Портальные системы в 3D-печати: преимущества, недостатки и ключевые соображения

Портальные системы (gantry systems) — подход к созданию системы точного движения для станочного инструмента, такого как 3D-принтеры, лазерные резаки и ЧПУ-фрезеры. Терминология не дает точного определения структуры, так как различные подходы к созданию точных порталей расходятся в ключевых аспектах. Портальные системы также могут использоваться для точечных систем печати, таких как FDM/FFF или система MetalX от Desktop Metal, но также для поддержки плоскостных печатающих головок, таких как OBJET, системы струйной печати порошком и даже ламинированное объектное производство (LOM).

В некоторых отношениях роботы-манипуляторы, используемые в роботизированном аддитивном производстве, также можно считать портальной системой, несмотря на частое использование частично полярной координатной геометрии вместо 3-осевого ортогонального позиционирования. Это обычно применимо только если сам робот смонтирован на портале.

В этой статье обсуждается, что такое портальная система для 3D-печати, а также её преимущества и недостатки.

Что такое портальная система для 3D-печати?

Портальные системы поддерживают точечную или плоскостную печатающую головку. Она обеспечивает по крайней мере некоторые оси движения, позволяющие головке перемещаться по области печати для размещения материала в точно требуемой точке сборки. Часто одна или более осей обрабатываются движением стола. Стол смонтирован на портальной раме, однако, и может считаться по существу интегральной частью портала. Для дополнительной информации см. наше руководство по How 3D Printing Works.

Каковы преимущества портальных систем для проектов 3D-печати?

Существует множество преимуществ построения 3D-принтера на базе портальной системы, включая:

1. Широко считается низкозатратным методом обеспечения точного позиционирования и управления движением печатающей головки или экструдера 3D-принтера. Это позволяет относительно дешевой структуре обеспечивать точное и повторяемое позиционирование и управление быстрым движением. Это приводит к лучшему воспроизведению печатаемого файла без необходимости высокозатратного оборудования.
2. Позволяет печатающей головке или экструдеру быстро разгоняться и тормозить без смещения из-за реактивных сил. Позволяя более быстрое позиционирование печатающей головки в движении между операциями печати, сокращает общее время печати.
3. Может использоваться для адаптации вариаций размеров и форм стола печати без крупного перепроектирования. Это обеспечивает общность деталей и систем управления движением по семейству размеров машин. Поскольку большинство порталей сделаны из экструдированных или лазерно вырезанных и гнутых материалов, увеличение размера машины достигается простым удлинением структурных элементов и приводных механизмов. Этот вариант ограничен только потерей жесткости, которая в конечном счете приведет к менее точному движению.
4. Жесткая конструкция портальной системы должна быть спроектирована для обеспечения структурной стабильности во время печатных операций и особенно при позиционирующих перемещениях. Это снижает риск осцилляций, которые иначе нарушат качество печати.
5. Обеспечивают открытый доступ к приводным, опорным и передаточным частям. Это делает портально-основанные машины легче для обслуживания. Конструкция с минимальными движущимися частями и видимыми, доступными механизмами также облегчает чистку и инспекцию.

Каковы недостатки портальной системы для проектов 3D-печати?

Портальные системы имеют различные недостатки в конструкции и эксплуатации 3D-принтеров, включая:

1. Более сложные и жесткие портальные системы могут быть довольно крупными и тяжелыми. Это делает их трудными для размещения и перемещения и требует большего пространства для установки.
2. Крупные машины, построенные с использованием портальных систем, могут быть более затратными, чем другие подходы к структуре машины, из-за их размера и сложности.
3. Машины с кубическими портальными системами могут ограничивать доступ пользователя к столу печати. Это препятствует извлечению готовых печатей или затрудняет необходимые корректировки в процессе печати для пользователей.
4. Открытые портальные принтеры могут производить больше шума и вибраций при печати, особенно усиливая резонанс шаговых двигателей, которые обычно жестко смонтированы на раме. Это может отвлекать или сбивать в иных тихих средах.

Каковы различные типы портальных систем для 3D-печати?

Существует ряд конкретных портальных систем, применяемых на рынке 3D-печати. Это включает:

1. Декартова XY-головка (Cartesian-XY-Head)

Декартова XY-головка — тип системы управления движением, обычно используемый в 3D-принтерах (и широком спектре других классов ЧПУ-машин). Этот конструктивный подход перемещает печатающую головку или экструдер вдоль X-оси портала и перемещает Y-ось за счет движения всего портала. Это может включать перемещение большой массы по Y-оси и может привести к большему риску вибраций машины, особенно при маневрах с высоким ускорением.

