Gantry-systemen bij 3D-printen:voordelen, nadelen en belangrijkste overwegingen

Gantry-systemen zijn een benadering voor het creëren van een nauwkeurig bewegingssysteem voor werktuigmachines, zoals 3D-printers, lasersnijders en CNC-routers. De terminologie geeft geen precieze definitie van een structuur, aangezien verschillende benaderingen voor het creëren van precisiebewegingsportaals op belangrijke punten uiteenlopen. Gantry-systemen kunnen ook worden gebruikt voor punt applicatieprintsystemen zoals FDM/FFF of het MetalX-systeem van Desktop Metal, maar ze worden ook gebruikt voor ondersteuning van gebied toepassingsprintkoppen zoals OBJET's, binder-jettingsystemen en zelfs de productie van gelamineerde objecten (LOM).

In sommige opzichten kunnen de robotarmen die worden gebruikt bij additieve robotproductie ook worden beschouwd als een portaalsysteem, ondanks het feit dat vaak gebruik wordt gemaakt van gedeeltelijk polaire coördinatengeometrie in plaats van orthogonale positionering met 3 assen. Dit is over het algemeen alleen van toepassing als de robot zelf op een portaal is gemonteerd.

In dit artikel wordt besproken wat een portaalsysteem voor 3D-printen is, en wat de voor- en nadelen ervan zijn.

Wat is een portaalsysteem voor 3D-printen?

Gantry-systemen ondersteunen de 3D-printkop voor punt- of gebiedstoepassingen. Het biedt ten minste enkele van de bewegingsassen waarmee het hoofd het bouwgebied kan doorkruisen om de materiaaltoepassing precies op het vereiste punt in de bouw te plaatsen. Vaak worden een of meer assen afgehandeld door de beweging van de tafel. Deze is echter op het portaalframe gemonteerd en kan als essentieel onderdeel van het portaal worden beschouwd. Raadpleeg onze gids over hoe 3D-printen werkt voor meer informatie.

Wat zijn de voordelen van portaalsystemen voor 3D-printprojecten?

Er zijn verschillende voordelen verbonden aan het bouwen van een 3D-printer op basis van het gebruik van een portaalsysteem, waaronder:

1. Wordt algemeen beschouwd als een goedkope methode voor nauwkeurige positionering en bewegingscontrole over de printkop of extruder van een 3D-printer. Dit maakt een relatief goedkope structuur mogelijk die nauwkeurige en herhaalbare positionering en controle van snelle bewegingen mogelijk maakt. Dit resulteert in een betere reproductie van het bestand dat wordt afgedrukt, zonder dat er dure apparatuur nodig is.
2. Zorgt ervoor dat de printkop of extruder snel kan accelereren en vertragen, zonder dat deze door reactiekrachten verkeerd wordt geplaatst. Maakt een snellere positionering van de printkoppen mogelijk in beweging tussen afdrukbewerkingen verminderen de totale afdruktijd.
3. Kan worden gebruikt om variaties in printbedformaten en -vormen mogelijk te maken zonder ingrijpend herontwerp. Dit maakt de gemeenschappelijkheid van onderdelen en bewegingsbedieningen mogelijk voor een reeks machinegroottes. Omdat de meeste portalen zijn gemaakt van geëxtrudeerde of lasergesneden en gevouwen materialen, kan het vergroten van de machinegrootte eenvoudig worden bereikt door de structurele onderdelen en aandrijfmechanismen te verlengen. Deze optie wordt alleen beperkt door het verlies aan stijfheid, wat uiteindelijk zal resulteren in een minder nauwkeurige beweging.
4. De stijve constructie van een portaalsysteem moet ontworpen zijn om structurele stabiliteit te bieden tijdens printbewerkingen en vooral tijdens positioneringsbewegingen. Dit vermindert het risico op trillingen die anders de kwaliteit van de afdruk verstoren.
5. Bied open toegang tot aandrijf-, lager- en transmissieonderdelen. Dit maakt portaalgebaseerde machines eenvoudiger te onderhouden. Een ontwerp met zo min mogelijk bewegende delen en zichtbare, toegankelijke mechanismen maakt ook eenvoudiger schoonmaken en inspectie mogelijk.

Wat zijn de nadelen van een portaalsysteem voor 3D-printprojecten?

