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

Портальные системы — это подход к созданию системы точного перемещения для станков, таких как 3D-принтеры, лазерные резаки и фрезерные станки с ЧПУ. Терминология не дает точного определения конструкции, поскольку различные подходы к созданию прецизионных порталов расходятся в ключевых аспектах. Портальные системы также можно использовать для точечных прикладные системы печати, такие как FDM/FFF или система MetalX компании Desktop Metal, но они также используются для поддержки области прикладные печатающие головки, такие как OBJET, системы струйной печати и даже производство ламинированных объектов (LOM).

В некоторых отношениях роботизированные манипуляторы, используемые в роботизированном аддитивном производстве, также можно считать портальной системой, несмотря на то, что часто используется геометрия частично полярных координат, а не трехосное ортогональное позиционирование. Обычно это применимо только в том случае, если сам робот установлен на портале.

В этой статье речь пойдет о том, что такое портальная система для 3D-печати, а также о ее преимуществах и недостатках.

Что такое портальная система для 3D-печати?

Портальные системы поддерживают точечную или зональную 3D-печатную головку. Он обеспечивает, по крайней мере, некоторые оси движения, которые позволяют головке пересекать область сборки, чтобы разместить наносимый материал точно в необходимой точке сборки. Часто одна или несколько осей управляются движением стола. Однако он крепится к портальной раме и может считаться неотъемлемой частью портала. Для получения дополнительной информации см. наше руководство «Как работает 3D-печать».

Каковы преимущества портальных систем для проектов 3D-печати?

Создание 3D-принтера на основе портальной системы имеет различные преимущества, в том числе:

1. Широко считается недорогим методом обеспечения точного позиционирования и управления движением печатающей головки или экструдера 3D-принтера. Это позволяет создать относительно недорогую конструкцию, обеспечивающую точное и воспроизводимое позиционирование и управление быстрым движением. Это приводит к лучшему воспроизведению печатаемого файла без необходимости использования дорогостоящего оборудования.
2. Позволяет печатающей головке или экструдеру быстро ускоряться и замедляться без смещения из-за сил реакции. Обеспечение более быстрого позиционирования печатающей головки при движении между операции печати сокращают общее время печати.
3. Может использоваться для размещения различных размеров и форм печатной платформы без существенной переработки. Это обеспечивает унификацию деталей и средств управления движением в машинах различных размеров. Поскольку большинство порталов изготавливаются из экструдированных материалов или материалов, вырезанных лазером и сложенных, увеличения размеров машины можно добиться просто за счет удлинения элементов конструкции и приводных механизмов. Этот вариант ограничен только потерей жесткости, что в конечном итоге приведет к менее точному движению.
4. Жесткая конструкция портальной системы должна быть спроектирована таким образом, чтобы обеспечить структурную устойчивость во время печатных операций и особенно во время позиционирования. Это снижает риск колебаний, которые в противном случае могут повлиять на качество печати.
5. Обеспечьте открытый доступ к деталям привода, подшипников и трансмиссии. Это упрощает обслуживание портальных машин. Конструкция, включающая минимальное количество движущихся частей и видимые, доступные механизмы, также облегчает очистку и осмотр.

Каковы недостатки портальной системы для проектов 3D-печати?

Портальные системы имеют различные преимущества при создании и эксплуатации 3D-принтеров, в том числе:

1. Более сложные и жесткие портальные системы могут быть довольно большими и тяжелыми. Это затрудняет их размещение и перемещение, а также требует большего пространства для установки.
2. Большие машины, построенные с использованием портальных систем, могут быть более дорогостоящими, чем другие подходы к конструкции машин, из-за их размера и сложности.
3. Машины с портальными системами кубической формы могут ограничивать доступ пользователей к печатной платформе. Это затрудняет удаление готовых отпечатков или затрудняет необходимые настройки в процессе печати для пользователей.
4. Принтеры с открытым портом могут создавать больше шума и вибраций во время печати, особенно из-за усиления резонанса шаговых двигателей, которые обычно жестко прикреплены к деталям рамы. В спокойной обстановке это может отвлекать или мешать.

Какие существуют типы портальных систем для 3D-печати?

На рынке 3D-печати используется целый ряд конкретных портальных систем. Сюда входит:

1. Декартова XY-головка

Портальная система с декартовой XY-головкой — это тип системы управления движением, обычно используемый в 3D-принтерах (и во многих других классах станков с ЧПУ). При таком подходе к конструкции печатающая головка или экструдер перемещается вдоль оси X портала и перемещается по оси Y за счет перемещения всего портала. Это может привести к перемещению большой массы по оси Y и привести к повышенному риску вибрации машины, особенно при маневрах с большим ускорением.

