Robotarmen versus portaalsystemen:de beste 3D-printarchitectuur kiezen op basis van grootte en voetafdruk

Er is een simpele tweedeling in de 3D-printersector. De gevestigde markt bestaat grotendeels uit machines die worden vervoerd binnen een bewegingssysteem dat is ingebouwd in een frame of portaal, waarin glijrails en aandrijvingen zijn ingebouwd. Dit zijn portaalmachines. Aan de andere kant geeft een groot deel van de industrie de voorkeur aan machines op grotere schaal, gebaseerd op vrijstaande robotarmen, die de potentiële bouwgrootte vergroten en toch een kleine voetafdruk in de machine behouden.

Het voordeel van 3D-printen met robotarmen komt pas echt naar voren bij grotere constructies, waarbij het bouwvolume wordt bepaald door het bereik van de arm in plaats van te worden beperkt binnen de stijve grenzen van een portaal. In dit artikel worden de verschillen tussen robotarmen en portaalsystemen voor 3D-printen verder onderzocht.

Wat is een robotarm voor 3D-printen?

Een robotarm voor 3D-printen is een mechanische arm die aanzienlijk verschilt van de meer gebruikelijke XYZ-orthogonale benadering. Een dergelijke arm kan nuttig zijn omdat het apparaat in een groter aantal richtingen en oriëntaties kan bewegen. Daarom vergemakkelijkt deze aanpak het printen van 3D-objecten met behulp van meer vrijheidsgraden. Raadpleeg onze handleiding over robotarmen voor 3D-printers voor meer informatie.

Figuur 1 is een voorbeeld van een 3D-printer met robotarm:

3D-printen met robotarmen wordt niet vaak gebruikt bij het maken van kleine onderdelen. Er zijn problemen op kleine schaal die orthogonale machines praktischer maken. Robotarmen zijn doorgaans duurder dan hun tegenhangers op portaalbasis, vooral op kleinere schaal. 

Voor het printen van grotere onderdelen in de automobiel- en ruimtevaartsector zou een robotarm over het algemeen worden uitgerust met een 3D-print-extruderprintkop (FDM/FFF/FGF) of met een laser/TIG-laskop. 

Beiden kunnen materiaal deponeren om het uiteindelijke object te creëren. De arm is geprogrammeerd om de extruder in een nauwkeurig patroon te bewegen, waarbij het materiaal wordt afgezet totdat het object compleet is. Een armopstelling als deze kan echter werken op basis van een op extrusie gebaseerd proces dat de gelaagdheid verandert in een complexere structuur. Dit komt omdat de extra vrijheidsgraden de arm in staat stellen het printproces op complexere manieren te benaderen (zoals niet-vlak printen).

3D-printen met robotarmen kan worden gebruikt om grote objecten en onderdelen met complexe geometrieën te printen die moeilijk of onmogelijk te maken zijn met behulp van orthogonale machines.

Welke projecten kunnen robotarmen printen?

3D-printen met robotarmen voegt een mate van flexibiliteit toe die orthogonale machines niet kunnen bereiken. Hieronder vindt u enkele voorbeelden van wat er kan worden afgedrukt:

1. Grote objecten die te groot zijn voor typische 3D-printers. Voorbeelden zijn grote auto-onderdelen, meubilair op ware grootte, architecturale componenten en hele gebouwen.
2. Door extruders uit te wisselen, kan een robotarmprinter meerdere materialen, verschillende kleuren of additieven gebruiken.
3. Afhankelijk van de stijfheid en kwaliteit van het apparaat kunnen robotarmprinters zeer nauwkeurig zijn in hun bewegingen. Hierdoor blijft de hoge nauwkeurigheid behouden bij het uitvoeren van grote of complexe ontwerpen.
4. Afdrukken in ongebruikelijke vormen en richtingen is beter haalbaar vanwege de extra mate van bewegingsvrijheid. Hiermee kunt u rechtstreeks op een gebogen oppervlak printen (niet-vlakke print) of op de onderkant van bouwwerken printen.
5. 3D-printen met complexe geometrieën is mogelijk, omdat de arm een materiaaldoorgang kan afbreken en vanaf de andere kant van een obstakel verder kan gaan. Hierdoor kunnen in elkaar grijpende objecten worden geprint die vaak onmogelijk te realiseren zijn met orthogonale 3D-printtechnieken.

