Portalsysteme im 3D-Druck: Vorteile, Nachteile und wichtige Überlegungen

Portalsysteme sind ein Ansatz zur Erstellung eines präzisen Bewegungssystems für Werkzeugmaschinen wie 3D-Drucker, Laserschneider und CNC-Fräsen. Die Terminologie liefert keine präzise Definition einer Struktur, da verschiedene Ansätze zur Erstellung präziser Portalbewegungen in wesentlichen Punkten divergieren. Portalsysteme können auch für Punkt-Anwendungsdrucksysteme wie FDM/FFF oder Desktop Metals MetalX-System verwendet werden, aber sie werden auch für die Unterstützung von Flächen-Anwendungsdruckköpfen wie OBJETs, Binder-Jetting-Systemen und sogar laminierter Objektfertigung (LOM) eingesetzt.

In gewisser Hinsicht können die Roboterarme, die in der robotergestützten additiven Fertigung verwendet werden, auch als Portalsystem betrachtet werden, obwohl sie oft teilweise polare Koordinatengeometrie anstelle von 3-achsiger orthogonaler Positionierung verwenden. Dies ist im Allgemeinen nur anwendbar, wenn der Roboter selbst auf einem Portal montiert ist.

Dieser Artikel wird diskutieren, was ein Portalsystem für 3D-Druck ist, sowie seine Vor- und Nachteile.

Was ist ein Portalsystem für 3D-Druck?

Portalsysteme tragen den Punkt- oder Flächenanwendungs-3D-Druckkopf. Sie stellen mindestens einige der Bewegungsachsen bereit, die es dem Kopf ermöglichen, den Bauraum zu durchqueren, um die Materialanwendung präzise an der erforderlichen Stelle im Bau zu platzieren. Oft werden eine oder mehrere Achsen durch die Bewegung des Tisches gehandhabt. Dieser ist am Portalrahmen montiert und kann als im Wesentlichen integral zum Portal betrachtet werden. Weitere Informationen finden Sie in unserem Leitfaden zu Wie 3D-Druck funktioniert.

Was sind die Vorteile von Portalsystemen für 3D-Druckprojekte?

Es gibt verschiedene Vorteile beim Bau eines 3D-Druckers basierend auf einem Portalsystem, einschließlich:

1. Weitgehend als kostengünstige Methode angesehen, präzise Positionierung und Bewegungssteuerung über den Druckkopf oder Extruder eines 3D-Druckers bereitzustellen. Dies ermöglicht eine relativ kostengünstige Struktur, um genaue und wiederholbare Positionierung und Steuerung schneller Bewegung bereitzustellen. Dies resultiert in besserer Reproduktion der zu druckenden Datei ohne Notwendigkeit teurer Ausrüstung.
2. Ermöglicht dem Druckkopf oder Extruder, schnell zu beschleunigen und abzubremsen, ohne Fehlplatzierung aufgrund von Reaktionskräften. Ermöglicht schnellere Druckkopfpositionierung in Bewegung zwischen Druckoperationen, was die Gesamtdruckzeiten reduziert.
3. Kann verwendet werden, um Variationen von Druckbettengrößen und -formen ohne großes Redesign zu accommodieren. Dies ermöglicht Gemeinsamkeit von Teilen und Bewegungssteuerungen über eine Familienreihe von Maschinengrößen. Da die meisten Portale aus extrudierten oder lasergeschnittenen und gefalteten Materialien bestehen, kann die Maschinengröße einfach durch Verlängern der Strukturkomponenten und Antriebsmechanismen erhöht werden. Diese Option ist nur durch den Steifigkeitsverlust begrenzt, der schließlich in weniger genauer Bewegung resultiert.
4. Die starre Konstruktion eines Portalsystems muss so entworfen sein, dass sie strukturelle Stabilität während Druckoperationen und besonders während Positionierbewegungen bietet. Dies reduziert das Risiko von Oszillationen, die andernfalls die Druckqualität stören würden.
5. Bieten offenen Zugang zu Antriebs-, Lager- und Übertragungsteilen. Dies macht portalbasierte Maschinen einfacher zu warten. Design, das minimale bewegliche Teile und sichtbare, zugängliche Mechanismen involviert, erleichtert auch Reinigung und Inspektion.

Was sind die Nachteile eines Portalsystems für 3D-Druckprojekte?