В такой портальной системе печатная платформа зафиксирована, а печатающая головка или экструдер перемещается по двум перпендикулярным осям, обычно вращаясь на шлифованных валах с шариковыми линейными подшипниками с рециркуляцией. В более дорогих версиях в качестве направляющих часто используются V-образные рельсы с роликовыми подшипниками с V-образными канавками, что приводит к снижению износа подшипников. Ось X обычно определяется как acros. станок, при этом ось Y ориентирована назад/вперед относительно устройства. Ось Z определяет вертикальную высоту печатающей головки или экструдера и перемещается по оси X гентри.

Портальные системы Cartesian-XY просты и удобны в изготовлении и эксплуатации. Они также обеспечивают хорошую точность и повторяемость, позволяя высокоточно позиционировать печатающую головку. Однако они имеют ограничения по скорости и ускорению, а также в некоторых отношениях им может не хватать жесткости.

2. Скрещенные в стиле Ultimaker

Перекрестная портальная система в стиле Ultimaker представляет собой механическую конструкцию и систему перемещения осей, реже используемую в 3D-печати. Он оснащен двумя параллельными порталами, которые позиционируют печатающую головку или экструдер по осям X и Y. Порталы соединены перекладиной, которая предназначена для стабилизации движения по обеим осям за счет разделения жесткости. Движение по оси Z обычно осуществляется по этим двум осям, а не передается поднимающейся и опускающейся печатной платформе.

В этой системе печатная платформа обычно фиксирована и устойчива. Печатающая головка или экструдер перемещается по осям X и Y. Они приводятся в движение шаговыми двигателями, передающими движение через зубчатые ремни. Два портала могут двигаться одновременно. Это обеспечивает плавное искривление и движение без рывков между операциями печати, поскольку внезапные изменения направления сводятся к минимуму. Этот подход также обеспечивает хорошую стабильность во время печати, улучшая качество отпечатков.

Этот подход к проектированию более сложен и требует больше усилий при настройке и калибровке, чем более простые конструкции. Особенно это касается ременных приводов, требующих очень хорошей центровки для обеспечения точного и повторяемого движения. Некоторые пользователи также сообщают о трудностях с доступом к печатной платформе для внесения корректировок во время печати, поскольку два портала могут иногда блокировать доступ во время печати.

3. CoreXY

Портальная система CoreXY — это конструкция, используемая при проектировании 3D-принтеров, которая имеет стационарные шаговые двигатели для привода осей X и Y. Это уменьшает массу, движущуюся в портале во время перемещений по оси Y, поскольку привод оси Y остается неподвижным. Это обеспечивает более высокое ускорение и более точные движения печатающей головки, обеспечивая более высокое качество печати.

Система CoreXY работает с использованием ряда шкивов и рециркуляционных (петлевых) ремней, расположенных так, что приводные ремни пересекаются друг с другом в ядре или центре системы. Зубчатые ремни перемещают печатающую головку в направлениях X и Y с меньшей инерцией.

Перемещение меньшей массы позволяет создать более легкую портальную конструкцию. Движущейся массе, которой приходится сопротивляться в моменты высоких ускорений, требуется меньше движущейся массы. Этот подход более чувствителен к натяжению ремня и состоянию скольжения, чем другие системы, и его может быть сложно настроить и откалибровать. Возможности ускорения считаются достаточным преимуществом, чтобы перевесить проблемы с настройкой, поэтому эта система популярна среди некоторых пользователей более продвинутой категории.

4. i3-Декартовский стиль-XZ-головка

Декартова XZ-головка в стиле i3 очень широко используется при проектировании 3D-принтеров. При таком подходе сама печатная платформа поднимается и опускается (движение по оси Z), а печатающая головка отдельно транспортируется на портале по оси X. Экструдер установлен на каретке, которая перемещается вдоль оси X на прецизионно отшлифованных валах с использованием шариковых втулок с рециркуляцией. На более крупных и дорогих машинах направляющие могут иметь V-образную форму с роликовыми подшипниками, установленными на этих направляющих. Для повышения точности также можно использовать линейные направляющие и подшипники скольжения.

В 3D-принтере типа i3 ось Y обычно представляет собой движущуюся платформу, которая перемещается вперед и назад, в то время как гентри управляет осью X. Обычно его называют 3D-принтером «постельное белье».

Эта конструкция проста и легка в изготовлении, что делает ее популярным выбором для домашних 3D-принтеров и хобби. Он обеспечивает хорошую точность и точность на небольших машинах, но, как правило, требует умеренного ускорения и изменения направления из-за относительно низкой жесткости и высокой инерции.