Gantry-systemen hebben verschillende voordelen bij de constructie en bediening van 3D-printers, waaronder:

1. Complexere en stijvere portaalsystemen kunnen behoorlijk groot en zwaar zijn. Hierdoor zijn ze moeilijk te plaatsen en te verplaatsen en is er meer ruimte nodig voor installatie.
2. Grotere machines die met portaalsystemen zijn gebouwd, kunnen vanwege hun omvang en complexiteit duurder zijn dan andere benaderingen van de machinestructuur.
3. Machines met kubusvormige portaalsystemen kunnen de toegang van gebruikers tot het printbed beperken. Dit belemmert het verwijderen van voltooide afdrukken of maakt noodzakelijke aanpassingen tijdens het afdrukproces moeilijk voor gebruikers.
4. Open portaalprinters kunnen tijdens het afdrukken meer geluid en trillingen produceren, vooral door de resonantie te versterken van stappenmotoren die doorgaans hard op de frameonderdelen zijn gemonteerd. Dit kan afleidend of storend zijn in verder rustige omgevingen.

Wat zijn de verschillende soorten portaalsystemen voor 3D-printen?

Er is een reeks specifieke portaalsystemen die op de 3D-printmarkt worden gebruikt. Dit omvat:

1. Cartesiaanse XY-kop

Een portaalsysteem met Cartesiaanse XY-kop is een type bewegingscontrolesysteem dat vaak wordt gebruikt in 3D-printers (en een grote verscheidenheid aan andere klassen CNC-machines). Deze constructiebenadering verplaatst de printkop of extruder langs de X-as van het portaal en verplaatst de Y-as door het gehele portaal te verplaatsen. Dit kan gepaard gaan met het verplaatsen van een grote massa op de Y-as en kan resulteren in een groter risico op machinetrillingen, vooral tijdens manoeuvres met hoge acceleratie.

In een dergelijk portaalsysteem is het printbed vastgezet en beweegt de printkop of extruder langs twee loodrechte assen, meestal op grondassen met lineaire recirculerende kogellagers. Bij duurdere versies wordt vaak gebruik gemaakt van V-rails met uitwendige V-groefrollagers als geleiding, wat resulteert in verminderde lagerslijtage. De X-as wordt gewoonlijk gedefinieerd als acros is de machine, terwijl de Y-as achteruit/vooruit is georiënteerd ten opzichte van het apparaat. De Z-as positioneert de verticale hoogte van de printkop of extruder en wordt gedragen door de X-beweging van het portaal.

Cartesian-XY-portaalsystemen zijn eenvoudig en gemakkelijk te construeren en te bedienen. Ze bieden ook een goede nauwkeurigheid en herhaalbaarheid, waardoor een uiterst nauwkeurige positionering van de printkop mogelijk is. Ze hebben echter beperkingen op het gebied van snelheid en acceleratie en missen in sommige opzichten mogelijk stijfheid.

2. Ultimaker-stijl gekruist

Het gekruiste portaalsysteem in Ultimaker-stijl is een mechanisch structuur- en asbewegingssysteem dat minder vaak wordt gebruikt bij 3D-printen. Het beschikt over twee parallelle portalen die de printkop of extruder langs de X- en Y-assen positioneren. De portalen zijn verbonden door een dwarsbalk, die bedoeld is om de beweging langs beide assen te stabiliseren door de stijfheid te delen. De Z-asbeweging wordt meestal op deze twee assen uitgevoerd in plaats van te worden gedelegeerd aan een stijgend en dalend printbed.

Bij dit systeem is het printbed doorgaans vast en stabiel. De printkop of extruder beweegt langs zowel de X- als de Y-as. Ze worden aangedreven door stappenmotoren die beweging overbrengen via tandriemen. De twee portalen kunnen gelijktijdig bewegen. Dit zorgt voor een vloeiende kromming en schokvrije beweging tussen printbewerkingen, omdat plotselinge richtingsveranderingen tot een minimum worden beperkt. De aanpak biedt ook een goede stabiliteit tijdens het printen, wat de kwaliteit van de printresultaten ten goede komt.

Deze ontwerpbenadering is complexer en vereist meer inspanning bij het instellen en kalibreren dan eenvoudigere ontwerpen. Dit wordt vooral beïnvloed door de riemaandrijvingen die een zeer goede uitlijning vereisen om een ​​nauwkeurige en herhaalbare beweging te garanderen. Sommige gebruikers melden ook dat het moeilijk is om toegang te krijgen tot het printbed om aanpassingen te maken tijdens het printen, omdat de twee portalen de toegang soms kunnen blokkeren tijdens het printen.

