Gantry-systemen in 3D-printen: voordelen, nadelen en belangrijke overwegingen

Gantry-systemen zijn een benadering om een precisie-bewegingsysteem te creëren voor machine-tools, zoals 3D-printers, lasersnijders en CNC-frezen. De terminologie biedt geen exacte definitie van een structuur, aangezien diverse benaderingen om precisie-bewegings-gantries te creëren in belangrijke opzichten afwijken. Gantry-systemen kunnen ook gebruikt worden voor punt toepassingsprintsystemen zoals FDM/FFF of Desktop Metal's MetalX-systeem, maar ze worden ook gebruikt voor het ondersteunen van oppervlakte toepassingsprintkoppen zoals OBJET's, binder-jetting systemen, en zelfs gelamineerde objectproductie (LOM).

In sommige opzichten kunnen de robotarmen gebruikt in robotische additieve productie ook als een gantry-systeem beschouwd worden, ondanks het vaak gebruik van deels polaire coördinaatgeometrie in plaats van 3-as orthogonale positionering. Dit is over het algemeen alleen van toepassing als de robot zelf op een gantry gemonteerd is.

In dit artikel wordt besproken wat een gantry-systeem voor 3D-printen is, evenals de voor- en nadelen.

Wat is een gantry-systeem voor 3D-printen?

Gantry-systemen ondersteunen de punt- of oppervlakte-toepassings 3D-printkop. Het biedt ten minste enkele van de assen van beweging die de kop toestaan het bouwgebied te doorlopen 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 gemonteerd op het gantry-frame, en kan essentieel beschouwd worden als integraal deel van de gantry. Voor meer informatie, zie onze gids over Hoe 3D-printen Werkt.

Wat zijn de voordelen van gantry-systemen voor 3D-printprojecten?

Er zijn diverse voordelen aan het bouwen van een 3D-printer gebaseerd op een gantry-systeem, waaronder:

1. Wijd beschouwd als een lage-kost methode om nauwkeurige positionering en bewegingscontrole over de printkop of extruder van een 3D-printer te bieden. Dit stelt een relatief lage-kost structuur in staat om nauwkeurige en herhaalbare positionering en controle van snelle beweging te bieden. Dit resulteert in betere reproductie van het bestand dat geprint wordt zonder de noodzaak voor hoog-kost apparatuur.
2. Stelt de printkop of extruder in staat om snel te versnellen en te vertragen, zonder verplaatsing door reactiekrachten. Het toestaan van snellere printkoppositionering in beweging tussen printoperaties vermindert de totale printtijd.
3. Kan gebruikt worden om variaties in printbedformaten en -vormen te accommoderen zonder grote herontwerpen. Dit stelt gemeenschappelijke onderdelen en bewegingscontroles in over een familie bereik van machineformaten. Aangezien de meeste gantries gemaakt zijn van geëxtrudeerde of gelaserde en gevouwen materialen, kan het vergroten van de machineformaat eenvoudig bereikt worden door de structurele elementen en aandrijfmechanismen te verlengen. Deze optie is alleen beperkt door het verlies van stijfheid dat uiteindelijk zal resulteren in een minder nauwkeurige beweging.
4. De rigide constructie van een gantry-systeem moet ontworpen zijn om structurele stabiliteit tijdens printoperaties te bieden en bijzonder tijdens positioneringsbewegingen. Dit vermindert het risico op oscillaties die anders de printkwaliteit zouden storen.
5. Bieden open toegang tot aandrijving, lagers en transmissieonderdelen. Dit maakt gantry-gebaseerde machines gemakkelijker te onderhouden. Ontwerp dat minimale bewegende delen en zichtbare, toegankelijke mechanismen omvat, vergemakkelijkt ook schoner en inspectie.