Portalsysteme haben verschiedene Nachteile in 3D-Drucker-Konstruktion und -betrieb, einschließlich:

1. Komplexere und steifere Portalsysteme können ziemlich groß und schwer sein. Dies macht sie schwierig zu platzieren und zu bewegen und erfordert größeren Platz für Installation.
2. Größere Maschinen, die mit Portalsystemen gebaut werden, können teurer sein als andere Ansätze zur Maschinenstruktur, aufgrund ihrer Größe und Komplexität.
3. Maschinen mit würfelförmigen Portalsystemen können Benutzerzugriff auf das Druckbett einschränken. Dies behindert die Entfernung fertiger Drucke oder macht notwendige Anpassungen während des Druckprozesses für Benutzer schwierig.
4. Offene Portaldrucker können während des Drucks mehr Lärm und Vibrationen erzeugen, insbesondere durch Verstärkung der Resonanz von Schrittmotoren, die normalerweise fest am Rahmen montiert sind. Dies kann in ansonsten ruhigen Umgebungen ablenkend oder störend sein.

Was sind die verschiedenen Typen von Portalsystemen für 3D-Druck?

Es gibt eine Reihe spezifischer Portalsysteme, die im 3D-Druckmarkt eingesetzt werden. Dies umfasst:

1. Cartesian-XY-Head

Ein Cartesian-XY-Head-Portalsystem ist ein Typ von Bewegungssteuerungssystem, der häufig in 3D-Druckern (und einer Vielzahl anderer CNC-Maschinenklassen) verwendet wird. Dieser Konstruktionsansatz bewegt den Druckkopf oder Extruder entlang der X-Achse des Portals und bewegt die Y-Achse, indem das gesamte Portal bewegt wird. Dies kann das Bewegen einer hohen Masse auf der Y-Achse involvieren und zu einem größeren Risiko von Maschinenvibrationen führen, besonders während hoher Beschleunigungsmanöver.

In einem solchen Portalsystem ist das Druckbett fest, und der Druckkopf oder Extruder bewegt sich entlang zwei senkrechter Achsen, typischerweise laufend auf geschliffenen Wellen mit umlaufenden Kugellinearführungen. Höherpreisige Versionen nutzen oft V-Schienen mit extern V-gerillten Rollenlagern als Führungen, was Lagervererschleiß reduziert. Die X-Achse ist üblicherweise quer über die Maschine definiert, während die Y-Achse vorwärts/rückwärts relativ zum Gerät orientiert ist. Die Z-Achse positioniert die vertikale Höhe des Druckkopfs oder Extruders und wird auf der X-Bewegung des Portals getragen.

Cartesian-XY-Portalsysteme sind einfach zu konstruieren und zu bedienen. Sie bieten auch gute Präzision und Wiederholbarkeit, was hochpräzise Positionierung des Druckkopfs erlaubt. Allerdings haben sie Einschränkungen in Geschwindigkeit und Beschleunigung und können in mancher Hinsicht an Steifigkeit mangeln.

2. Ultimaker-Style Crossed

Das Ultimaker-Style Crossed-Portalsystem ist eine mechanische Struktur und Achsenbewegungs-System, das weniger häufig im 3D-Druck verwendet wird. Es verfügt über zwei parallele Portale, die den Druckkopf oder Extruder entlang der X- und Y-Achsen positionieren. Die Portale sind durch einen Querbalken verbunden, der beabsichtigt ist, Bewegung entlang beider Achsen durch gemeinsame Steifigkeit zu stabilisieren. Die Z-Achsenbewegung wird üblicherweise auf diesen beiden Achsen getragen, anstatt an ein auf- und absteigendes Druckbett delegiert zu werden.

In diesem System ist das Druckbett typischerweise fest und stabil. Der Druckkopf oder Extruder bewegt sich entlang sowohl der X- als auch der Y-Achse. Sie werden von Schrittmotoren angetrieben, die Bewegung durch Zahnriemen übertragen. Die beiden Portale können sich simultan bewegen. Dies erlaubt glatte Kurven und ruckfreie Bewegung zwischen Druckoperationen, da plötzliche Richtungsänderungen minimiert werden. Der Ansatz bietet auch gute Stabilität während des Drucks, was der Qualität der gedruckten Ergebnisse zugutekommt.

Dieser Designansatz ist komplexer und erfordert mehr Aufwand bei Setup und Kalibrierung als einfachere Designs. Dies wird besonders durch die Riemenantriebe beeinflusst, die sehr gute Ausrichtung erfordern, um genaue und wiederholbare Bewegung zu gewährleisten. Einige Benutzer berichten auch von Schwierigkeiten beim Zugriff auf das Druckbett, um Anpassungen während des Drucks vorzunehmen, da die beiden Portale manchmal während des Drucks den Zugang blockieren können.

