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

Portalsysteme sind ein Ansatz zur Schaffung eines Präzisionsbewegungssystems für Werkzeugmaschinen wie 3D-Drucker, Laserschneider und CNC-Fräsmaschinen. Die Terminologie liefert keine genaue Definition einer Struktur, da verschiedene Ansätze zur Erstellung von Präzisionsbewegungsportalen in wesentlichen Punkten voneinander abweichen. Portalsysteme können auch für Punkt verwendet werden Anwendungsdrucksysteme wie FDM/FFF oder das MetalX-System von Desktop Metal, sie werden aber auch zur Unterstützung von Bereich verwendet Anwendungsdruckköpfe wie OBJETs, Binder-Jetting-Systeme und sogar die Herstellung laminierter Objekte (LOM).

In mancher Hinsicht können die in der additiven Roboterfertigung eingesetzten Roboterarme auch als Portalsystem betrachtet werden, obwohl sie häufig teilweise Polarkoordinatengeometrie anstelle einer orthogonalen 3-Achsen-Positionierung verwenden. Dies gilt im Allgemeinen nur, wenn der Roboter selbst an einem Portal montiert ist.

In diesem Artikel wird erläutert, was ein Portalsystem für den 3D-Druck ist und welche Vor- und Nachteile es hat.

Was ist ein Portalsystem für den 3D-Druck?

Portalsysteme unterstützen den punktuellen oder flächigen 3D-Druckkopf. Es stellt zumindest einige der Bewegungsachsen bereit, die es dem Kopf ermöglichen, den Baubereich zu durchqueren, um den Materialauftrag genau an der erforderlichen Stelle im Bau zu platzieren. Oft werden eine oder mehrere Achsen durch die Bewegung des Tisches gesteuert. Dieser ist jedoch am Portalrahmen montiert und kann im Wesentlichen als integraler Bestandteil des Portals betrachtet werden. Weitere Informationen finden Sie in unserem Leitfaden zur Funktionsweise des 3D-Drucks.

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

Der Aufbau eines 3D-Druckers auf Basis eines Portalsystems bietet verschiedene Vorteile, darunter:

1. Gilt weithin als kostengünstige Methode zur präzisen Positionierung und Bewegungssteuerung des Druckkopfs oder Extruders eines 3D-Druckers. Dies ermöglicht eine relativ kostengünstige Struktur, die eine genaue und wiederholbare Positionierung und Steuerung schneller Bewegungen ermöglicht. Dies führt zu einer besseren Reproduktion der zu druckenden Datei, ohne dass teure Geräte erforderlich sind.
2. Ermöglicht dem Druckkopf oder Extruder ein schnelles Beschleunigen und Abbremsen, ohne dass es aufgrund von Reaktionskräften zu einer Fehlpositionierung kommt. Ermöglicht eine schnellere Druckkopfpositionierung in der Bewegung zwischen Druckvorgänge reduzieren die Gesamtdruckzeit.
3. Kann verwendet werden, um Variationen von Druckbettgrößen und -formen ohne große Neugestaltung zu berücksichtigen. Dies ermöglicht die Gemeinsamkeit von Teilen und Bewegungssteuerungen über eine Reihe von Maschinengrößen hinweg. Da die meisten Portale aus extrudierten oder lasergeschnittenen und gefalteten Materialien bestehen, kann eine Vergrößerung der Maschinengröße einfach durch die Verlängerung der Strukturelemente und Antriebsmechanismen erreicht werden. Diese Option wird nur durch den Steifigkeitsverlust eingeschränkt, der letztendlich zu einer weniger präzisen Bewegung führt.
4. Die starre Konstruktion eines Portalsystems muss so ausgelegt sein, dass sie während des Druckvorgangs und insbesondere während der Positionierungsbewegungen strukturelle Stabilität gewährleistet. Dadurch wird das Risiko von Schwingungen verringert, die sonst die Druckqualität beeinträchtigen würden.
5. Bieten Sie offenen Zugang zu Antriebs-, Lager- und Getriebeteilen. Dies erleichtert die Wartung von Portalmaschinen. Das Design mit minimalen beweglichen Teilen und sichtbaren, zugänglichen Mechanismen erleichtert außerdem die Reinigung und Inspektion.

