Роботизированные руки против портальных систем:выбор лучшей архитектуры 3D-печати по размеру и занимаемой площади

В секторе 3D-принтеров существует простое разделение. Устоявшийся рынок в основном состоит из машин, которые передвигаются внутри системы перемещения, встроенной в раму или портал, в которую встроены направляющие и приводы. Это портальные машины. С другой стороны, большая часть отрасли отдает предпочтение более крупным машинам на основе отдельно стоящих роботов-манипуляторов, которые увеличивают потенциальный размер конструкции, сохраняя при этом небольшую площадь, занимаемую машиной.

Преимущество 3D-печати роботизированной руки действительно проявляется только в более крупных конструкциях, в которых объем сборки определяется радиусом действия руки, а не ограничивается жесткими границами портала. В этой статье будут подробно рассмотрены различия между роботизированными руками и портальными системами для 3D-печати.

Что такое роботизированная рука для 3D-печати?

Роботизированная рука для 3D-печати — это механическая рука, которая значительно отличается от более распространенного ортогонального подхода X-Y-Z. Такая рука может быть полезной, поскольку устройство способно перемещаться в более широком диапазоне направлений и ориентаций. Таким образом, этот подход облегчает печать 3D-объектов с использованием большего количества степеней свободы. Для получения дополнительной информации см. наше руководство по роботизированной руке для 3D-принтера.

На рисунке 1 показан пример 3D-принтера с роботизированной рукой:

3D-печать руки робота обычно не используется для изготовления мелких деталей. Существуют трудности в небольших масштабах, которые делают ортогональные машины более практичными. Роботизированные манипуляторы, как правило, дороже, чем их портальные аналоги, особенно в меньших масштабах. 

Как правило, для печати более крупных деталей в автомобильном и аэрокосмическом секторе роботизированная рука будет оснащена печатающей головкой экструдера для 3D-печати (FDM/FFF/FGF) или головкой для лазерной/TIG-сварки. 

Оба из них могут внести материал для создания конечного объекта. Рука запрограммирована на перемещение экструдера по точной схеме, укладывая материал до тех пор, пока объект не будет готов. Однако такая установка руки может работать на основе процесса экструзии, который изменяет наслоение на более сложную структуру. Это связано с тем, что дополнительные степени свободы позволяют манипулятору выполнять процесс печати более сложными способами (например, при неплоской печати).

3D-печать роботизированной руки можно использовать для печати крупных объектов и деталей сложной геометрии, которые было бы сложно или невозможно создать с помощью ортогональных машин.

Какие проекты можно напечатать с помощью роботизированного оружия?

3D-печать руки робота повышает гибкость, которую не могут достичь ортогональные машины. Некоторые примеры того, что он может печатать, перечислены ниже:

1. Большие объекты, слишком большие для обычных 3D-принтеров. Примерами могут служить крупные автомобильные детали, полноразмерная мебель, архитектурные компоненты и целые здания.
2. Заменяя экструдеры, робот-манипулятор-принтер может использовать несколько материалов, разных цветов или добавок.
3. В зависимости от жесткости и качества устройства принтеры-роботы-манипуляторы могут быть очень точными в своих движениях. Это обеспечивает высокую точность при выполнении больших и сложных проектов.
4. Печать необычных форм и ориентаций становится более достижимой благодаря дополнительным степеням свободы движения. Это позволит печатать непосредственно на изогнутой поверхности (неплоская печать) или на нижней стороне конструкции.
5. Возможна 3D-печать сложной геометрии, поскольку рычаг может прервать проход материала и продолжить движение с другой стороны препятствия. Это позволяет печатать взаимосвязанные объекты, чего зачастую невозможно достичь с помощью ортогональных методов 3D-печати.

Возможности роботизированной 3D-печати ограничены только размером и жесткостью руки, точностью и повторяемостью ее движения и в меньшей степени сложностью печатаемых объектов.

Каковы преимущества роботизированных манипуляторов для 3D-печати?

Важными считаются различные преимущества 3D-печати руки робота по сравнению с портальными/ортогональными машинами, в том числе:

1. Область/объем печати: Этот подход позволяет печатать очень большие отпечатки на относительно небольшой машине, ограниченной только объемом ее работы.
2. Размер: Устройства меньшего размера могут печатать более крупные отпечатки.
3. Стоимость/размер: Хотя роботы-манипуляторы недешевы, они могут конкурировать с очень большими ортогональными принтерами меньшей производительности. 
4. Геометрия детали: Роботизированные манипуляторы обеспечивают гораздо меньше ограничений в геометрии конструкции благодаря многоосному доступу к конструкции.
5. Анизотропный контроль: «Зерно» сборки можно выбирать по регионам, так как строгая одноосная послойность не требуется. Это позволяет по-разному ориентировать прочность деталей для повышения общей прочности отпечатков.

Каковы недостатки роботов-манипуляторов для 3D-печати?