3. KernXY

Een CoreXY-portaalsysteem is een structuur die wordt gebruikt bij het ontwerpen van 3D-printers en die stationaire stappenmotoren heeft om de X- en Y-assen aan te drijven. Dit vermindert de massa die in het portaal beweegt tijdens Y-asbewegingen, omdat de Y-asaandrijving op zijn plaats blijft. Dit maakt een hogere versnelling en nauwkeurigere bewegingen van de printkop mogelijk, waardoor afdrukresultaten van hogere kwaliteit worden verkregen.

Het CoreXY-systeem werkt met behulp van een reeks katrollen en recirculerende (lus)riemen die zo zijn gerangschikt dat de aandrijfriemen elkaar kruisen in de kern of het midden van het systeem. Door de tandriemen aan te drijven, beweegt de printkop zowel in de X- als in de Y-richting met een lagere traagheid.

Het verplaatsen van minder massa zorgt voor een lichtere portaalstructuur. Er is minder bewegende massa om weerstand te bieden bij hoge versnellingsmomenten. Deze aanpak is gevoeliger voor riemspanning en slipomstandigheden dan andere systemen en kan complex zijn om in te stellen en te kalibreren. Het acceleratievermogen wordt als voldoende voordeel beschouwd om op te wegen tegen de installatieproblemen, dus dit systeem is populair onder sommige gebruikers in de meer geavanceerde categorie.

4. i3-stijl cartesiaanse XZ-kop

De i3-stijl Cartesian-XZ-Head wordt op grote schaal gebruikt bij het ontwerpen van 3D-printers. Bij deze aanpak wordt het printplatform zelf omhoog en omlaag gebracht (Z-asbeweging), terwijl de printkop afzonderlijk op het portaal voor de X-as wordt getransporteerd. De extruder is gemonteerd op een wagen die langs de X-as beweegt op nauwkeurig geslepen assen, met behulp van recirculerende kogelbussen. Op grotere en duurdere machines kunnen de rails in V-vorm zijn, waarbij rollagers op deze rails lopen. Voor een hogere nauwkeurigheid kunnen ook lineaire rails en glijlagers worden gebruikt.

Op een 3D-printer van het i3-type is de Y-as doorgaans een bewegend bed, dat heen en weer beweegt terwijl het portaal de X-as bestuurt. Dit wordt gewoonlijk een 3D-printer van het “bedslinger”-type genoemd.

Dit ontwerp is eenvoudig en gemakkelijk te construeren, waardoor het een populaire keuze is voor 3D-printers voor thuis/hobby. Het levert een goede nauwkeurigheid en precisie op kleinere machines, maar vereist over het algemeen een gematigde acceleratie en richtingsverandering vanwege de relatief lage stijfheid en hoge traagheid.

Het belangrijkste nadeel van dit ontwerp is dat het erg moeilijk kan zijn om een vlak bed te handhaven en consistente laagdiktes te bereiken. De slechte stijfheid, vergeleken met andere, duurdere 3D-printerontwerpen, kan zeer aanzienlijke effecten hebben bij hogere assnelheden/versnellingen.

5. H-Bot

De H-bot is een portaalsysteem dat in sommige 3D-printers wordt gebruikt. Het maakt gebruik van riemaandrijvingen en lineaire rails in een lay-out die, vergelijkbaar met het CoreXY-systeem, stationaire motoren heeft om de X- en Y-assen aan te drijven.

De twee riemen voor X en Y hebben de vorm van een 'H'. De beweging op de X-as is het resultaat van de gecombineerde beweging van beide banden, terwijl de beweging op de Y-as wordt bereikt door de gecoördineerde beweging van beide banden.

Afhankelijk van het ontwerp kan de Z-as het portaal omhoog/omlaag brengen, of het printbed omhoog/omlaag brengen.

De lay-out van de H-bot kan stabieler en stijver zijn dan andere 3D-printerontwerpen, waardoor gedrukte resultaten van hogere kwaliteit worden verkregen. Stationaire motoren verminderen de traagheid van het systeem, waardoor hogere acceleraties mogelijk zijn en minder stijfheid nodig is voor een goede stabiliteit.

Het H-bot-ontwerp is ingewikkeld in te stellen en moeilijk te kalibreren en er wordt gerapporteerd dat het meer onderhoud vereist. Elke lichte speling die zich in de riemen ontwikkelt, zal de X-Y-precisie aanzienlijk verstoren, wat een bijzonder probleem is bij onderhoud, omdat riemen kunnen uitrekken. Wanneer de H-bot echter goed wordt onderhouden, is hij een effectief portaalsysteem dat in staat is en hoge kwaliteit te leveren hoge snelheid.

Hoe wordt een portaalsysteem onderhouden?