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

Portalsysteme bieten beim Bau und Betrieb von 3D-Druckern verschiedene Vorteile, darunter:

1. Komplexere und starre Portalsysteme können recht groß und schwer sein. Dadurch sind sie schwierig zu platzieren und zu bewegen und erfordern mehr Platz für die Installation.
2. Größere Maschinen, die mit Portalsystemen gebaut werden, können aufgrund ihrer Größe und Komplexität teurer sein als andere Ansätze zur Maschinenstruktur.
3. Maschinen mit würfelförmigen Portalsystemen können den Benutzerzugriff auf das Druckbett einschränken. Dies erschwert die Entnahme fertiger Ausdrucke oder erschwert dem Anwender notwendige Anpassungen während des Druckvorgangs.
4. Offene Portaldrucker können beim Drucken mehr Lärm und Vibrationen erzeugen, insbesondere durch die Verstärkung der Resonanz von Schrittmotoren, die normalerweise fest an den Rahmenteilen montiert sind. Dies kann in ansonsten ruhigen Umgebungen ablenkend oder störend sein.

Welche verschiedenen Arten von Portalsystemen gibt es für den 3D-Druck?

Es gibt eine Reihe spezifischer Portalsysteme, die im gesamten 3D-Druckmarkt eingesetzt werden. Dazu gehört:

1. Kartesischer XY-Kopf

Ein kartesisches XY-Kopf-Portalsystem ist eine Art Bewegungssteuerungssystem, das häufig in 3D-Druckern (und einer Vielzahl anderer Klassen von CNC-Maschinen) verwendet wird. Dieser Konstruktionsansatz bewegt den Druckkopf oder Extruder entlang der X-Achse der Gantry und bewegt die Y-Achse durch Bewegen der gesamten Gantry. Dies kann die Bewegung einer großen Masse auf der Y-Achse mit sich bringen und zu einem größeren Risiko von Maschinenvibrationen führen, insbesondere bei Manövern mit hoher Beschleunigung.

In einem solchen Portalsystem ist das Druckbett fest und der Druckkopf oder Extruder bewegt sich entlang zweier senkrechter Achsen und läuft typischerweise auf geschliffenen Wellen mit linearen Kugelumlauflagern. Höherpreisige Ausführungen nutzen als Führung oft V-Schienen mit außen V-förmig gerillten Rollenlagern, was zu einem geringeren Lagerverschleiß führt. Die X-Achse wird normalerweise als acros definiert s die Maschine, während die Y-Achse rückwärts/vorwärts ausgerichtet ist relativ zum Gerät. Die Z-Achse positioniert die vertikale Höhe des Druckkopfs oder Extruders und wird von der X-Bewegung des Portals übernommen.

Kartesische XY-Portalsysteme sind einfach und leicht aufzubauen und zu bedienen. Sie bieten außerdem eine gute Präzision und Wiederholbarkeit und ermöglichen eine hochpräzise Positionierung des Druckkopfs. Sie haben jedoch Einschränkungen hinsichtlich Geschwindigkeit und Beschleunigung und können in mancher Hinsicht an Steifigkeit mangeln.

2. Gekreuzt im Ultimaker-Stil

Das Kreuzportalsystem im Ultimaker-Stil ist ein mechanisches Struktur- und Achsenbewegungssystem, das im 3D-Druck weniger häufig verwendet wird. Es verfügt über zwei parallele Portale, die den Druckkopf oder Extruder entlang der X- und Y-Achse positionieren. Die Portale sind durch eine Querstange verbunden, die durch gemeinsame Steifigkeit die Bewegung entlang beider Achsen stabilisieren soll. Die Z-Achsen-Bewegung wird normalerweise auf diesen beiden Achsen ausgeführt und nicht an ein steigendes und fallendes Druckbett delegiert.

Bei diesem System ist das Druckbett typischerweise fest und stabil. Der Druckkopf oder Extruder bewegt sich sowohl entlang der X- als auch der Y-Achse. Sie werden von Schrittmotoren angetrieben, die die Bewegung über Zahnriemen übertragen. Die beiden Portale können gleichzeitig verfahren werden. Dies ermöglicht eine sanfte Krümmung und eine ruckfreie Bewegung zwischen den Druckvorgängen, da plötzliche Richtungsänderungen minimiert werden. Der Ansatz bietet außerdem eine gute Stabilität beim Drucken, was sich positiv auf die Qualität der Druckergebnisse auswirkt.

Dieser Designansatz ist komplexer und erfordert mehr Aufwand bei der Einrichtung und Kalibrierung als einfachere Designs. Dies wird insbesondere durch die Riemenantriebe beeinträchtigt, die eine sehr gute Ausrichtung erfordern, um eine genaue und wiederholbare Bewegung zu gewährleisten. Einige Benutzer berichten auch über Schwierigkeiten beim Zugriff auf das Druckbett, um während des Druckens Anpassungen vorzunehmen, da die beiden Portale den Zugriff zeitweise während des Druckens blockieren können.