De mogelijkheden van robotachtig 3D-printen worden alleen beperkt door de grootte en stijfheid van de arm, de nauwkeurigheid en herhaalbaarheid van zijn beweging, en minder door de complexiteit van de objecten die worden geprint.

Wat zijn de voordelen van robotarmen voor 3D-printen?

Verschillende voordelen van 3D-printen met robotarmen ten opzichte van portaal-/orthogonale machines worden als belangrijk beschouwd, waaronder:

1. Afdrukgebied/volume: Deze aanpak maakt zeer grote afdrukken mogelijk met een relatief kleine machine, die alleen wordt beperkt door de omvang van het bereik.
2. Maat: Kleinere apparaten kunnen grotere afdrukken maken.
3. Kosten/grootte: Hoewel robotarmen niet goedkoop zijn, kunnen ze concurreren met zeer grote orthogonale printers met minder capaciteit. 
4. Geometrie van onderdeel: Robotarmen bieden veel minder beperkingen in de bouwgeometrie vanwege hun meerassige toegang tot de bouw.
5. Anisotrope controle: De “korrel” van de constructie kan per regio worden geselecteerd, omdat strikte uniaxiale gelaagdheid niet vereist is. Hierdoor kan de sterkte van de onderdelen op verschillende manieren worden georiënteerd voor een betere algehele robuustheid van de afdrukken.

Wat zijn de nadelen van robotarmen voor 3D-printen?

Hoewel 3D-printen met een robotarm voordelen biedt ten opzichte van orthogonale printmethoden, zijn er ook nadelen, waaronder:

1. Het opzetten van 3D-printen met een robot is duur en de kosten zijn onbetaalbaar voor kleinere bedrijven of individuen.
2. Robot 3D-printen vereist een aanzienlijk hoger niveau van technische expertise dan orthogonale/portaalprinters, wat betreft het maken/uitvoeren van printopdrachten en de initiële hardware-installatie.
3. Robots worden niet intrinsiek bewaakt en kunnen omstanders gemakkelijk verwonden. Er moeten barrières en inbraaksensoren worden gebruikt.
4. Net als alle machines hebben robotarmen regelmatig onderhoud en incidentele reparaties nodig. Dit is waarschijnlijk veel duurder en tijdrovender dan voor orthogonale/gantry 3D-printers.

Heeft een robotarm 6 assen?

Ja, robot-3D-printers hebben vaak zes assen, maar veel robotarmen hebben minder vrijheidsgraden. Een robotarm met zes assen heeft zes bewegingsassen:drie rotatie-assen (rollen, stampen en gieren) en drie translatie-assen (omhoog-omlaag, links-rechts en vooruit-achteruit). Mobiliteit over zes assen is de norm in industriële robotarmen die worden gebruikt voor 3D-printen. Sommige robot-3D-printers kunnen meer dan zes assen (of minder) hebben, afhankelijk van hun beoogde toepassing.

Wat is een portaalsysteem voor 3D-printen?

Een portaalsysteem voor 3D-printen is een structuur bestaande uit balken en schuifrails die een printkop/extruder ondersteunen en de beweging ervan begeleiden tijdens het transport en het printen. De kritische functies zijn stijfheid en precisie, waardoor het printtoepassingspunt precies binnen de build wordt geplaatst. Het portaalsysteem maakt een grotere bouwhoogte (en dus volume) mogelijk dan delta- of cartesiaanse printers. Gantry-systemen zijn over het algemeen toepasbaar op de meeste 3D-printtechnieken. Het Z-asmechanisme dat de printdiepte mogelijk maakt, is het resultaat van een beweging van het portaal, dat een Z-asmechanisme draagt, of van de beweging van de bouwtafel op een afzonderlijk mechanisme.