Основным недостатком этой конструкции является то, что может быть очень сложно поддерживать ровную поверхность и достигать постоянной толщины слоя. Низкая жесткость по сравнению с другими более дорогими конструкциями 3D-принтеров может иметь очень значительные последствия при более высоких скоростях/ускорениях осей.

5. H-Бот

H-bot — это портальная система, используемая в некоторых 3D-принтерах. В ней используются ременные передачи и линейные направляющие, конструкция которых, как и в системе CoreXY, включает стационарные двигатели для привода осей X и Y.

Два ремня X и Y образуют форму буквы «H». Движение по оси X является результатом совместного движения обоих ремней, действующих в унисон, тогда как движение по оси Y достигается скоординированным движением обоих ремней.

В зависимости от конструкции ось Z может либо поднимать/опускать портал, либо поднимать/опускать печатную платформу.

Компоновка H-bot может быть более стабильной и жесткой, чем другие конструкции 3D-принтеров, обеспечивая более высокое качество печати. Стационарные двигатели уменьшают инерцию системы, обеспечивая более высокие ускорения и требуя меньшей жесткости для хорошей устойчивости.

Конструкция H-bot сложна в настройке и калибровке, и сообщается, что она требует дополнительного обслуживания. Любое небольшое провисание ремней значительно нарушит точность XY, что представляет собой особую проблему при обслуживании, поскольку ремни могут растягиваться. Однако при хорошем обслуживании H-bot представляет собой эффективную портальную систему, способную обеспечить высокое качество и высокая скорость.

Как обслуживается портальная система?

Системы привода осей 3D-принтера нуждаются в регулярных проверках и обслуживании для обеспечения эффективной работы. Рекомендуется свериться с процедурой технического обслуживания, рекомендованной OEM-производителем. Ниже перечислены некоторые общие советы по обслуживанию портальной системы:

1. Регулярно проверяйте натяжение приводного ремня. Слишком натянутые ремни вызывают повышенный износ, а ослабленные ремни влияют на точность и повторяемость.
2. Убедитесь, что все поверхности подшипников смазаны для обеспечения плавного движения и уменьшения износа. Используйте смазку, рекомендованную производителем, и не переусердствуйте.
3. Проверьте приводные ремни на предмет износа, истирания, растрескивания и растяжения. 
4. Убедитесь, что натяжной ролик ремня и приводные шкивы соосны. Несоосность приведет к проскальзыванию или ускоренному износу ремней, а также может повлиять на реакцию оси или перегреть двигатели.
5. Температура шаговых двигателей привода оси может указывать на проблемы с приводом. Наблюдение за горячими двигателями может помочь предупредить пользователя о ряде проблем.
6. Очистите весь принтер, уделив особое внимание системе привода оси. Большая часть износа (а затем и поломок) является прямым результатом загрязнения движущихся частей и подшипников.

Как работает портальная система для 3D-печати?

Портальная система обеспечивает каретку и привод для перемещения печатающей головки. 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 принтерах FDM/FFF портал часто представляет собой арку, на которой установлена печатающая головка. Он перемещает печатающую головку по оси рабочего стола (в направлении X), а также поднимает и опускает ее (направление Z). Движение по оси Y затем обрабатывается перемещением рабочего стола. Это позволяет порталу оставаться неподвижным по оси Y, что снижает потребность в жесткости конструкции.
2. В других принтерах FDM/FFF ось Y управляется путем перемещения всего портала по оси Y. Для этого необходимо, чтобы портал был более жестким в направлении Y, чтобы избежать колебаний по оси Y при ускорении и замедлении.
3. Более жесткая форма портальной конструкции, которая обеспечивает более быстрое перемещение без раскачивания и колебаний, представляет собой кубическую раму, которая жестко удерживает движение всех трех осей. Эта система чаще используется на машинах среднего и крупного размера. Он может обеспечить более быстрое движение и ускорение, а также более точное позиционирование печатающей головки.

Как долго служат портальные системы 3D-печати?

Портальные 3D-принтеры могут иметь практически неограниченный срок службы при определенных условиях. Эти условия заключаются в том, что техническое обслуживание является регулярным и тщательным, запасные части остаются доступными, а выполнение необходимого технического обслуживания и ремонта имеет коммерческую ценность. Портальные 3D-принтеры представляют собой совокупность функциональных и структурных частей, и общая долговечность системы зависит от самого слабого звена.

Могут ли портальные системы печатать дома?

С помощью 3D-печати действительно можно строить дома и другие крупные сооружения. 3D-печать зданий — это область растущих исследований и первых попыток коммерциализации. Существует множество примеров домов и других общественных зданий, напечатанных на 3D-принтере, обычно с использованием портальных принтеров для бетона или мобильных роботизированных манипуляторов.