Хотя 3D-печать руки робота имеет преимущества перед методами ортогональной печати, есть и недостатки, в том числе:

1. Настройка роботизированной 3D-печати обходится дорого, а затраты непомерно высоки для небольших предприятий и частных лиц.
2. Роботизированная 3D-печать требует значительно более высокого уровня технических знаний, чем ортогональные/портальные принтеры, с точки зрения создания/выполнения заданий на печать и начальной настройки оборудования.
3. Роботы не имеют встроенной защиты и могут легко ранить прохожих. Необходимо использовать барьеры и датчики проникновения.
4. Как и все машины, роботы-манипуляторы требуют регулярного обслуживания и периодического ремонта. Это, вероятно, будет гораздо более дорогостоящим и трудоемким, чем для ортогональных/портальных 3D-принтеров.

Есть ли у роботизированной руки 6 осей?

Да, роботы-3D-принтеры часто имеют шесть осей, но многие роботы-манипуляторы имеют меньше степеней свободы. Шестиосная рука робота имеет шесть осей движения:три оси вращения (крен, наклон и рыскание) и три оси поступательного движения (вверх-вниз, влево-вправо и вперед-назад). Шестиосевая мобильность является нормой для промышленных роботов-манипуляторов, используемых для 3D-печати. Некоторые 3D-принтеры-роботы могут иметь более шести осей (или меньше), в зависимости от их предполагаемого применения.

Что такое портальная система для 3D-печати?

Портальная система для 3D-печати представляет собой конструкцию, состоящую из балок и направляющих, которые поддерживают печатающую головку/экструдер и направляют ее движение во время транспортировки и печати. Важнейшими функциями являются жесткость и точность, позволяющие точно разместить точку нанесения печати внутри конструкции. Портальная система позволяет увеличить высоту печати (и, следовательно, объем), чем у дельта- или декартовых принтеров. Портальные системы обычно применимы к большинству методов 3D-печати. Механизм оси Z, который обеспечивает глубину печати, является либо результатом движения портала, несущего механизм оси Z, либо движением рабочего стола на отдельном механизме.

Портальные системы широко распространены как в промышленных/профессиональных, так и в домашних/бытовых машинах из-за их внутренней жесткости и потенциала большого объема сборки. На рисунке 2 показан пример портальной системы для 3D-печати:

Часто задаваемые вопросы о роботизированных манипуляторах и портальных системах

В чем основное преимущество роботизированной руки перед портальной системой для 3D-печати?

Основным преимуществом роботизированной руки перед портальной системой для 3D-печати является ее большая дальность действия и большой объем печати при больших отпечатках. Перемещение большого ортогонального портального принтера на строительную площадку обычно требует его разборки для транспортировки, что делает установку на площадке чрезвычайно сложной задачей. Руку робота можно выдвинуть до среднего размера и легко разместить в предполагаемом месте сборки.

В чем основное преимущество портальной системы перед роботизированной рукой для 3D-печати?

Портальные 3D-принтеры обходятся дешевле в покупке, эксплуатации и обслуживании, чем машины с роботизированной рукой.

Какой тип 3D-принтера используется в строительстве?

Для строительства зданий используются как портальные, так и роботизированные 3D-принтеры, в зависимости от ряда факторов, таких как размер. Сборка на месте чаще выполняется с помощью принтеров-манипуляторов, тогда как изготовление компонентов на фиксированной площадке более практично с использованием портальной машины.

Какой тип 3D-принтера используется для печати металлом?

В большинстве 3D-принтеров по металлу (особенно на основе технологии Powder Bed Fusion) используются лазеры и зеркала, которые вращаются, направляя лазер на станину. Это не роботизированные и не портальные системы. Обычно они работают в контролируемой среде с инертными газами и лучше подходят для небольших деталей.

Однако некоторые технологии печати металлом, особенно те, которые используются для изготовления более крупных деталей, могут использовать роботизированные руки. Системы WAAM (дуговое аддитивное производство) часто включают в себя аппарат для дуговой сварки, установленный на роботизированной руке.

Преимущества печати с помощью робота-манипулятора на более крупных машинах делают этот вариант практичным, но не распространенным, к которому рынок (и, следовательно, производители машин) проявляет повышенный интерес.

Нужно ли этим 3D-принтерам обслуживание?

Да, все 3D-принтеры требуют тщательного регулярного обслуживания для обеспечения надежной точности. В некоторых отношениях 3D-принтеры-манипуляторы требуют менее регулярного обслуживания, но это обслуживание значительно сложнее и дороже.

Имеют ли эти 3D-принтеры ограниченную область печати?

Большинство 3D-принтеров имеют ограничения по строительным областям, если только они не обладают мобильностью (например, бетонный 3D-принтер CyBe RT) или «бесконечной» осью в виде конвейерной ленты.

Могут ли эти 3D-принтеры прослужить долго?

Да, 3D-принтеры могут прослужить долго, если обслуживать их тщательно и регулярно, а необходимые детали всегда доступны. Эти машины будут продолжать работать до тех пор, пока они экономически эффективны. В этом секторе быстро происходит устаревание, поскольку новые разработки превосходят машины по производительности или снижают стоимость печати. Поэтому вполне вероятно, что коммерческая жизнеспособность машин станет решающим фактором в их дальнейшей эксплуатации.

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



3D-печать в протезировании:революционный дизайн, преимущества и инновации в материалах Объяснение испытаний на сжатие:определение, цель, приложения и методология