Roboterarme vs. Portalsysteme: Die beste 3D-Druckarchitektur für Größe und Footprint wählen

Es gibt eine einfache Trennung im 3D-Drucker-Sektor. Der etablierte Markt bestehtmostly aus Maschinen, die in einem Bewegungssystem innerhalb eines Rahmens oder Portals untergebracht sind, in den Schienen und Antriebe eingebaut sind. Dies sind Portalmaschinen. Andererseits bevorzugt ein Großteil der Industrie größere Maschinen auf Basis freistehender Roboterarme, die das potenzielle Bauvolumen erhöhen, während sie einen kleinen Footprint der Maschine beibehalten.

Der Vorteil von Roboterarm-3D-Druck zeigt sich wirklich nur bei größeren Bauten, bei denen das Bauvolumen durch die Reichweite des Arms definiert wird, anstatt innerhalb der starren Grenzen eines Portals begrenzt zu sein. Dieser Artikel wird die Unterschiede zwischen Roboterarmen und Portalsystemen für den 3D-Druck weiter erforschen.

Was ist ein Roboterarm für 3D-Druck?

Ein Roboterarm für 3D-Druck ist ein mechanischer Arm, der sich signifikant vom häufigeren X-Y-Z-orthogonalen Ansatz unterscheidet. Ein solcher Arm kann vorteilhaft sein, da das Gerät in der Lage ist, sich in einem breiteren Bereich von Richtungen und Orientierungen zu bewegen. Daher erleichtert dieser Ansatz den 3D-Druck von Objekten mit mehr Freiheitsgraden. Weitere Informationen finden Sie in unserem 3D-Drucker-Roboterarm-Leitfaden.

Abbildung 1 zeigt ein Beispiel für einen Roboterarm-3D-Drucker:

Roboterarm-3D-Druck wird nicht häufig für die Herstellung kleiner Teile verwendet. Es gibt Schwierigkeiten im kleinen Maßstab, die orthogonale Maschinen praktischer machen. Roboterarme tendieren dazu, teurer zu sein als ihre portalbasierten Gegenstücke, besonders bei kleineren Maßstäben.

Im Allgemeinen würde für den Druck größerer Teile in der Automobil- und Luft- und Raumfahrtbranche ein Roboterarm mit einem 3D-Druck-Extruder-Druckkopf (FDM/FFF/FGF) oder mit einem Laser/WIG-Schweißkopf ausgestattet. Beide können Material ablagern, um das endgültige Objekt zu erstellen. Der Arm wird programmiert, den Extruder in einem präzisen Muster zu bewegen, Material abzulagern, bis das Objekt fertig ist. Allerdings kann ein solches Arm-Setup auf einem Extrusions-basierten Prozess operieren, der die Schichtung zu einer komplexeren Struktur verändert. Dies ist möglich, weil die zusätzlichen Freiheitsgrade es dem Arm erlauben, den Druckprozess auf komplexere Weise anzugehen (wie nicht-planares Drucken).

Roboterarm-3D-Druck kann verwendet werden, um große Objekte und Teile mit komplexen Geometrien zu drucken, die mit orthogonalen Maschinen schwierig oder unmöglich zu erstellen wären.

Was können Roboterarme drucken?

Roboterarm-3D-Druck fügt Freiheitsgrade hinzu, die orthogonale Maschinen nicht erreichen können. Einige Beispiele dessen, was er drucken kann, sind unten aufgeführt:

1. Große Objekte, die zu groß für typische 3D-Drucker sind. Beispiele sind große Automobilteile, Möbel in Originalgröße, architektonische Komponenten und ganze Gebäude.
2. Durch Austausch der Extruder kann ein Roboterarm-Drucker mehrere Materialien, verschiedene Farben oder Additive verwenden.
3. Je nach Steifigkeit und Qualität des Geräts können Roboterarm-Drucker in ihren Bewegungen hochpräzise sein. Dies erhält hohe Präzision bei der Ausführung großer oder komplexer Designs.
4. Drucken in ungewöhnlichen Formen und Orientierungen ist aufgrund der zusätzlichen Freiheitsgrade der Bewegung besser erreichbar. Dies kann das direkte Drucken auf eine gekrümmte Oberfläche (nicht-planares Drucken) oder das Drucken auf der Unterseite von Aufbauten ermöglichen.
5. 3D-Druck mit komplexen Geometrien ist möglich, da der Arm einen Materialdurchgang unterbrechen und von der anderen Seite eines Hindernisses fortsetzen kann. Dies ermöglicht den Druck von ineinandergreifenden Objekten, die mit orthogonalen 3D-Drucktechniken oft unmöglich zu erreichen sind.

Die Fähigkeiten des robotischen 3D-Drucks sind nur durch die Größe und Steifigkeit des Arms, die Genauigkeit und Wiederholbarkeit seiner Bewegung und weniger durch die Komplexität der zu druckenden Objekte begrenzt.

Was sind die Vorteile von Roboterarmen für 3D-Druck?

