Beckhoff New Automation Technology
Como empresa familiar activa en todo el mundo, GROB-Werke lleva más de 95 años desarrollando sistemas y máquinas-herramienta para los fabricantes de automóviles de mayor renombre, entre otros. Este periodo se ha caracterizado no solo por las innovaciones técnicas, sino también por la apertura de nuevos mercados. Un ejemplo destacado es el campo de la fabricación aditiva, para el que se desarrollaron las primeras máquinas prototipo en 2019. Con la nueva máquina de impresión de metal líquido GMP300, automatizada con un control basado en PC, los alambres de aleaciones de aluminio pueden utilizarse ahora de forma rentable y eficaz en el proceso de impresión 3D para aumentar su precisión y su velocidad.
La cartera de GROB-Werke GmbH & Co. KG, con sede en la localidad alemana de Mindelheim, abarca desde centros de mecanizado universal hasta sistemas de producción de alta complejidad y estaciones de montaje manuales, pasando por líneas de montaje totalmente automatizadas destinadas principalmente al sector de la automoción. En 2018, se puso el foco por primera vez en los equipos de fabricación aditiva como parte de un proceso de gestión de la innovación para evaluar las futuras tecnologías, y que también incluía la electromovilidad y la tecnología de celdas de combustible.
Fabricación aditiva económica y flexible
La máquina de impresión de metal líquido GMP300 utiliza un proceso de fabricación sin polvo para producir componentes de forma aproximada a la final con seguridad y rapidez. Con ello, los clientes disponen una tecnología de sistema fiable, eficiente y rentable, con cinemática de 3 ejes y una velocidad máxima de los ejes de 30 m/min, que también ofrece la máxima flexibilidad de producción. Otras ventajas son un espacio de montaje con atmósfera de oxígeno reducido, numerosos sensores para el control de gotas, boquillas y altura de componentes, entre otros, así como el procesamiento de aleaciones de aluminio suministradas en forma de alambre, con la consiguiente reducción del potencial de peligro al no tener que manipular polvo. El Dr. Johannes Glasschröder, jefe del equipo de fabricación aditiva de GROB, explica: «Para lograr todo esto, hemos desarrollado una tecnología completamente nueva que convierte la fabricación aditiva en una perspectiva mucho más interesante en comparación con los procesos tradicionales. Por ejemplo, la materia prima en forma de alambre es mucho más barata que el polvo convencional. Así, partimos de las condiciones óptimas para producir los componentes necesarios con aluminio de forma rápida y económica, en pequeños lotes».
Emanuel Engelsberger, del equipo de fabricación aditiva de GROB, comenta los retos técnicos superados: «La sincronización precisa del sistema CNC con las gotas de aluminio individuales es crucial. Por ejemplo, para su posicionamiento de alta precisión, debe compensarse con exactitud el tiempo de caída desde el cabezal de impresión hasta el componente. Ha sido necesaria una gran inversión de tiempo y conocimientos en este desarrollo, sobre todo para poder producir esquinas y bordes afilados con precisión y a la máxima velocidad, por ejemplo. El acoplamiento de la frecuencia de las gotas y la velocidad del eje también desempeña un papel muy importante. Lo mismo ocurre con la gran cantidad de datos de los sensores, que, además de registrarse para los análisis, también constituyen la base para el ajuste activo de los parámetros y el control de los procesos. Es la única manera de compensar directamente cualquier error, por mínimo que sea, durante la producción de los componentes». Aunque la gama de aplicaciones imaginables es excepcionalmente amplia (de hecho, el Dr. Johannes Glasschröder casi no aprecia limitaciones en este sentido), los requisitos en cuanto a velocidad de impresión son igual de variados. Según explica, la velocidad de impresión suele ser de 250 gotas de aluminio por segundo, pero ya se ha conseguido imprimir hasta 1000 gotas por segundo. Sin embargo, con el primer valor, más lento, los resultados suelen ser más precisos; también pueden obtenerse con rapidez utilizando mayores volúmenes de gota.
