Роботизированные манипуляторы против портальных систем: выбор лучшей архитектуры 3D-печати для размера и отпечатка

В секторе 3D-принтеров существует простое разделение. Устоявшийся рынок в основном состоит из машин, которые несут внутри себя систему движения, встроенную в раму или портал, в которую встроены направляющие и приводы. Это портальные машины. С другой стороны, большая часть отрасли предпочитает более крупномасштабные машины на основе автономных робоманипуляторов, которые увеличивают потенциальный объём сборки, сохраняя малый отпечаток машины.

Преимущество роботизированной руки 3D-печати действительно проявляется только в более крупных сборках, где объём сборки определяется досягаемостью руки, а не ограничивается жёсткими границами портала. Эта статья дальше изучит различия между роботизированными манипуляторами и портальными системами для 3D-печати.

Что такое роботизированный манипулятор для 3D-печати?

Роботизированный манипулятор для 3D-печати — это механическая рука, которая значительно отличается от более распространённого ортогонального подхода X-Y-Z. Такая рука может быть полезна, потому что устройство способно двигаться в более широком диапазоне направлений и ориентаций. Поэтому этот подход облегчает 3D-печать объектов с использованием большего числа степеней свободы. Для дополнительной информации см. наше руководство «Роботизированная рука 3D-принтера».

Рисунок 1 — пример роботизированной руки 3D-принтера:

Роботизированная рука 3D-печати не обычно используется для изготовления мелких деталей. Существуют трудности в малом масштабе, которые делают ортогональные машины более практичными. Роботизированные манипуляторы склонны быть более дорогими, чем их портальные аналоги, особенно в малых масштабах.

В общем, для печати более крупных деталей в автомобильной и авиакосмической отраслях, роботизированный манипулятор был бы оснащён экструдерной печатающей головкой (FDM/FFF/FGF) или лазерной/ТИГ-варочной головкой.

Оба могут наносить материал для создания конечного объекта. Рукой программируется движение экструдера в точном узоре, нанося материал до завершения объекта. Однако такая установка руки может работать на экструзионно-базированном процессе, который изменяет слой на более сложную структуру. Это потому, что дополнительные степени свободы позволяют руке подходить к процессу печати более сложными способами (такими как непланарная печать).

Роботизированная рука 3D-печати может использоваться для печати крупных объектов и деталей со сложными геометриями, которые были бы трудны или невозможны для создания с использованием ортогональных машин.

Какие проекты могут печатать роботизированные манипуляторы?

Роботизированная рука 3D-печати добавляет степени гибкости, которые ортогональные машины не могут достичь. Некоторые примеры того, что она может печатать, перечислены ниже:

1. Крупные объекты, слишком большие для типичных 3D-принтеров. Примеры — крупные автомобильные детали, полноразмерная мебель, архитектурные компоненты и целые здания.
2. Обменом экструдеров роботизированный манипулятор принтера может использовать множественные материалы, разные цвета или добавки.
3. В зависимости от жёсткости и качества устройства, роботизированные принтеры могут быть высокоточными в своих движениях. Это поддерживает высокую точность при выполнении крупных или сложных дизайнов.
4. Печать в необычных формах и ориентациях более достижима благодаря дополнительным степеням свободы движения. Это может позволить печатать непосредственно на изогнутой поверхности (непланарная печать) или печатать на нижней стороне сборок.
5. 3D-печать со сложными геометриями возможна, так как рука может прервать проход материала и продолжить с другой стороны препятствия. Это позволяет печатать зацепляющиеся объекты, которые часто невозможно достичь с ортогональными техниками 3D-печати.

Возможности роботизированной 3D-печати ограничены только размером и жёсткостью руки, точностью и повторяемостью её движения, и меньше — сложностью печатаемых объектов.

Каковы преимущества роботизированных манипуляторов для 3D-печати?

Различные преимущества роботизированной руки 3D-печати над портальными/ортогональными машинами считаются важными, включая:

1. Область/объём печати: Этот подход позволяет очень крупные печати с относительно малой машиной, ограниченной только объёмом её досягаемости.
2. Размер: Меньшие устройства могут доставлять более крупные печати.
3. Стоимость/размер: Хотя роботизированные руки не дешёвы, они конкурентоспособны с очень крупными ортогональными принтерами меньшей способности.
4. Геометрия детали: Роботизированные руки предлагают гораздо меньше ограничений в геометрии сборки из-за своего мног осевого доступа к сборке.
5. Анизотропный контроль: «Структура» сборки может быть выбрана по регионам, так как строгая унаксиальная слойность не требуется. Это позволяет ориентировать прочность детали различно для лучшей общей надёжности печатей.

Каковы недостатки роботизированных манипуляторов для 3D-печати?

Пока роботизированная рука 3D-печати предлагает преимущества над ортогональными методами печати, есть также недостатки, включая:

1. Настройка роботизированной 3D-печати дорога, затраты запретительны для малых бизнесов или частных лиц.
2. Роботизированная 3D-печать требует значительно более высокого уровня технической экспертизы, чем ортогональные/портальные принтеры, в терминах создания/выполнения печатных заданий и начальной настройки оборудования.
3. Роботы не интринсически ограждены и могут легко травмировать случайных прохожих. Барьеры и датчики проникновения должны использоваться.
4. Как и все машины, роботизированные руки требуют регулярного обслуживания и периодических ремонтов. Это, вероятно, будет намного более затратным и затратным по времени, чем для ортогональных/портальных 3D-принтеров.