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

Gantry-systemen hebben diverse nadelen in 3D-printerconstructie en -operatie, waaronder:

1. Complexere en rigide gantry-systemen kunnen behoorlijk groot en zwaar zijn. Dit maakt ze moeilijk te plaatsen en te verplaatsen en vereist grotere ruimte voor installatie.
2. Grotere machines gebouwd met gantry-systemen kunnen duurder zijn dan andere benaderingen voor machinestructuur, vanwege hun grootte en complexiteit.
3. Machines met kubus-vormige gantry-systemen kunnen de gebruikstoegang tot het printbed beperken. Dit belemmert de verwijdering van afgeronde prints of maakt noodzakelijke aanpassingen tijdens het printproces moeilijk voor gebruikers.
4. Open gantry-printers kunnen meer geluid en trillingen produceren tijdens het printen, bijzonder in het versterken van de resonantie van stappenmotoren die meestal hard gemonteerd zijn aan de frameonderdelen. Dit kan afleidend of storend zijn in anders stilte omgevingen.

Wat zijn de verschillende typen gantry-systemen voor 3D-printen?

Er is een reeks specifieke gantry-systemen die ingezet worden over de 3D-printmarkt. Dit omvat:

1. Cartesian-XY-Head

Een Cartesian-XY-head gantry-systeem is een type bewegingscontrolesysteem dat veel gebruikt wordt in 3D-printers (en een grote verscheidenheid aan andere klassen van CNC-machines). Deze constructiebenadering verplaatst de printkop of extruder langs de X-as van de gantry en verplaatst de Y-as door de hele gantry te verplaatsen. Dit kan het verplaatsen van een hoge massa op de Y-as omvatten en kan resulteren in een groter risico op machinevibraties, vooral tijdens hoge versnellingsmanoeuvres.

In zo'n gantry-systeem is het printbed vast, en de printkop of extruder beweegt langs twee loodrechte assen, typisch lopend op geslepen assen met recirculerende bal lineaire lagers. Hogere-prijs versies gebruiken vaak V-rails met extern V-geprofileerde rol lager als geleiders, wat lager slijtage resulteert. De X-as is meestal gedefinieerd als dwars over de machine, terwijl de Y-as georiënteerd is achterwaarts/voorwaarts ten opzichte van het apparaat. De Z-as positioneert de verticale hoogte van de printkop of extruder en wordt gedragen op de X-beweging van de gantry.

Cartesian-XY gantry-systemen zijn simpel en gemakkelijk te construeren en te bedienen. Ze bieden ook goede precisie en herhaalbaarheid, wat hoge-precisie positionering van de printkop toestaat. Echter, ze hebben beperkingen in termen van snelheid en versnelling en kunnen in sommige opzichten aan stijfheid tekortkomen.

2. Ultimaker-Style Crossed

De Ultimaker-style crossed gantry-systeem is een mechanische structuur en as-bewegingsysteem minder algemeen gebruikt in 3D-printen. Het heeft twee parallele gantries die de printkop of extruder positioneren langs de X- en Y-assen. De gantries zijn verbonden door een dwarsbalk, bedoeld om de beweging langs beide assen te stabiliseren door stijfheid te delen. De Z-asbeweging wordt meestal gedragen op deze twee assen in plaats van gedelegeerd aan een opgaande en dalende printbed.

In dit systeem is het printbed typisch vast en stabiel. De printkop of extruder beweegt langs zowel de X- als Y-as. Ze worden aangedreven door stappenmotoren die beweging doorvoeren via getande riemen. De twee gantries kunnen simultaan bewegen. Dit stelt soepel vervorming en rukvrije beweging tussen printoperaties in, omdat plotselichte richtingswijzigingen geminimaliseerd worden. De benadering biedt ook goede stabiliteit tijdens het printen, wat ten goede komt aan de kwaliteit van geprinte resultaten.

Deze ontwerpbenadering is complexer en vereist meer inspanning in setup en kalibratie dan simpelere ontwerpen. Dit wordt bijzonder beïnvloed door de riemaandrijvingen die zeer goede uitlijning vereisen om nauwkeurige en herhaalbare beweging te garanderen. Sommige gebruikers melden ook moeilijkheid bij het benaderen van het printbed om aanpassingen tijdens het printen te maken, omdat de twee gantries de toegang op momenten tijdens het printen kunnen blokkeren.