3. CoreXY

Ein CoreXY-Portalsystem ist eine Struktur, die im 3D-Drucker-Design verwendet wird und stationäre Schrittmotoren hat, um die X- und Y-Achsen anzutreiben. Dies reduziert die bewegte Masse im Portal während Y-Achsenbewegungen, da der Y-Achsenantrieb fest an Ort und Stelle bleibt. Dies ermöglicht höhere Beschleunigung und präzisere Bewegungen des Druckkopfs, was höherwertige Druckergebnisse liefert.

Das CoreXY-System funktioniert, indem es eine Reihe von Umlenkrollen und umlaufende (Schleifen-)Riemen verwendet, die so angeordnet sind, dass die Antriebsriemen sich im Kern oder Zentrum des Systems kreuzen. Das Antreiben der Zahnriemen bewegt den Druckkopf in sowohl X- als auch Y-Richtung mit geringerer Trägheit.

Weniger bewegte Masse erlaubt eine leichtere Portalstruktur. Es gibt weniger bewegte Masse, die bei hohen Beschleunigungsmomenten widerstanden werden muss. Dieser Ansatz ist empfindlicher gegenüber Riemenspannung und Gleitzustand als andere Systeme und kann komplex in Setup und Kalibrierung sein. Die Beschleunigungskapazität wird als ausreichender Vorteil betrachtet, um die Setup-Probleme zu überwiegen, daher ist dieses System bei einigen Benutzern in der fortgeschritteneren Kategorie beliebt.

4. i3-Style Cartesian-XZ-Head

Der i3-Style Cartesian-XZ-Head wird sehr weit im 3D-Drucker-Design verwendet. In diesem Ansatz wird die Druckplattform selbst angehoben und abgesenkt (Z-Achsenbewegung), während der Druckkopf separat auf dem Portal für die X-Achse transportiert wird. Der Extruder ist auf einem Schlitten montiert, der sich entlang der X-Achse auf präzisionsgeschliffenen Wellen bewegt, wobei umlaufende Kugellagerbüchsen verwendet werden. Bei größeren und höherpreisigen Maschinen können die Schienen in V-Form sein, mit Rollenlagern, die auf diesen Schienen laufen. Linearschienen und Schlittenlager können auch für höhere Präzision verwendet werden.

Bei einem i3-Typ 3D-Drucker ist die Y-Achse typischerweise ein bewegtes Bett, das hin und her bewegt wird, während das Portal die X-Achse steuert. Dies wird allgemein als „Bedslinger“-Typ 3D-Drucker bezeichnet.

Dieses Design ist einfach zu konstruieren, was es zu einer beliebten Wahl für Heimanwender/Hobby-3D-Drucker macht. Es liefert gute Genauigkeit und Präzision in kleineren Maschinen, erfordert aber generell Mäßigung bei Beschleunigung und Richtungsänderungen aufgrund relativ geringer Steifigkeit und hoher Trägheit.

Der primäre Nachteil dieses Designs ist, dass es sehr schwierig sein kann, ein ebenes Bett zu erhalten und konsistente Schichtdicken zu erreichen. Die schlechte Steifigkeit, verglichen mit anderen, höherpreisigen 3D-Drucker-Designs, kann bei höheren Achsgeschwindigkeiten/Beschleunigungen sehr signifikante Auswirkungen haben.

5. H-Bot

Der H-Bot ist ein Portalsystem, das in einigen 3D-Druckern eingesetzt wird. Er nutzt Riemenantriebe und Linearschienen in einem Layout, das, ähnlich dem CoreXY-System, stationäre Motoren hat, um die X- und Y-Achsen anzutreiben.

Die beiden Riemen für X und Y formen die Form eines „H“. Die X-Achsenbewegung ist das Ergebnis der kombinierten Bewegung beider Riemen, die in Einklang wirken, während die Y-Achsenbewegung durch die koordinierte Bewegung beider Riemen erreicht wird.

Abhängig vom Design kann die Z-Achse entweder das Portal anheben/absenken oder das Druckbett anheben/absenken.

Das H-Bot-Layout kann stabiler und steifer sein als andere 3D-Drucker-Designs und höherwertige Druckergebnisse liefern. Stationäre Motoren reduzieren die Systemträgheit, was höhere Beschleunigungen erlaubt und weniger Steifigkeit für gute Stabilität erfordert.