Asaandrijfsystemen van 3D-printers hebben regelmatige controles en onderhoud nodig om een effectieve werking te garanderen. Het is raadzaam om de door de OEM aanbevolen onderhoudsprocedure te raadplegen. Hieronder vindt u enkele algemene tips voor het onderhouden van een portaalsysteem:

1. Controleer regelmatig de spanning van de aandrijfriem. Te strakke banden veroorzaken overmatige slijtage, en losse banden beïnvloeden de nauwkeurigheid en herhaalbaarheid.
2. Zorg ervoor dat alle lageroppervlakken zijn gesmeerd om een soepele beweging te behouden en slijtage te verminderen. Gebruik het door de fabrikant aanbevolen smeermiddel en smeer niet te veel.
3. Controleer de aandrijfriemen op slijtage, rafels, scheuren en uitrekken. 
4. Zorg ervoor dat de riemspanrol en de aandrijfpoelies uitgelijnd zijn. Een verkeerde uitlijning zorgt ervoor dat de riemen sneller gaan slippen of slijten en kan de reactiesnelheid van de assen beïnvloeden of motoren oververhitten.
5. De temperatuur van de stappenmotoren van de asaandrijving kan een indicator zijn voor aandrijfproblemen. Het uitkijken naar hete motoren kan de gebruiker waarschuwen voor een reeks problemen.
6. Reinig de gehele printer, waarbij u zich vooral concentreert op het asaandrijfsysteem. De meeste slijtage (en latere uitval) is een direct gevolg van vuil in bewegende en dragende delen.

Hoe werkt een portaalsysteem voor 3D-printen?

Het portaalsysteem zorgt voor de wagen en de aandrijfmogelijkheid die de printkop verplaatst. Het specifieke proces varieert afhankelijk van het type portaalsysteem voor 3D-printen. Portaalsystemen in 3D-printers vallen in vier basiscategorieën:

1. Bij desktop FDM/FFF-printers is het portaal vaak een boog die de printkop draagt. Het beweegt de printkop axiaal over de bouwtafel (in de X-richting) en brengt deze omhoog en omlaag (Z-richting). De Y-bewegingsas wordt vervolgens afgehandeld door de beweging van de bouwtafel. Hierdoor kan het portaal stationair zijn op de Y-as, waardoor de behoefte aan structurele stijfheid wordt verminderd.
2. In andere FDM/FFF-printers wordt de Y-as afgehandeld door het hele portaal in de Y-as te verplaatsen. Dit vereist dat het portaal stijver is in de Y-richting om oscillatie in de Y-as te voorkomen terwijl het versnelt en vertraagt.
3. De stijvere vorm van de portaalstructuur die een snellere verplaatsing mogelijk maakt zonder schommelen of oscilleren, is een kubusframe dat de beweging van alle drie de assen stijf houdt. Dit systeem wordt vaker gebruikt op middelgrote en grotere machines. Het kan een snellere beweging en versnelling leveren met nauwkeurigere printkoppositioneringsresultaten.

Hoe lang gaan portaalsystemen voor 3D-printen mee?

Gantry-gebaseerde 3D-printers kunnen een in wezen onbeperkte functionele levensduur hebben, met voorwaarden. Deze voorwaarden zijn dat het onderhoud regelmatig en grondig is, onderdelen beschikbaar blijven en er commerciële waarde zit in het uitvoeren van het benodigde onderhoud en de reparaties. Gantry-gebaseerde 3D-printers zijn een verzameling functionele en structurele onderdelen, en de algehele duurzaamheid van het systeem hangt af van de zwakste schakel.

Zijn portaalsystemen in staat om printhuizen te printen?

Met 3D-printen kunnen inderdaad huizen en andere grote constructies worden gebouwd. Het 3D-printen van gebouwen is een gebied van toenemend onderzoek en vroege pogingen tot commercialisering. Er zijn meerdere voorbeelden van huizen en andere openbare gebouwen die in 3D zijn geprint, meestal met behulp van op portaal gebaseerde betonprinters of mobiele robotarmen.

De 3D-printersystemen die worden gebruikt om deze taak uit te voeren, werken op een manier die vergelijkbaar is met FDM/FFF-printen, waarbij een kraal beton wordt geëxtrudeerd als een spoor van waaruit een volledige structuur kan worden afgedrukt. Sommige aspecten worden momenteel uitgevoerd door handmatige tussenkomst. Onderdelen zoals raam- en deurlateien moeten met de hand worden gemonteerd, omdat momenteel geen “steun”-bedrukking onder overstekken mogelijk is.