Имеет ли роботизированная рука 6 осей?

Да, роботизированные 3D-принтеры часто имеют шесть осей, но многие роботизированные манипуляторы имеют меньше степеней свободы. Шестиосевой роботизированный манипулятор имеет шесть осей движения: три вращательные оси (крен, дифферент и рыскание) и три поступательные оси (вверх-вниз, влево-вправо, вперёд-назад). Шестиосевая подвижность — норма в промышленных роботизированных манипуляторах, используемых для 3D-печати. Некоторые роботизированные 3D-принтеры могут иметь больше шести осей (или меньше), в зависимости от их предполагаемого применения.

Что такое портальная система для 3D-печати?

Портальная система для 3D-печати — это структура, состоящая из балок и направляющих, которые поддерживают печатающую головку/экструдер и направляют её движение во время перемещения и печати. Критическими функциями являются жёсткость и точность, размещая точку нанесения печати точно внутри сборки. Портальная система позволяет большую высоту сборки (и поэтому объём) чем дельта или декартовы принтеры. Портальные системы в общем применимы к большинству техник 3D-печати. Z-осевой механизм, позволяющий глубину печати, либо результат движения от портала, несущего Z-осевой механизм — либо от движения строительного стола на отдельном механизме.

Портальные системы широко распространены в промышленных/профессиональных и домашних/хоббийных машинах из-за их интринсической жёсткости и потенциала большого объёма сборки. Рисунок 2 — пример портальной системы для 3D-печати:

Часто задаваемые вопросы о роботизированных манипуляторах против портальных систем

Каково главное преимущество роботизированного манипулятора над портальной системой для 3D-печати?

Главное преимущество роботизированного манипулятора над портальной системой для 3D-печати — его длинная досягаемость/большой объём сборки в крупных печатях. Перемещение крупного ортогонального портального принтера на стройплощадку обычно потребует его разборки для транспорта, делая настройку на месте экстремально сложной. Роботизированная рука может втянуться в умеренный размер и быть легко размещена в предполагаемом месте сборки.

Каково главное преимущество портальной системы над роботизированным манипулятором для 3D-печати?

Портальные 3D-принтеры дешевле в покупке, эксплуатации и обслуживании, чем роботизированные машины.

Какой тип 3D-принтера используется для строительства?

И портальные, и роботизированные 3D-принтеры используются для строительного строительства, в зависимости от ряда факторов, таких как размер. Строительство на месте чаще выполняется роботизированными принтерами, тогда как производство компонентов на фиксированном месте более практично с портальной машиной.

Какой тип 3D-принтера используется для металлической печати?

Большинство металлических 3D-принтеров (особенно основанных на порошковом слое плавления) используют лазеры и зеркала, которые вращаются, направляя лазер к слою. Они ни роботизированные, ни портальные системы. Они обычно работают в контролируемых средах с инертными газами и лучше подходят для мелких деталей.

Однако определённые металло-печатные технологии, особенно те, что используются для изготовления более крупных деталей, могут использовать роботизированные манипуляторы. Системы WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing) часто имеют дуговую сварку, смонтированную на роботизированном манипуляторе.

Преимущества роботизированной печати в более крупных машинах делают этот практичный, но не распространённый вариант, к которому рынок (а значит, производители машин) проявляют растущий интерес.

Нужно ли этим 3D-принтерам обслуживание?

Да, все 3D-принтеры требуют обширного регулярного обслуживания для доставки надёжной точности. В некоторых отношениях роботизированные 3D-принтеры требуют менее регулярного обслуживания, но это обслуживание значительно более сложное и дорогое для выполнения.

Имеют ли эти 3D-принтеры ограниченную печатаемую область?

Большинство 3D-принтеров имеют ограничения в областях сборки, если у них нет подвижности (такой как CyBe RT бетонный 3D-принтер), или «бесконечной» оси в виде конвейерной ленты.

Могут ли эти 3D-принтеры служить долго?

Да, 3D-принтеры могут служить долго, если обслуживание тщательное и регулярное, и необходимые детали остаются доступными. Эти машины будут продолжать функционировать до тех пор, пока они рентабельны. Устаревание приходит быстро в этом секторе, так как машины превосходят в производительности или подрывают в стоимости печати новыми разработками. Так что вероятно, что коммерческая жизнеспособность машин будет решающим фактором в их продолжении эксплуатации.

Дин Макклементс

Дин Макклементс — выпускник с отличием по специальности «Машинное строительство» с более чем двумя десятилетиями опыта в производственной отрасли. Его профессиональный путь включал значимые роли в ведущих компаниях, таких как Caterpillar, Autodesk, Collins Aerospace и Hyster-Yale, где он развил глубокое понимание инженерных процессов и инноваций.

Читать другие статьи Дина Макклементса