Control basado en PC para mayor velocidad y precisión
Tras la anterior experiencia exitosa de GROB con el control basado en PC de Beckhoff en el ámbito de la electromovilidad, el equipo de fabricación aditiva también decidió confiar en esta tecnología. Así lo explica Emanuel Engelsberger: «En primer lugar, nos beneficiamos de la experiencia y las normas internas existentes. Y, en segundo lugar, la tecnología de control basada en PC fue capaz de satisfacer a la perfección nuestros requisitos de velocidad y precisión». También lo corrobora el Dr. Johannes Glasschröder: «Además, la plataforma de control de Beckhoff es fácil de usar y está abierta a la integración de nuestras propias ampliaciones, lo que significa que también está preparada para el futuro».
El núcleo de hardware de la solución de control está formado por un PC industrial C6030 ultracompacto, idóneo para esta aplicación por su capacidad de cálculo excepcionalmente alta de un solo núcleo. El Dr. Johannes Glasschröder también considera crucial que la gama de procesadores para PC industriales de Beckhoff, de gran amplitud y periódicamente actualizada, cubra tanto los requisitos futuros como los aspectos de sostenibilidad. Un panel de control multitáctil CP3918 con pantalla de 18,5 pulgadas y las extensiones de pulsadores específicas para cada cliente garantizan un manejo cómodo de la máquina.
Los movimientos precisos y dinámicos requeridos de los siete servoejes en total se ejecutan mediante tres servoaccionamientos AX5000 de 1 canal y dos de 2 canales, junto con servomotores AM8000. Aquí también se emplea la tecnología de seguridad integrada en el sistema de control basado en PC: en los servoaccionamientos, a través de las tarjetas opcionales de accionamiento AX5805 TwinSAFE, y en el área de E/S, con la lógica EL6910 TwinSAFE y múltiples terminales TwinSAFE. En general, el nivel de E/S se compone de varios terminales EtherCAT digitales y analógicos y módulos EtherCAT Box. Así describe Emanuel Engelsberger sus principales ventajas: «Los factores decisivos para nosotros son la velocidad y la precisión en la adquisición y el procesamiento de datos. La tecnología eXtreme Fast Control (XFC) de Beckhoff, es decir, con el terminal de sobremuestreo EL2262, constituye la única manera de poder ajustar la señal de disparo correspondiente exactamente según nuestra planificación de trayectorias y de lograr la sincronización necesaria con el sistema de visión, por ejemplo». Esa es precisamente la principal aplicación del GMP300». A todo ello se suma la ventaja que supone la amplia gama de interfaces disponibles en la cartera de E/S de Beckhoff, que facilitan enormemente la integración de funciones como la tecnología de sensores IO-Link (a través de EL6224).
Un paquete de software cómodo y potente
Según Emanuel Engelsberger, el software de automatización TwinCAT de Beckhoff ha demostrado su valía, sobre todo en combinación con los numerosos terminales analógicos EtherCAT, en parte debido a la extensa gama de algoritmos de control que ofrece el paquete de herramientas del controlador TwinCAT 3 (TF4100). Por ejemplo, afirma que el control de la temperatura correcta es crucial a la hora de producir una fusión homogénea de aluminio a partir de la materia prima en forma de alambre que se suministra en el cabezal de impresión. En el entorno de la ingeniería, surgen numerosas ventajas de la simulación previa de secuencias de máquinas sin tener que dedicar tiempo a cambiar el entorno de desarrollo, así como de las múltiples opciones de virtualización.
El sistema CNC TwinCAT 3 (TF5200) constituye la base para el cálculo de trayectorias, que constituye el núcleo de la aplicación, como explica Emanuel Engelsberger: «Incluso durante el período de familiarización, la interfaz de ingeniería, la arquitectura del software y la facilidad de uso de TwinCAT ya me han sido de gran ayuda. Trabajar con TcXaeShell es muy sencillo y no requiere mucho esfuerzo, lo que, en último término, nos facilita la aplicación de nuestros conocimientos básicos. Como ya hemos mencionado, para posicionar la gota de aluminio en el sistema CNC con exactitud, es preciso ejecutar una especie de cálculo previo para tener en cuenta correctamente el tiempo de caída de la gota. Por lo tanto, tenemos que saber exactamente dónde se va a encontrar la siguiente gotita durante la curva de trayectoria y ajustar el disparador de manera acorde».