De huidige benaderingen kunnen alleen verticale wanden printen en kunnen geen dakconstructies aan. Alle andere aspecten, van loodgieterswerk en elektriciteit tot de installatie en bekleding van ramen en alle afwerkingstaken, worden handmatig uitgevoerd, zonder direct vooruitzicht op automatisering.

Hebben portaalsystemen een beperkt afdrukgebied?

Ja, er is een zeer beperkt volume binnen het portaal dat kan worden afgedrukt. Het portaal is een structuur die zich doorgaans aanzienlijk buiten het afdrukbare gebied/volume van een typische 3D-printmachine bevindt. 

Zijn portaalsystemen afhankelijk van 3D-software?

Gantry-gebaseerde 3D-printers zijn (zoals alle 3D-printers) sterk afhankelijk van verschillende 3D-softwaretypen om de uiteindelijke onderdelen te produceren.

3D CAD moet in de ontwerpfase worden gebruikt om de modellen te produceren voor afdrukken. Vervolgens moet het model in slicersoftware worden gesneden, zodat het model in lagen kan worden afgedrukt. De gesneden lagen worden vervolgens doorgaans omgezet in G-code, om de 3D-printer te instrueren welk pad de toolhead moet volgen om de uiteindelijke vorm af te drukken. Dit wordt bij zowel 3D-printen als CNC-bewerkingen het “toolpath” genoemd.

Wat zijn de verschillen tussen de verschillende portaalsystemen voor 3D-printen?

Er zijn een paar grote verschillen tussen de verschillende portaalsystemen die beschikbaar zijn voor 3D-printen. Er worden verschillende soorten portaalsystemen gebruikt bij de constructie van 3D-printers, elk met zijn eigen sterke en zwakke punten. De belangrijkste verschillen zijn:

1. Stijfheid: Extra flexibiliteit vermindert de acceleratietolerantie van een printer, omdat hoge versnellingen de structuur zullen verstoren en trillingen/oscillaties zullen veroorzaken die het printproces kunnen verstoren.
2. Gewicht: Een hoger machinegewicht kan een voordeel zijn bij het bevorderen van de stabiliteit. Hogere beweging onderdelen gewicht vereist echter grotere aandrijfkrachten en grotere stijfheid om trillingen op versnellingspunten of richtingsveranderingen te voorkomen.
3. Kosten: Lichtere en eenvoudigere structuren kosten minder, maar onvoldoende structuur zal resulteren in een lage nauwkeurigheid en slechte prestaties.
4. Onderhoud: Sommige portaalsystemen maken eenvoudig onderhoud mogelijk, terwijl andere het proces veel moeilijker kunnen maken.

Raadpleeg onze volledige gids over robotarm versus portaalsysteem voor 3D-printen voor meer informatie.

Samenvatting

In dit artikel werden portaalsystemen gepresenteerd, uitgelegd wat ze zijn, en besproken hoe ze werken en de verschillende typen. Neem voor meer informatie over portaalsystemen contact op met een vertegenwoordiger van Xometry.

Xometry biedt een breed scala aan productiemogelijkheden, waaronder 3D-printen en andere diensten met toegevoegde waarde voor al uw prototyping- en productiebehoeften. Bezoek onze website voor meer informatie of vraag een gratis en vrijblijvende offerte aan.

Auteursrecht- en handelsmerkkennisgevingen

1. OBJET® is een geregistreerd handelsmerk van Stratasys, Inc.

Disclaimer

De inhoud die op deze webpagina verschijnt, is uitsluitend voor informatieve doeleinden. Xometry geeft geen enkele verklaring of garantie van welke aard dan ook, expliciet of impliciet, met betrekking tot de nauwkeurigheid, volledigheid of geldigheid van de informatie. Eventuele prestatieparameters, geometrische toleranties, specifieke ontwerpkenmerken, kwaliteit en soorten materialen of processen mogen niet worden afgeleid als representatief voor wat externe leveranciers of fabrikanten via het netwerk van Xometry zullen leveren. Kopers die offertes voor onderdelen zoeken, zijn verantwoordelijk voor het definiëren van de specifieke vereisten voor die onderdelen. Raadpleeg onze algemene voorwaarden voor meer informatie.

Dean McClements

Dean McClements is afgestudeerd aan de B.Eng Honours in Werktuigbouwkunde en heeft meer dan twintig jaar ervaring in de productie-industrie. Zijn professionele carrière omvat belangrijke functies bij toonaangevende bedrijven zoals Caterpillar, Autodesk, Collins Aerospace en Hyster-Yale, waar hij een diep inzicht ontwikkelde in technische processen en innovaties.

Lees meer artikelen van Dean McClements