en sistemas de nivel superior”, concluye Robert Grolik.