Das H-Bot-Design ist kompliziert in Setup und Kalibrierung und wird als wartungsintensiver berichtet. Jeder leichte Schlupf, der sich in den Riemen entwickelt, wird die X-Y-Präzision signifikant stören, was ein besonderes Wartungsproblem darstellt, da Riemen sich dehnen können. Wenn jedoch gut gewartet, ist der H-Bot ein effektives Portalsystem, das fähig ist, hohe Qualität und hohe Geschwindigkeit zu liefern.

Wie wird ein Portalsystem gewartet?

3D-Drucker-Achsantriebssysteme benötigen regelmäßige Checks und Wartung, um effektiven Betrieb zu gewährleisten. Es ist ratsam, sich an das vom OEM empfohlene Wartungsverfahren zu halten. Im Folgenden sind einige allgemeine Tipps aufgeführt, wie man ein Portalsystem wartet:

1. Riemenspannungen der Antriebsriemen regelmäßig prüfen. Übermäßig straffe Riemen verursachen übermäßigen Verschleiß, und lockere Riemen beeinflussen Genauigkeit und Wiederholbarkeit.
2. Sicherstellen, dass alle Lagerflächen geschmiert sind, um reibungslose Bewegung zu erhalten und Verschleiß zu reduzieren. Herstellerempfohlenes Schmiermittel verwenden und nicht übermäßig schmieren.
3. Antriebsriemen auf Verschleiß, Ausfransen, Risse und Dehnung prüfen.
4. Ausrichtung von Riemen-Umlenk- und Antriebsriemenscheiben sicherstellen. Fehlausrichtung verursacht Riemenrutschen oder schnelleren Verschleiß und könnte Achsreaktionsfähigkeit beeinflussen oder Motoren überhitzen.
5. Die Temperatur der Achsantrieb-Schrittmotoren kann ein Indikator für Antriebsprobleme sein. Auf heiße Motoren achten, kann helfen, den Benutzer vor einer Reihe von Problemen zu warnen.
6. Gesamten Drucker reinigen, besonders konzentriert auf das Achsantriebssystem. Die meisten Verschleißerscheinungen (und spätere Ausfälle) sind direkt auf Schmutz in beweglichen und Lagerteilen zurückzuführen.

Wie funktioniert ein Portalsystem für 3D-Druck?

Das Portalsystem stellt den Schlitten und die Antriebsfähigkeit bereit, die den Druckkopf bewegt. Der spezifische Prozess variiert je nach Typ des Portalsystems für 3D-Druck. Portalsysteme in 3D-Druckern fallen in vier grundlegende Kategorien:

1. Bei Desktop-FDM/FFF-Druckern ist das Portal oft ein Bogen, der den Druckkopf trägt. Er bewegt den Druckkopf axial über den Bautisch (in X-Richtung) und hebt und senkt ihn (Z-Richtung). Die Y-Achse der Bewegung wird dann durch die Bewegung des Bautischs gehandhabt. Dies erlaubt dem Portal, auf der Y-Achse stationär zu sein, was den Bedarf an struktureller Steifigkeit reduziert.
2. Bei anderen FDM/FFF-Druckern wird die Y-Achse durch Bewegen des gesamten Portals in der Y-Achse gehandhabt. Dies erfordert, dass das Portal in Y-Richtung steifer ist, um Oszillationen in der Y-Achse zu vermeiden, während es beschleunigt und abbremst.
3. Die steifere Form der Portalstruktur, die schnellere Traversen ohne Wanken oder Oszillation erlaubt, ist ein Würfelrahmen, der die Bewegung aller drei Achsen starr hält. Dieses System wird häufiger bei mittelgroßen und größeren Maschinen verwendet. Es kann schnellere Bewegung und Beschleunigung mit höherpräziser Druckkopfpositionierung liefern.

Wie lange halten 3D-Druck-Portalsysteme?

Portalbasierte 3D-Drucker können eine im Wesentlichen unbegrenzte funktionale Lebensdauer haben, mit Bedingungen. Diese Bedingungen sind, dass Wartung regelmäßig und gründlich ist, Teile verfügbar bleiben und ein kommerzieller Wert in der Durchführung der erforderlichen Wartung und Reparaturen besteht. Portalbasierte 3D-Drucker sind eine Zusammenstellung funktionaler und struktureller Teile, und die Gesamthaltbarkeit des Systems hängt vom schwächsten Glied ab.

Können Portalsysteme Häuser drucken?