В такой портальной системе печатный стол зафиксирован, а печатающая головка или экструдер движется вдоль двух перпендикулярных осей, обычно по шлифованным валам с циркулярными шариковыми линейными подшипниками. Дорогие версии часто используют V-рельсы с внешними V-образными роликовыми подшипниками в качестве направляющих, результатируя в сниженном износе подшипников. X-ось обычно определена как поперек машины, в то время как Y-ось ориентирована назад/вперед относительно устройства. Z-ось позиционирует вертикальную высоту печатающей головки или экструдера и несет на X-движении портала.

Декартовы XY-портальные системы просты и легки в построении и эксплуатации. Они также обеспечивают хорошую точность и повторяемость, позволяя высокоточное позиционирование печатающей головки. Однако они имеют ограничения в скорости и ускорении и могут не иметь достаточной жесткости в некоторых отношениях.

2. Перекрестная в стиле Ultimaker (Ultimaker-Style Crossed)

Перекрестная в стиле Ultimaker портальная система — механическая структура и система осевого движения, менее часто используемая в 3D-печати. Она имеет два параллельных портала, позиционирующих печатающую головку или экструдер вдоль X и Y осей. Порталы соединены перекладиной, предназначенной для стабилизации движения по обеим осям за счет совместной жесткости. Z-осевое движение обычно несет на этих двух осях, а не делегировано поднимающемуся и опускающемуся столу печати.

В этой системе печатный стол обычно зафиксирован и стабилен. Печатающая головка или экструдер движется вдоль обеих X и Y осей. Они приводятся шаговыми двигателями, передающими движение через зубчатые ремни. Два портала могут двигаться одновременно. Это позволяет плавной кривизне и движению без рывков между печатными операциями, так как внезапные направленные изменения минимизируются. Подход также предлагает хорошую стабильность при печати, благоприятствуя качеству напечатанных результатов.

Этот конструктивный подход более сложен и требует больше усилий в настройке и калибровке, чем более простые дизайны. Это особенно влияет на ременные приводы, требующие очень хорошего выравнивания для обеспечения точного и повторяемого движения. Некоторые пользователи также сообщают о трудностях в доступе к столу печати для корректировок во время печати, так как два портала могут блокировать доступ в некоторые моменты печати.

3. CoreXY

CoreXY портальная система — структура, используемая в дизайне 3D-принтеров, имеющая стационарные шаговые двигатели для привода X и Y осей. Это снижает массу в движении в портале при Y-осевых движениях, так как Y-осевой привод остается зафиксированным на месте. Это позволяет более высокое ускорение и более точные движения печатающей головки, давая более качественные напечатанные результаты.

CoreXY система работает за счет использования серии шкивов и рециркулирующих (замкнутых) ремней, расположенных так, что приводные ремни перекрещиваются в центре или ядре системы. Привод зубчатых ремней перемещает печатающую головку в обеих X и Y направлениях с меньшей инерцией.

Движение меньшей массы позволяет более легкую портальную структуру. Меньше движущейся массы для сопротивления в моменты высокого ускорения. Этот подход более чувствителен к натяжению ремней и состоянию скольжения, чем другие системы, и может быть сложным в настройке и калибровке. Ускоряющая способность считается достаточным преимуществом для перевеса проблем настройки, поэтому эта система популярна среди некоторых пользователей в более продвинутой категории.

4. Декартова XZ-головка в стиле i3 (i3-Style Cartesian-XZ-Head)

i3-стиль Декартовой XZ-головки очень широко используется в дизайне 3D-принтеров. В этом подходе сама печатная платформа поднимается и опускается (Z-осевое движение), в то время как печатающая головка отдельно транспортируется на портале для X-оси. Экструдер смонтирован на карете, движущейся вдоль X-оси на прецизионно шлифованных валах с циркулярными шариковыми втулками. На более крупных и дорогих машинах рельсы могут быть в V-форме с роликовыми подшипниками на этих рельсах. Линейные рельсы и скользящие подшипники также могут использоваться для более высокой точности.

На i3-типе 3D-принтера Y-ось обычно является движущимся столом, движущимся туда-сюда, в то время как портал контролирует X-ось. Это обычно называют типом 3D-принтера «bedslinger» (бросающий стол).