3. CoreXY

Een CoreXY gantry-systeem is een structuur gebruikt in 3D-printerontwerp die stationaire stappenmotoren heeft om de X- en Y-assen aan te drijven. Dit vermindert de massa in beweging in de gantry tijdens Y-asbewegingen, aangezien de Y-asaandrijving vast blijft op zijn plaats. Dit stelt hogere versnelling en nauwkeurigere bewegingen van de printkop in staat, wat hogere kwaliteit geprinte resultaten levert.

Het CoreXY-systeem werkt door een reeks katrollen en recirculerende (lus) riemen te gebruiken die zo gerangschikt zijn dat de aandrijfriemen elkaar kruisen in het kern- of centrum van het systeem. Het aandrijven van de getande riemen verplaatst de printkop in zowel de X- als Y-richting met lagere inertie.

Het bewegen van minder massa stelt een lichter gantry-structuur in staat. Er is minder bewegende massa om te weerstaan bij hoge versnellingsmomenten. Deze benadering is gevoeliger voor riemspanning en glijconditie dan andere systemen en kan complex zijn om in te stellen en te kalibreren. De versnellingscapaciteit wordt als voldoende voordeel beschouwd om de setup-problemen te compenseren, dus dit systeem is populair bij sommige gebruikers in de meer geavanceerde categorie.

4. i3-Style Cartesian-XZ-Head

De i3-style Cartesian-XZ-Head wordt zeer wijd gebruikt in 3D-printerontwerp. In deze benadering wordt het printplatform zelf getild en gelost (Z-asbeweging), terwijl de printkop apart op de gantry getransporteerd wordt voor de X-as. De extruder is gemonteerd op een wagentje dat langs de X-as beweegt op precisie-geslepen assen, met recirculerende balbusjes. Op grotere en duurdere machines kunnen de rails in V-vorm zijn, met rollagers die op deze rails lopen. Lineaire rails en glijlagers kunnen ook gebruikt worden voor hogere precisie.

Op een i3-type 3D-printer is de Y-as typisch een bewegend bed, dat heen en weer beweegt terwijl de gantry de X-as controleert. Dit wordt gemeenschappelijk aangeduid als een "bedslinger" type 3D-printer.

Dit ontwerp is simpel en gemakkelijk te construeren, wat het een populaire keuze maakt voor thuis/hobby 3D-printers. Het levert goede nauwkeurigheid en precisie in kleinere machines, maar vereist over het algemeen matiging in versnelling en richtingswijzigingen vanwege relatief lage stijfheid en hoge inertie.

Het primaire nadeel van dit ontwerp is dat het erg moeilijk kan zijn om een vlak bed te behouden en consistente dikte lagen te bereiken. De slechte rigiditeit, vergeleken met andere, duurdere 3D-printerontwerpen, kan zeer significante effecten hebben bij hogere assnelheden/versnellingen.

5. H-Bot

De H-bot is een gantry-systeem ingezet in sommige 3D-printers. Het gebruikt riemaandrijvingen en lineaire rails in een layout 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 vormen de vorm van een "H." De X-asbeweging is het resultaat van de gecombineerde beweging van beide riemen die in unisono handelen, terwijl de Y-asbeweging bereikt wordt door de gecoördineerde beweging van beide riemen.

Afhankelijk van het ontwerp kan de Z-as ofwel de gantry tillen/zaken, of het printbed tillen/zaken.

De H-bot-layout kan stabieler en rigider zijn dan andere 3D-printerontwerpen, wat hogere kwaliteit geprinte resultaten oplevert. Stationaire motoren verminderen de systeeminertie, wat hogere versnellingen toestaat en minder stijfheid vereist voor goede stabiliteit.

Het H-bot-ontwerp is gecompliceerd om in te stellen en moeilijk te kalibreren en wordt gerapporteerd als meer onderhoud vereisend. Enige lichte doorhang die in de riemen ontstaat, zal de X-Y-precisie aanzienlijk verstoren, wat een bijzonder probleem is in onderhoud aangezien riemen kunnen uitrekken. Echter, wanneer goed onderhouden, is de H-bot een effectief gantry-systeem dat in staat is om hoge kwaliteit en hoge snelheid te leveren.