3D-Druck kann tatsächlich Häuser und andere große Strukturen bauen. Der 3D-Druck von Gebäuden ist ein Bereich zunehmender Forschung und früher Kommerzialisierungsversuche. Es gibt mehrere Beispiele von Häusern und anderen öffentlichen Gebäuden, die 3D-gedruckt wurden, typischerweise mit portalbasierten Betondruckern oder mobilen Roboterarmen.

Die 3D-Druckersysteme, die diese Aufgabe ausführen, operieren mit einem Verfahren ähnlich FDM/FFF-Druck, indem sie einen Betonstrang als Spur extrudieren, von der eine vollständige Struktur gedruckt werden kann. Einige Aspekte werden derzeit durch manuelle Intervention durchgeführt. Gegenstände wie Fenster- und Türstürze müssen von Hand eingesetzt werden, da derzeit kein „Support“-Druck unter Überhängen möglich ist.

Die derzeitigen Ansätze können nur vertikale Wände drucken und keine Dachstrukturen handhaben. Alle anderen Aspekte – von Sanitär und Elektrik, über Fenstermontage und Auskleidung bis hin zu allen Veredelungsaufgaben – sind manuell, ohne unmittelbare Aussicht auf Automatisierung.

Haben Portalsysteme begrenzten druckbaren Bereich?

Ja, es gibt ein sehr eingeschränktes Volumen innerhalb des Portals, das druckbar ist. Das Portal ist eine Struktur, die generell erheblich außerhalb des druckbaren Bereichs/Volumens einer typischen 3D-Druckmaschine sitzt.

Hängen Portalsysteme von 3D-Software ab?

Portalbasierte 3D-Drucker (wie alle 3D-Drucker) sind stark abhängig von verschiedenen 3D-Softwaretypen, um finale Bauteile zu produzieren.

3D-CAD muss in der Designphase verwendet werden, um die Modelle für den Druck zu produzieren. Dann muss das Modell in einer Slicer-Software geslicet werden, damit das Modell in Schichten gedruckt werden kann. Die gesliceten Schichten werden dann typischerweise in G-Code konvertiert, um dem 3D-Drucker anzuweisen, welchen Pfad das Werkzeug folgen muss, um die finale Form zu drucken. Dies wird als „Werkzeugpfad“ in sowohl 3D-Druck als auch CNC-Bearbeitung bezeichnet.

Was sind die Unterschiede zwischen den verschiedenen Portalsystemen für 3D-Druck?

Es gibt einige wesentliche Unterschiede zwischen den verschiedenen Portalsystemen, die für 3D-Druck verfügbar sind. Es gibt verschiedene Typen von Portalsystemen, die im Bau von 3D-Druckern eingesetzt werden, jeder mit eigenen Stärken und Schwächen. Die Hauptunterschiede sind:

1. Steifigkeit: Zusätzliche Flexibilität reduziert die Beschleunigungstoleranz eines Druckers, da hohe Beschleunigungen die Struktur stören und Vibrationen/Oszillationen induzieren, die den Druckprozess stören können.
2. Gewicht: Höheres Maschinengewicht kann ein Vorteil sein, um Stabilität zu unterstützen. Höheres bewegtes Teile Gewicht erfordert jedoch größere Antriebskräfte und größere Steifigkeit, um Erschütterungen an Beschleunigungspunkten oder Richtungsänderungen zu vermeiden.
3. Kosten: Leichtere und einfachere Strukturen kosten weniger, aber unzureichende Struktur resultiert in niedriger Genauigkeit und schlechter Leistung.
4. Wartung: Einige Portalsysteme erlauben einfache Wartung, während andere den Prozess viel schwieriger machen können.

Um mehr zu erfahren, sehen Sie unseren vollständigen Leitfaden zu Roboterarm vs. Portalsystem für 3D-Druck.

Zusammenfassung

Dieser Artikel stellte Portalsysteme vor, erklärte, was sie sind, und diskutierte, wie sie funktionieren und die verschiedenen Typen. Um mehr über Portalsysteme zu erfahren, kontaktieren Sie einen Xometry-Vertreter.

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Dean McClements

Dean McClements ist B.Eng Honors-Absolvent in Maschinenbau mit über zwei Jahrzehnten Erfahrung in der Fertigungsindustrie. Sein beruflicher Werdegang umfasst bedeutende Rollen bei führenden Unternehmen wie Caterpillar, Autodesk, Collins Aerospace und Hyster-Yale, wo er ein tiefes Verständnis für Ingenieurprozesse und Innovationen entwickelte.

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