3. CoreXY

Ein CoreXY-Portalsystem ist eine Struktur, die bei der Konstruktion von 3D-Druckern verwendet wird und über stationäre Schrittmotoren zum Antrieb der X- und Y-Achsen verfügt. Dadurch wird die bewegte Masse im Portal bei Y-Achsen-Bewegungen reduziert, da der Y-Achsen-Antrieb ortsfest bleibt. Dies ermöglicht eine höhere Beschleunigung und präzisere Bewegungen des Druckkopfs und sorgt so für qualitativ hochwertigere Druckergebnisse.

Das CoreXY-System arbeitet mit einer Reihe von Riemenscheiben und Umlaufriemen (Schlaufenriemen), die so angeordnet sind, dass sich die Antriebsriemen im Kern oder in der Mitte des Systems kreuzen. Durch den Antrieb der Zahnriemen wird der Druckkopf mit geringerer Trägheit sowohl in X- als auch in Y-Richtung bewegt.

Die Bewegung von weniger Masse ermöglicht eine leichtere Portalstruktur. Bei hohen Beschleunigungsmomenten gibt es weniger bewegte Masse, der man widerstehen muss. Dieser Ansatz reagiert empfindlicher auf die Riemenspannung und den Gleitzustand als andere Systeme und kann komplex in der Einrichtung und Kalibrierung sein. Die Beschleunigungsfähigkeit wird als ausreichender Vorteil angesehen, um die Setup-Probleme zu überwiegen, sodass dieses System bei einigen Benutzern in der fortgeschritteneren Kategorie beliebt ist.

4. Kartesischer XZ-Kopf im i3-Stil

Der kartesische XZ-Kopf im i3-Stil wird häufig im 3D-Druckerdesign verwendet. Bei diesem Ansatz wird die Druckplattform selbst angehoben und abgesenkt (Z-Achsen-Bewegung), während der Druckkopf für die X-Achse separat auf dem Portal transportiert wird. Der Extruder ist auf einem Schlitten montiert, der sich mithilfe von Kugelumlaufbuchsen auf präzisionsgeschliffenen Wellen entlang der X-Achse bewegt. Bei größeren und höherpreisigen Maschinen können die Schienen auch V-förmig sein, wobei auf diesen Schienen Rollenlager laufen. Für eine höhere Präzision können auch Linearschienen und Gleitlager verwendet werden.

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

Dieses Design ist einfach und leicht zu konstruieren, was es zu einer beliebten Wahl für Heim-/Hobby-3D-Drucker macht. Es bietet eine gute Genauigkeit und Präzision in kleineren Maschinen, erfordert jedoch aufgrund der relativ geringen Steifigkeit und hohen Trägheit im Allgemeinen eine moderate Beschleunigung und Richtungsänderungen.

Der Hauptnachteil dieser Konstruktion besteht darin, dass es sehr schwierig sein kann, ein ebenes Bett aufrechtzuerhalten und gleichmäßige Schichtdicken zu erreichen. Die im Vergleich zu anderen, teureren 3D-Drucker-Designs geringe Steifigkeit kann bei höheren Achsgeschwindigkeiten/-beschleunigungen sehr erhebliche Auswirkungen haben.

5. H-Bot

Der H-Bot ist ein Portalsystem, das in einigen 3D-Druckern eingesetzt wird. Es verwendet Riemenantriebe und lineare Schienen in einem Aufbau, der, ähnlich dem CoreXY-System, über stationäre Motoren zum Antrieb der X- und Y-Achsen verfügt.

Die beiden Riemen für X und Y bilden die Form eines „H“. Die X-Achsen-Bewegung ist das Ergebnis der kombinierten Bewegung beider Bänder im Gleichklang, während die Y-Achsen-Bewegung durch die koordinierte Bewegung beider Bänder erreicht wird.

Je nach Ausführung kann die Z-Achse entweder das Portal heben/senken oder das Druckbett heben/senken.

Das H-Bot-Layout kann stabiler und steifer sein als andere 3D-Drucker-Designs und sorgt so für qualitativ hochwertigere Druckergebnisse. Stationäre Motoren reduzieren die Systemträgheit, ermöglichen höhere Beschleunigungen und erfordern weniger Steifigkeit für eine gute Stabilität.