Hoe wordt een gantry-systeem onderhouden?

3D-printer asaandrijvingssystemen hebben regelmatige controles en onderhoud nodig om effectieve operatie te garanderen. Het is raadzaam om de aanbevolen onderhoudsprocedure van de OEM te raadplegen. Hieronder staan enkele algemene tips over het onderhouden van een gantry-systeem:

1. Controleer de riemspanningen regelmatig. Te strakke riemen veroorzaken overmatige slijtage, en losse riemen beïnvloeden nauwkeurigheid en herhaalbaarheid.
2. Zorg dat alle lageroppervlakken gesmeerd zijn om soepele beweging te behouden en slijtage te verminderen. Gebruik de door de fabrikant aanbevolen smeermiddel en smeer niet overmatig.
3. Controleer aandrijfriemen op slijtage, uitvlechting, barsting en uitrekking.
4. Zorg voor uitlijning van riemidler en aandrijfkatrollen. Uitlijning zal ertoe leiden dat riemen slippen of sneller slijten en kan asresponsiviteit beïnvloeden of motoren oververhitten.
5. De temperatuur van de asaandrijfstappenmotoren kan een indicator zijn van aandrijfproblemen. Het in de gaten houden van hete motoren kan de gebruiker waarschuwen voor een reeks problemen.
6. Reinig de hele printer, met name gericht op het asaandrijvingssysteem. Meeste slijtage (en latere fout) is een direct resultaat van vuil in bewegende en lagerdelen.

Hoe werkt een gantry-systeem voor 3D-printen?

Het gantry-systeem biedt de wagentje en aandrijfcapaciteit die de printkop verplaatst. Het specifieke proces varieert afhankelijk van het type gantry-systeem voor 3D-printen. Gantry-systemen in 3D-printers vallen in vier basiscategorieën:

1. In desktop FDM/FFF-printers is de gantry vaak een boog die de printkop draagt. Het verplaatst de printkop axiaal over de bouwtabel (in de X-richting) en tillen en zakt het (Z-richting). De Y-as van beweging wordt dan afgehandeld door de beweging van de bouwtabel. Dit stelt de gantry in staat om stationair te zijn op de Y-as, wat de noodzaak voor structurele stijfheid vermindert.
2. In andere FDM/FFF-printers wordt de Y-as afgehandeld door de hele gantry in de Y-as te verplaatsen. Dit vereist dat de gantry stijfer is in de Y-richting om oscillatie in de Y-as te vermijden tijdens versnelling en vertraging.
3. De stijvere vorm van gantry-structuur die snellere doorloop zonder schuddingen of oscillatie toestaat is een kubusframe dat de beweging van alle drie de assen rigide houdt. Dit systeem wordt vaker gebruikt op middengrote en grotere machines. Het kan snellere beweging en versnelling leveren met hogere precisie printkoppositioneringsresultaten.

Hoe lang duren 3D-print gantry-systemen?

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

Kunnen gantry-systemen huizen printen?

3D-printen kan inderdaad huizen en andere grote structuren bouwen. Het 3D-printen van gebouwen is een gebied van toenemend onderzoek en vroege pogingen tot commercialisatie. Er zijn meerdere voorbeelden van huizen en andere burgerlijke gebouwen die 3D-geprint zijn, typisch gebruikmakend van gantry-gebaseerde betonprinters of mobiele robotarmen.

De 3D-printersystemen die gebruikt worden om deze taak uit te voeren, werken op een manier vergelijkbaar met FDM/FFF-printen, een kwast beton uitextruderend als een spoor waaruit een complete structuur geprint kan worden. Sommige aspecten worden momenteel handmatig uitgevoerd. Items zoals venster- en deurstijven moeten met de hand gemonteerd worden, aangezien er geen "ondersteunings"printen onder overhangs momenteel mogelijk is.

De momenteel genomen benaderingen kunnen alleen verticale muren printen en kunnen dakstructuren niet aan. Alle andere aspecten—van sanitair en elektrisch, door venstermontage en afwerking en alle afwerkingtaken zijn handmatig, zonder direct vooruitzicht op automatisering.