Этот дизайн прост и легок в построении, делая его популярным выбором для домашних/любительских 3D-принтеров. Он дает хорошую точность и прецизионность в малых машинах, но обычно требует умеренности в ускорении и смене направления из-за относительно низкой жесткости и высокой инерции.

Основной недостаток этого дизайна — может быть очень трудно поддерживать выровненный стол и достигать постоянных толщин слоев. Плохая ригидность по сравнению с другими, более дорогими дизайнами 3D-принтеров, может иметь очень значительные эффекты при более высоких осевых скоростях/ускорениях.

5. H-Bot

H-bot — портальная система, применяемая в некоторых 3D-принтерах. Она использует ременные приводы и линейные рельсы в компоновке, которая, похоже на CoreXY систему, имеет стационарные двигатели для привода X и Y осей.

Два ремня для X и Y образуют форму «H». X-осевое движение результатирует из комбинированного движения обоих ремней, действующих в унисон, в то время как Y-осевое движение достигается координированным движением обоих ремней.

В зависимости от дизайна, Z-ось может либо поднимать/опускать портал, либо поднимать/опускать печатный стол.

H-bot компоновка может быть более стабильной и жесткой, чем другие дизайны 3D-принтеров, давая более качественные напечатанные результаты. Стационарные двигатели снижают системную инерцию, позволяя более высокие ускорения и требуя меньше жесткости для хорошей стабильности.

H-bot дизайн сложен в настройке и калибровке и сообщается как требующий больше обслуживания. Любой незначительный пробой, развивающийся в ремнях, будет существенно нарушать X-Y прецизию, что является особой проблемой в обслуживании, так как ремни могут растягиваться. Однако при хорошем обслуживании H-bot — эффективная портальная система, способная давать высокое качество и высокую скорость.

Как обслуживается портальная система?

Системы привода осей 3D-принтера нуждаются в регулярных проверках и обслуживании для обеспечения эффективной работы. Рекомендуется консультироваться с рекомендуемой процедурой обслуживания OEM. Ниже приведены общие советы по обслуживанию портальной системы:

1. Регулярно проверяйте натяжение приводных ремней. Чрезмерно натянутые ремни вызывают избыточный износ, а ослабевшие — влияют на точность и повторяемость.
2. Обеспечьте смазку всех опорных поверхностей для поддержания плавного движения и снижения износа. Используйте производителем рекомендуемое смазку и не пересмазывайте.
3. Проверяйте приводные ремни на износ, вырванье, трещины и растяжение.
4. Обеспечьте выравнивание ременных натяжителей и ведущих шкивов. Выравнивание вызовет проскальзывание ремней или более быстрый износ и может влиять на отзывчивость осей или перегрев двигателей.
5. Температура осевых шаговых двигателей может быть индикатором приводных проблем. Наблюдение за горячими двигателями может помочь предупредить пользователя о ряде проблем.
6. Чистите весь принтер, особенно концентрируясь на системе привода осей. Большинство износа (и последующих отказов) — прямой результат грязи в движущихся и опорных частях.

Как работает портальная система для 3D-печати?

Портальная система обеспечивает карету и приводную способность, перемещающую печатающую головку. Конкретный процесс варьируется в зависимости от типа портальной системы для 3D-печати. Портальные системы в 3D-принтерах делятся на четыре основные категории:

1. В настольных FDM/FFF принтерах портал часто представляет собой арку, несущую печатающую головку. Он движет головку осево по столу сборки (в направлении X) и поднимает/опускает её (направление Z). Y-ось движения затем обрабатывается движением стола сборки. Это позволяет порталу быть стационарным по Y-оси, снижая потребность в структурной жесткости.
2. В других FDM/FFF принтерах Y-ось обрабатывается перемещением всего портала по Y-оси. Это требует, чтобы портал был жестче в Y-направлении для избежания осцилляций по Y-оси при разгоне и торможении.
3. Более жесткая форма портальной структуры, позволяющая более быстрый обход без качания или осцилляций — кубическая рама, держащая движение всех трех осей жестко. Эта система чаще используется на средних и крупных машинах. Она может давать более быстрое движение и ускорение с более высокоточными результатами позиционирования печатающей головки.

Как долго служат портальные системы 3D-печати?

Портально-основанные 3D-принтеры могут иметь по существу неограниченный функциональный срок службы при условиях: регулярное и тщательное обслуживание, доступность деталей и коммерческая ценность в выполнении требуемого обслуживания и ремонта. Портально-основанные 3D-принтеры — совокупность функциональных и структурных частей, и общая долговечность системы зависит от самого слабого звена.