Das H-Bot-Design ist kompliziert einzurichten und schwer zu kalibrieren und erfordert Berichten zufolge mehr Wartung. Jedes leichte Durchhängen der Riemen beeinträchtigt die X-Y-Präzision erheblich, was insbesondere bei der Wartung ein Problem darstellt, da sich die Riemen dehnen können. Bei guter Wartung ist der H-Bot jedoch ein effektives Portalsystem, das in der Lage ist, qualitativ hochwertige und zu liefern hohe Geschwindigkeit.

Wie wird ein Portalsystem gewartet?

Achsantriebssysteme für 3D-Drucker müssen regelmäßig überprüft und gewartet werden, um einen effektiven Betrieb zu gewährleisten. Es wird empfohlen, sich über das vom OEM empfohlene Wartungsverfahren zu informieren. Nachfolgend finden Sie einige allgemeine Tipps zur Wartung eines Portalsystems:

1. Überprüfen Sie regelmäßig die Spannung des Antriebsriemens. Zu straffe Riemen führen zu übermäßigem Verschleiß und lockere Riemen beeinträchtigen die Genauigkeit und Wiederholbarkeit.
2. Stellen Sie sicher, dass alle Lagerflächen geschmiert sind, um eine reibungslose Bewegung zu gewährleisten und den Verschleiß zu reduzieren. Verwenden Sie das vom Hersteller empfohlene Schmiermittel und schmieren Sie nicht zu viel.
3. Überprüfen Sie Antriebsriemen auf Verschleiß, Ausfransungen, Risse und Dehnungen. 
4. Stellen Sie sicher, dass die Riemenspannrolle und die Antriebsriemenscheiben ausgerichtet sind. Eine Fehlausrichtung führt dazu, dass die Riemen durchrutschen oder sich schneller abnutzen und könnte die Reaktionsfähigkeit der Achsen beeinträchtigen oder die Motoren überhitzen.
5. Die Temperatur der Schrittmotoren des Achsantriebs kann ein Hinweis auf Antriebsprobleme sein. Wenn Sie auf heiße Motoren achten, kann dies dazu beitragen, den Benutzer vor einer Reihe von Problemen zu warnen.
6. Reinigen Sie den gesamten Drucker und konzentrieren Sie sich dabei besonders auf das Achsenantriebssystem. Der meiste Verschleiß (und spätere Ausfall) ist eine direkte Folge von Schmutz in beweglichen und tragenden Teilen.

Wie funktioniert ein Portalsystem für den 3D-Druck?

Das Portalsystem stellt den Schlitten und die Antriebsfunktion bereit, die den Druckkopf bewegt. Der konkrete Prozess variiert je nach Art des Portalsystems für den 3D-Druck. Portalsysteme in 3D-Druckern lassen sich in vier grundlegende Kategorien einteilen:

1. Bei Desktop-FDM/FFF-Druckern ist das Portal häufig ein Bogen, der den Druckkopf trägt. Es bewegt den Druckkopf axial über den Bautisch (in X-Richtung) und hebt und senkt ihn (Z-Richtung). Die Bewegung der Y-Achse wird dann durch die Bewegung des Bautisches gesteuert. Dadurch kann das Portal auf der Y-Achse stationär bleiben, was den Bedarf an struktureller Steifigkeit verringert.
2. Bei anderen FDM/FFF-Druckern wird die Y-Achse durch Bewegen des gesamten Portals in der Y-Achse gesteuert. Dies erfordert, dass das Portal in Y-Richtung steifer ist, um Schwingungen in der Y-Achse beim Beschleunigen und Abbremsen zu vermeiden.
3. Die steifere Form der Portalstruktur, die eine schnellere Bewegung ohne Wackeln oder Schwingen ermöglicht, ist ein Würfelrahmen, der die Bewegung aller drei Achsen starr hält. Dieses System wird häufiger bei mittelgroßen und größeren Maschinen eingesetzt. Es kann eine schnellere Bewegung und Beschleunigung mit präziseren Druckkopfpositionierungsergebnissen liefern.

Wie lange halten 3D-Druck-Portalsysteme?

Portalbasierte 3D-Drucker können unter bestimmten Bedingungen eine praktisch unbegrenzte Funktionslebensdauer haben. Diese Bedingungen bestehen darin, dass die Wartung regelmäßig und gründlich erfolgt, Teile verfügbar bleiben und die Durchführung der erforderlichen Wartungs- und Reparaturarbeiten einen kommerziellen Wert hat. Portalbasierte 3D-Drucker sind eine Kombination aus Funktions- und Strukturteilen, und die Gesamthaltbarkeit des Systems hängt vom schwächsten Glied ab.

Sind Portalsysteme für Druckereien geeignet?

