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無支撐結構的 3D 金屬列印

HS Automation 與 KUKA 合作開發了一種用於金屬增材製造的雷射單元。KR IONTEC 的雷射焊接製程以節省材料的方式生產複雜金屬零件,符合經濟效益。


KUKA 機器人徹底改變了複雜結構的積層金屬製程

金屬產業面臨的挑戰日益嚴峻:借助模組化自動化單元中的新型 3D 金屬列印,HS Automation 和 KUKA 正在製定新標準。3D 金屬列印機結合了 KR IONTEC 系列的機器人與雙軸轉檯,使轉檯能夠根據工件規格與機器人手臂同步移動。Meltio 列印頭末端的六個焊接雷射將導入的焊絲精確地熔化到載體材料或所形成的工件上。成品部件不需要任何或僅需要最少的後續加工。系統開發人員共同努力,利用幾乎無限的設計選項實現了最少的材料浪費和更低的製造成本。該技術善加利用不鏽鋼、鈦、鉻鎳鐵合金和結構鋼的材料特性製造工具、零件和自由形狀。專家表示,銅的 3D 列印也將很快成為可能。
他們也致力於開發仿生結構和複雜結構的 3D 列印,用於例如輕量化結構和原型建造等領域。中型企業受益於快速的備件生產以及節省能源和材料。使用創新的軟體解決方案——例如 KUKA.CNC——使該技術對中小型公司更具吸引力。KUKA.CNC 可以用於直接製做先前使用 CAD 軟體或 CAM 系統設計的結構,而無需將 CAD 檔案轉換為 KUKA 機器人語言(KRL)。
自動化服務供應商 HS Automation 總部位於巴登-符騰堡州弗林根,自 2017 年以來一直與 KUKA 合作。

使用 KUKA 的 KR IONTEC 和雙軸轉檯進行金屬 3D 列印

創新的金屬 3D 列印製程可節省材料並經濟高效地生產複雜零件。

如何利用 KUKA 機器人進行金屬 3D 列印?

在金屬積層製造領域,創新每分鐘都在湧現。目標是從即使數量 1 開始便能經濟高效地生產,以減少材料消耗,同時減少後續加工時間。自動化專業供應商 HS Automation 的 3D 雷射焊接單元能夠滿足金屬產業現代製造的上述要求。3D 列印機在工件載體上逐層進行焊接。 
積層製造技術受益於機器人和雙軸轉檯在空間中的靈活移動性。
與雷射燒結不同,載體不會下降,而是機器人連接臂會同步於安裝有載體的雙軸轉檯移動雷射。同樣由 KUKA 開發的 DKP-400 V2 可對工件進行定位,以便列印頭能夠在正確的位置焊接新材料。預先設計的 3D 物件因此逐層成形。傳統金屬 3D 列印中常見的支撐結構已經過時,其他 3D 雷射印表機或金屬雷射燒結所需的粉末管理也是如此。另一個區別是所生產零件的尺寸:傳統應用的尺寸有限,約為 50 x 50 公分。HS Automation 的技術也能夠生產大型零件。
金屬 3D 列印系統的雷射列印每層可以製作 2 mm 的壁厚。

3D 金屬列印的機會與可能性

金屬列印應用採用絕對測定的機器人,準確性大大優於現有競爭產品。「透過機器人解決方案,我們大幅拓展了生產技術的可能性。」HS Automation 總經理暨業務經理 Rolf Steidinger 在談到 3D 金屬列印機的潛力時說道。這項技術可以解決例如備用零件問題,因為如此便能夠自行生產已停產的元件。

一旦無法以傳統方式製造零件,這套設備便不可或缺。

Rolf Steidinger,HS Automation 總經理
對於可以利用傳統方式生產的零件,這項製程技術也能夠成本降低並將生產率提高四倍。與銑削或車削整塊金屬相較之下,雷射沉積焊接同時縮減了材料用量和後續加工時間材料節約潛力高達 98%。這些特性在工具製造、特殊系統建置或原型生產中特別佔有優勢。例如風力發電機等產品的氣流最佳化組件,無論是生產、測試和最佳化方面都能加快速度。
總經理暨業務經理 Rolf Steidinger 看到了金屬 3D 列印技術的巨大潛力。

金屬積層製造的優點

機器人、雙軸轉檯和雷射列印頭的創新組合為金屬 3D 列印樹立了新標竿。
  • 有效利用材料

    與銑削相比,大大減少了金屬浪費率。3D 列印在運行時無需支撐結構或金屬粉末。
  • 經濟高效且永續

    與傳統的生產方式相比,該技術的生產率提高了四倍,成本節省高達 90%,佔盡更種優勢。

  • 最大的設計自由度

    積層金屬製造尤其適合複雜結構或雙壁物件的情況。
  • 最佳微型結構

    3D 金屬列印機可以以 2 mm 的壁厚製作物件。該設備還可以生產金屬或合金實心工件。
用於 3D 金屬列印的機器人在尺寸為 5 x 4 x 4 公尺的雷射單元中工作。

未來產業的 3D 金屬列印:電動汽車和醫療技術

機器人引導的雷射沉積焊接極為精確,將已知的金屬列印應用提升至全新水準。機器人系統能夠生產雙壁物件,例如具有內部冷卻通道的組件。列印頭配備了六個 200 W 雷射器,不僅可以列印單一材料,還可以在一個列印零件上列印兩種不同的金屬材料。
幾乎可以加工任何材料:不鏽鋼、鈦、工具鋼、鎳合金。我們的雷射合作夥伴 Meltio 目前正在致力於研究印刷銅。這表示這項技術即將可以應用在電動車專案中。」Marc Steidinger 預測。
總經理 Marc Steidinger(左)與員工 Lukas Nill 一起檢查金屬 3D 列印的品質。
負責此專案技術管理的 HS Automation 總經理認為,該專案的應用領域主要是備件生產、量產開發和醫療技術。在原型建造中,使用者受益於可以非常靈活地調整列印參數。未來,歸功於於 3D 金屬列印,鈦合金人工膝關節和其他醫療植入物將能夠根據患者的具體情況加以獨立調整。

善用協同效應:自 2017 年以來,HS Automation 一直是 KUKA 的系統合作夥伴

HS Automation 擁有約 20 名員工,目標是讓自動化技術能夠為其他中小型公司有效使用。Rolf Steidinger 將該公司視為一家更有效率、更永續的德國中型公司的合作夥伴:「24 年來,我們一直在為一些客戶提供自動化生產方面的支援。我們共同不斷開發迎合未來的最先進解決方案。」

自 2017 年以來便與 KUKA 結締了系統合作夥伴關係,兩家公司以解決方案和盈利的方式利用彼此的優勢:直接應對實際挑戰、特定產業的專業知識、KUKA 機器人共和國所提供的工具和高水準的應用體驗。HS Automation 的專家們精心設計和建造完整的生產線——從機器上料、尺寸輸送和切割到自動削鋸,再到鎖緊或釘固,甚至還可以實施單一專案,例如點焊電池。在投產運行之前,HS Automation 也使用 KUKA.Sim 等 KUKA 產品來確保專案成功。專家們利用這些產品事先規劃空間尺寸、移動半徑和系統的安全區域。

總經理 Marc 和 Rolf Steidinger 藉助金屬 3D 列印機,為尤其是中型企業開闢了新的製造前景。

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