Системы 3D-принтеров, используемые для выполнения этой задачи, работают по принципу, аналогичному печати FDM/FFF, выдавливая полоску бетона в качестве дорожки, из которой можно напечатать полную конструкцию. Некоторые аспекты в настоящее время выполняются вручную. Такие элементы, как оконные и дверные перемычки, необходимо устанавливать вручную, поскольку в настоящее время печать «поддержки» под свесами невозможна.

Применяемые в настоящее время подходы позволяют печатать только вертикальные стены и не могут обрабатывать конструкции крыши. Все остальные аспекты — от водопровода и электрики до установки окон и облицовки, а также все отделочные работы — выполняются вручную, без непосредственной перспективы их автоматизации.

Имеют ли портальные системы ограниченную область печати?

Да, внутри очень ограниченный объем. портал, который можно распечатать. Портал — это конструкция, которая обычно находится значительно за пределами области/объема печати типичной машины для 3D-печати. 

Зависят ли портальные системы от 3D-программного обеспечения?

Портальные 3D-принтеры (как и все 3D-принтеры) сильно зависят от различных типов 3D-программ при изготовлении конечных деталей.

3D CAD необходимо использовать на этапе проектирования для создания моделей для печати. Затем модель необходимо разрезать в программе-слайсере, чтобы можно было распечатать модель по слоям. Нарезанные слои обычно затем преобразуются в G-код, чтобы указать 3D-принтеру, по какому пути должна следовать головка инструмента, чтобы напечатать окончательную форму. Это называется «траекторией инструмента» как в 3D-печати, так и в обработке на станках с ЧПУ.

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

Существует несколько основных различий между различными портальными системами, доступными для 3D-печати. В конструкции 3D-принтеров используются различные типы портальных систем, каждая из которых имеет свои сильные и слабые стороны. Основные различия:

1. Жесткость: Дополнительная гибкость снижает устойчивость принтера к ускорению, поскольку высокие ускорения разрушают конструкцию и вызывают вибрации/колебания, которые могут нарушить процесс печати.
2. Вес: Больший вес машины может быть преимуществом, обеспечивающим устойчивость. Более высокий переезд детали однако вес требует больших движущих сил и большей жесткости, чтобы избежать тряски в точках ускорения или изменения направления.
3. Стоимость: Более легкие и простые конструкции стоят дешевле, но недостаточная структура приведет к низкой точности и плохой производительности.
4. Обслуживание: Некоторые портальные системы упрощают обслуживание, тогда как другие могут значительно усложнить процесс.

Чтобы узнать больше, ознакомьтесь с нашим полным руководством по сравнению роботизированной руки и портальной системы для 3D-печати.

Сводка

В этой статье были представлены портальные системы, объяснено, что они собой представляют, а также рассмотрены принципы их работы и различные типы. Чтобы узнать больше о портальных системах, свяжитесь с представителем Xometry.

Xometry предоставляет широкий спектр производственных возможностей, включая 3D-печать и другие дополнительные услуги для всех ваших потребностей в прототипировании и производстве. Посетите наш веб-сайт, чтобы узнать больше или запросить бесплатное ценовое предложение без каких-либо обязательств.

Уведомления об авторских правах и товарных знаках

1. OBJET® является зарегистрированной торговой маркой Stratasys, Inc.

Отказ от ответственности

Содержимое этой веб-страницы предназначено только для информационных целей. Xometry не делает никаких заявлений и не дает никаких гарантий, явных или подразумеваемых, относительно точности, полноты или достоверности информации. Любые параметры производительности, геометрические допуски, конкретные конструктивные особенности, качество и типы материалов или процессов не должны рассматриваться как представляющие то, что будет доставлено сторонними поставщиками или производителями через сеть Xometry. Покупатели, желающие получить расценки на детали, несут ответственность за определение конкретных требований к этим деталям. Для получения дополнительной информации ознакомьтесь с нашими положениями и условиями.

Дин МакКлементс

Дин МакКлементс — дипломированный инженер с отличием в области машиностроения с более чем двадцатилетним опытом работы в обрабатывающей промышленности. Его профессиональный путь включает в себя важные должности в ведущих компаниях, таких как Caterpillar, Autodesk, Collins Aerospace и Hyster-Yale, где он развил глубокое понимание инженерных процессов и инноваций.

Прочтите другие статьи Дина МакКлементса



Понимание дюрометра (твердости):определения, использование, типы и практические примеры Объяснение прямого экструдера:функции, применение и совместимые материалы