Mit dem 3D-Druck lassen sich tatsächlich Häuser und andere große Bauwerke bauen. Der 3D-Druck von Gebäuden ist ein Bereich zunehmender Forschung und erster Kommerzialisierungsversuche. Es gibt mehrere Beispiele für Häuser und andere öffentliche Gebäude, die in 3D gedruckt wurden, typischerweise mit Portaldruckern für Beton oder mobilen Roboterarmen.

Die für diese Aufgabe verwendeten 3D-Druckersysteme funktionieren ähnlich wie der FDM/FFF-Druck und extrudieren eine Betonperle als Spur, aus der eine vollständige Struktur gedruckt werden kann. Einige Aspekte werden derzeit durch manuelle Eingriffe durchgeführt. Elemente wie Fenster- und Türstürze müssen von Hand montiert werden, da derzeit kein „Stützdruck“ unter Überständen möglich ist.

Die derzeit verwendeten Ansätze können nur vertikale Wände drucken und sind nicht für Dachkonstruktionen geeignet. Alle anderen Aspekte – von den Sanitär- und Elektroinstallationen über die Fensterinstallation und -verkleidung bis hin zu allen Endbearbeitungsaufgaben – erfolgen manuell und es besteht keine unmittelbare Aussicht auf eine Automatisierung.

Haben Portalsysteme eine begrenzte bedruckbare Fläche?

Ja, es gibt ein sehr begrenztes Volumen innerhalb das druckbare Portal. Das Portal ist eine Struktur, die im Allgemeinen deutlich außerhalb des druckbaren Bereichs/Volumens einer typischen 3D-Druckmaschine liegt. 

Sind Gantry-Systeme auf 3D-Software angewiesen?

Portalbasierte 3D-Drucker sind (wie alle 3D-Drucker) in hohem Maße auf verschiedene 3D-Softwaretypen angewiesen, um die endgültigen Teile herzustellen.

In der Entwurfsphase muss 3D-CAD eingesetzt werden, um die Modelle für den Druck herzustellen. Anschließend muss das Modell in einer Slicer-Software in Scheiben geschnitten werden, damit das Modell in Schichten gedruckt werden kann. Die geschnittenen Schichten werden dann normalerweise in G-Code umgewandelt, um dem 3D-Drucker mitzuteilen, welchem ​​Pfad der Werkzeugkopf folgen muss, um die endgültige Form zu drucken. Dies wird sowohl beim 3D-Druck als auch bei der CNC-Bearbeitung als „Werkzeugweg“ bezeichnet.

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

Es gibt einige wesentliche Unterschiede zwischen den verschiedenen Portalsystemen, die für den 3D-Druck verfügbar sind. Beim Bau von 3D-Druckern kommen verschiedene Arten von Portalsystemen zum Einsatz, jedes mit seinen eigenen Stärken und Schwächen. Die Hauptunterschiede sind:

1. Steifigkeit: Zusätzliche Flexibilität verringert die Beschleunigungstoleranz eines Druckers, da hohe Beschleunigungen die Struktur stören und Vibrationen/Schwingungen hervorrufen, die den Druckprozess stören können.
2. Gewicht: Ein höheres Maschinengewicht kann für die Stabilität von Vorteil sein. Höhere Bewegung Teile Das Gewicht erfordert jedoch größere Antriebskräfte und eine größere Steifigkeit, um ein Wackeln an Beschleunigungspunkten oder Richtungsänderungen zu vermeiden.
3. Kosten: Leichtere und einfachere Strukturen kosten weniger, aber eine unzureichende Struktur führt zu geringer Genauigkeit und schlechter Leistung.
4. Wartung: Einige Portalsysteme ermöglichen eine einfache Wartung, während andere den Prozess erheblich erschweren können.

Weitere Informationen finden Sie in unserem vollständigen Leitfaden zum Thema „Roboterarm vs. Gantry-System für den 3D-Druck“.

Zusammenfassung

In diesem Artikel wurden Portalsysteme vorgestellt, erklärt, was sie sind, und ihre Funktionsweise sowie die verschiedenen Typen besprochen. Um mehr über Portalsysteme zu erfahren, wenden Sie sich an einen Xometry-Vertreter.

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Dean McClements

Dean McClements hat einen Bachelor-Abschluss in Maschinenbau mit Auszeichnung und über zwei Jahrzehnte Erfahrung in der Fertigungsindustrie. Sein beruflicher Werdegang umfasst wichtige Positionen bei führenden Unternehmen wie Caterpillar, Autodesk, Collins Aerospace und Hyster-Yale, wo er ein tiefes Verständnis für technische Prozesse und Innovationen entwickelte.

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