Portaalsystemen zijn wijdverbreid in zowel industriële/professionele machines als thuis-/hobbymachines vanwege hun intrinsieke stijfheid en het grote bouwvolumepotentieel. Figuur 2 is een voorbeeld van een portaalsysteem voor 3D-printen:

Veelgestelde vragen over robotarmen versus portaalsystemen

Wat is het belangrijkste voordeel van een robotarm ten opzichte van een portaalsysteem voor 3D-printen?

Het belangrijkste voordeel van de robotarm ten opzichte van het portaalsysteem voor 3D-printen is het grote bereik/het grote bouwvolume bij grote prints. Als u een grote orthogonale portaalprinter naar een bouwplaats verplaatst, moet deze doorgaans worden gedemonteerd voor transport, wat het opzetten van de locatie uiterst uitdagend maakt. Een robotarm kan tot een middelmatige grootte intrekken en gemakkelijk op de beoogde bouwlocatie worden geplaatst.

Wat is het belangrijkste voordeel van een portaalsysteem ten opzichte van een robotarm voor 3D-printen?

Gantry-gebaseerde 3D-printers kosten minder in aanschaf, bediening en onderhoud dan op robotarmen gebaseerde machines.

Welk type 3D-printer wordt gebruikt in de bouw?

Zowel portaal- als robotarm-3D-printertypen worden gebruikt voor de bouwconstructie, afhankelijk van een reeks factoren, zoals de grootte. Inbouw wordt vaker uitgevoerd door robotarmprinters, terwijl de productie van componenten op een vaste locatie praktischer is met behulp van een portaalmachine.

Welk type 3D-printer wordt gebruikt voor het printen van metaal?

De meeste metalen 3D-printers (vooral die gebaseerd op Powder Bed Fusion) maken gebruik van lasers en spiegels die roteren, waardoor de laser naar het bed wordt gericht. Het zijn geen robotsystemen en ook geen portaalsystemen. Ze werken over het algemeen in gecontroleerde omgevingen met inerte gassen en zijn beter geschikt voor kleinere onderdelen.

Bepaalde metaalprinttechnologieën, vooral die welke worden gebruikt voor het maken van grotere onderdelen, kunnen echter gebruik maken van robotarmen. WAAM-systemen (Wire Arc Additive Manufacturing) zijn vaak voorzien van een booglasapparaat dat op een robotarm is gemonteerd.

De voordelen van robotarmgebaseerd printen in grotere machines maken dit een praktische, maar niet gebruikelijke optie waar de markt (en dus machinefabrikanten) steeds meer belangstelling voor toont.

Hebben deze 3D-printers onderhoud nodig?

Ja, alle 3D-printers hebben uitgebreid regelmatig onderhoud nodig om betrouwbare precisie te kunnen leveren. In sommige opzichten hebben 3D-robotarmprinters minder regelmatig onderhoud nodig, maar dat onderhoud is aanzienlijk complexer en duurder om uit te voeren.

Hebben deze 3D-printers een beperkt afdrukgebied?

De meeste 3D-printers hebben beperkingen op het gebied van bebouwbare gebieden, tenzij ze over mobiliteit beschikken (zoals de CyBe RT beton 3D-printer) of over een “oneindige” as in de vorm van een transportband.

Kunnen deze 3D-printers lang meegaan?

Ja, 3D-printers kunnen lang meegaan als het onderhoud grondig en regelmatig is en de benodigde onderdelen beschikbaar blijven. Deze machines zullen blijven functioneren zolang ze kosteneffectief zijn. Veroudering komt snel in deze sector, omdat machines door nieuwe ontwikkelingen worden overtroffen in prestaties of ondermijnd in printkosten. Het is dus waarschijnlijk dat de commerciële levensvatbaarheid van machines de beslissende factor zal zijn bij de voortzetting ervan.

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