Способны ли портальные системы печатать дома?

3D-печать действительно может строить дома и другие крупные структуры. 3D-печать зданий — область растущих исследований и ранних попыток коммерциализации. Существует множество примеров домов и других гражданских зданий, 3D-напечатанных, обычно с использованием портально-основанных бетонных принтеров или мобильных роботизированных манипуляторов.

3D-принтерные системы, используемые для выполнения этой задачи, работают средством, похожим на FDM/FFF печать, экструдируя нить бетона как трак, из которого может быть напечатана полная структура. Некоторые аспекты сейчас выполняются ручным вмешательством. Элементы вроде перемычек окон и дверей должны устанавливаться вручную, так как нет «поддерживающей» печати под нависами в настоящее время.

Принимаемые в настоящее время подходы могут печатать только вертикальные стены и не могут обрабатывать кровельные структуры. Все остальные аспекты — от сантехники и электрики, через установку окон и отделку и все финишные задачи — ручные, без непосредственной перспективы автоматизации этих процессов.

Имеют ли портальные системы ограниченную печатаемую область?

Да, существует очень ограниченный объем внутри портала, который печатаем. Портал — структура, которая обычно находится значительно вне печатаемой области/объема типичной 3D-печатной машины.

Зависят ли портальные системы от 3D-ПО?

Портально-основанные 3D-принтеры (как и все 3D-принтеры) сильно зависят от различных типов 3D-ПО для производства конечных деталей.

3D CAD должен использоваться на этапе дизайна для производства моделей для печати. Затем модель должна быть нарезана в слайсере для печати моделью слоями. Нарезанные слои затем обычно конвертируются в G-код для инструктирования 3D-принтера, какой путь должен следовать инструменту для печати конечной формы. Это называется «путь инструмента» (toolpath) и в 3D-печати, и в ЧПУ-обработке.

Каковы различия между различными портальными системами для 3D-печати?

Существует несколько основных различий между различными портальными системами, доступными для 3D-печати. Существуют различные типы портальных систем, применяемых в построении 3D-принтеров, каждый со своими сильными и слабыми сторонами. Главные различия:

1. Жесткость: дополнительная гибкость снижает толерантность ускорения принтера, так как высокие ускорения разрушат структуру и индуцируют вибрации/осцилляции, нарушающие процесс печати.
2. Вес: более высокий вес машины может быть преимуществом в помощи стабильности. Более высокий вес движущихся частей, однако, требует больших приводных сил и большей жесткости для избежания тряски в точках ускорения или смены направления.
3. Стоимость: более легкие и простые структуры стоят дешевле, но недостаточная структура приведет к низкой точности и плохой производительности.
4. Обслуживание: некоторые портальные системы позволяют легкое обслуживание, в то время как другие могут сделать процесс гораздо более сложным.

Для дополнительной информации см. наше полное руководство по Robotic Arm vs. Gantry System for 3D Printing.

Резюме

В этой статье представлены портальные системы, объяснено, что они такое, и обсуждено, как они работают и различные типы. Чтобы узнать больше о портальных системах, свяжитесь с представителем Xometry.

Xometry предоставляет широкий спектр производственных возможностей, включая 3D-печать и другие добавленные услуги для всех ваших прототипирующих и производственных нужд. Посетите наш сайт, чтобы узнать больше или запросить бесплатную котировку без обязательств.

Уведомления об авторских правах и товарных знаках

1. OBJET® — зарегистрированный товарный знак Stratasys, Inc.

Отказ от ответственности

Контент на этой веб-странице предназначен только для информационных целей. Xometry не дает никаких заявлений или гарантий любого рода, явных или подразумеваемых, касательно точности, полноты или достоверности информации. Никакие параметры производительности, геометрические допуски, специфические конструктивные особенности, качество и типы материалов или процессов не должны выводиться как представление того, что будет доставлено сторонними поставщиками или производителями через сеть Xometry. Покупатели, запрашивающие котировки для деталей, отвечают за определение конкретных требований к этим деталям. Обратитесь к нашим условиям для получения дополнительной информации.

Dean McClements

Dean McClements — выпускник B.Eng Honors в области механической инженерии с более чем двумя десятилетиями опыта в производственной отрасли. Его профессиональный путь включает значительные роли в ведущих компаниях вроде Caterpillar, Autodesk, Collins Aerospace и Hyster-Yale, где он развил глубокое понимание инженерных процессов и инноваций.

Читать больше статей Dean McClements