Hebben gantry-systemen een beperkt printbaar gebied?

Ja, er is een zeer beperkt volume binnen de gantry dat printbaar is. De gantry is een structuur die over het algemeen aanzienlijk buiten het printbare gebied/volume van een typische 3D-printmachine zit.

Zijn gantry-systemen afhankelijk van 3D-software?

Gantry-gebaseerde 3D-printers (zoals alle 3D-printers) zijn zwaar afhankelijk van diverse 3D-softwaretypen om de eindonderdelen te produceren.

3D CAD moet gebruikt worden in de ontwerpfase om de modellen voor printen te produceren. Vervolgens moet het model gesliced worden in een slicer-software om het model in lagen te printen. De gesliceerde lagen worden typisch geconverteerd naar G-code, om de 3D-printer te instrueren welk pad de toolhead moet volgen om de eindvorm te printen. Dit wordt aangeduid als de "toolpath" in zowel 3D-printen als CNC-machining.

Wat zijn de verschillen tussen de diverse gantry-systemen voor 3D-printen?

Er zijn een paar grote verschillen tussen de verschillende gantry-systemen beschikbaar voor 3D-printen. Er zijn diverse typen gantry-systemen ingezet in de constructie van 3D-printers, elk met zijn eigen sterktes en tekortkomingen. De belangrijkste verschillen zijn:

1. Stijfheid: Additionele flexibiliteit vermindert de versnellingstolerantie van een printer, aangezien hoge versnellingen de structuur verstoren en vibraties/oscillaties induceren die het printproces kunnen storen.
2. Gewicht: Hogere machinegewicht kan een voordeel zijn bij het assisteren met stabiliteit. Hogere bewegende onderdelen gewicht vereist echter grotere aandrijfkrachten en grotere stijfheid om schudding bij versnellingspunten of richtingswijzigingen te vermijden.
3. Kosten: Lichtere en simpelere structuren kosten minder, maar onvoldoende structuur zal resulteren in lage nauwkeurigheid en slechte prestaties.
4. Onderhoud: Sommige gantry-systemen staan gemakkelijk onderhoud toe, terwijl anderen het proces veel moeilijker kunnen maken.

Voor meer informatie, zie onze volledige gids over Robotarm vs. Gantry-systeem voor 3D-printen.

Samenvatting

In dit artikel werden gantry-systemen gepresenteerd, uitgelegd wat ze zijn en besproken hoe ze werken en de verschillende typen. Om meer te leren over gantry-systemen, neem contact op met een Xometry-vertegenwoordiger.

Xometry biedt een breed scala aan productiemogelijkheden, inclusief 3D-printen en andere waarde-toegevoegde diensten voor al uw prototyping- en productiebehoeftes. Bezoek onze website om meer te leren of om een gratis, niet-binderende offerte aan te vragen.

Copyright- en handelsmerkkenmededelingen

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

Disclaimer

De inhoud op deze webpagina is alleen voor informatieve doeleinden. Xometry geeft geen enkele vertegenwoordiging of garantie van welke aard ook, uitdrukkelijk of impliciet, wat de nauwkeurigheid, volledigheid of geldigheid van de informatie betreft. Eventuele prestatieparameters, geometrische toleranties, specifieke ontwerpkenmerken, kwaliteit en typen materialen of processen mogen niet worden afgeleid als vertegenwoordigend voor wat door derdenleveranciers of fabricanten via Xometry's netwerk wordt geleverd. Kopers die offertes voor onderdelen zoeken, zijn verantwoordelijk voor het definiëren van de specifieke eisen voor die onderdelen. Raadpleeg onze voorwaarden voor meer informatie.

Dean McClements

Dean McClements is een B.Eng Honors afgestudeerde in Werktuigbouwkunde met meer dan twee decennia ervaring in de productie-industrie. Zijn professionele reis omvat significante rollen bij toonaangevende bedrijven zoals Caterpillar, Autodesk, Collins Aerospace en Hyster-Yale, waar hij een diep begrip ontwikkelde van engineeringprocessen en innovaties.

Lees meer artikelen door Dean McClements