Verschiedene Vorteile von Roboterarm-3D-Druck gegenüber Portal-/orthogonalen Maschinen werden als wichtig erachtet, darunter:

1. Druckbereich/Volumen: Dieser Ansatz ermöglicht sehr große Drucke mit einer relativ kleinen Maschine, begrenzt nur durch das Volumen seiner Reichweite.
2. Größe: Kleinere Geräte können größere Drucke liefern.
3. Kosten/Größe: Obwohl Roboterarme nicht billig sind, sind sie wettbewerbsfähig mit sehr großen orthogonalen Druckern geringerer Fähigkeit.
4. Teilgeometrie: Roboterarme bieten viel weniger Einschränkungen in der Baugeometrie aufgrund ihres Mehrzugangs zum Aufbau.
5. Anisotrope Kontrolle: Die „Körnung“ des Aufbaus kann bereichsweise ausgewählt werden, da strenge uniaxiale Schichtung nicht erforderlich ist. Dies ermöglicht, die Teilefestigkeit verschieden auszurichten für bessere Gesamrobustheit der Drucke.

Was sind die Nachteile von Roboterarmen für 3D-Druck?

Während Roboterarm-3D-Druck Vorteile gegenüber orthogonalen Druckmethoden bietet, gibt es auch Nachteile, darunter:

1. Die Einrichtung von Roboter-3D-Druck ist teuer, die Kosten sind für kleinere Unternehmen oder Einzelpersonen prohibitiv.
2. Roboter-3D-Druck erfordert ein beträchtlich höheres technisches Fachwissen als orthogonale/Portal-Drucker, sowohl in Bezug auf das Erstellen/Ausführen von Druckaufträgen als auch die initiale Hardware-Einrichtung.
3. Roboter sind nicht intrinsisch gesichert und können Unbeteiligte leicht verletzen. Barrieren und Eindringmelder müssen verwendet werden.
4. Wie alle Maschinen benötigen Roboterarme regelmäßige Wartung und gelegentliche Reparaturen. Dies wird wahrscheinlich viel kostspieliger und zeitaufwändiger sein als für orthogonale/Portal-3D-Drucker.

Hat ein Roboterarm 6 Achsen?

Ja, Roboter-3D-Drucker haben oft sechs Achsen, aber viele Roboterarme haben weniger Freiheitsgrade. Ein sechsechsachsiger Roboterarm hat sechs Bewegungsachsen: drei Drehachsen (Rollen, Nicken, Gieren) und drei Translationsachsen (hoch-runter, links-rechts, vorwärts-rückwärts). Sechsachsige Mobilität ist die Norm bei industriellen Roboterarmen, die für 3D-Druck verwendet werden. Einige Roboter-3D-Drucker können mehr als sechs Achsen (oder weniger) haben, abhängig von ihrer beabsichtigten Anwendung.

Was ist ein Portalsystem für 3D-Druck?

Ein Portalsystem für 3D-Druck ist eine Struktur aus Trägern und Schienen, die einen Druckkopf/Extruder tragen und seine Bewegung beim Transit und Druck führen. Die kritischen Funktionen sind Steifigkeit und Präzision, die den Druckauftragspunkt präzise innerhalb des Aufbaus platzieren. Das Portalsystem ermöglicht eine größere Bauhöhe (und damit Volumen) als Delta- oder kartesische Drucker. Portalsysteme sind allgemein auf die meisten 3D-Drucktechniken anwendbar. Der Z-Achsen-Mechanismus, der die Bautiefe ermöglicht, ist entweder das Ergebnis einer Bewegung vom Portal, die einen Z-Achsen-Mechanismus trägt – oder von der Bewegung des Bautisches auf einem separaten Mechanismus.

Portalsysteme sind in sowohl industriellen/professionellen als auch Heim/Hobby-Maschinen weit verbreitet, wegen ihrer intrinsischen Steifigkeit und großen Bauvolumenpotenzials. Abbildung 2 zeigt ein Beispiel für ein Portalsystem für 3D-Druck:

Häufig gestellte Fragen zu Roboterarmen vs. Portalsystemen

Was ist der Hauptvorteil eines Roboterarms gegenüber einem Portalsystem für 3D-Druck?

Der Hauptvorteil des Roboterarms gegenüber dem Portalsystem für 3D-Druck ist seine lange Reichweite/großes Bauvolumen bei großen Drucken. Das Verschieben eines großen orthogonalen Portal-Druckers zu einer Baustelle erfordert normalerweise seine Demontage für den Transport, was den Aufbau vor Ort extrem herausfordernd macht. Ein Roboterarm kann sich auf moderate Größe zurückziehen und einfach am beabsichtigten Bauort platziert werden.

Was ist der Hauptvorteil eines Portalsystems gegenüber einem Roboterarm für 3D-Druck?

Portalbasierte 3D-Drucker kosten weniger in Anschaffung, Betrieb und Wartung als Roboterarm-basierte Maschinen.

Welcher 3D-Druckertyp wird für den Bau verwendet?

Sowohl Portal- als auch Roboterarm-3D-Druckertypen werden für den Bau verwendet, abhängig von einer Reihe von Faktoren wie Größe. Bauvor-Ort wird häufiger von Roboterarm-Druckern durchgeführt, während Komponentenfertigung an einem festen Standort praktischer mit einer portalbasierten Maschine ist.

Welcher 3D-Druckertyp wird für Metall-Druck verwendet?

Die meisten Metall-3D-Drucker (insbesondere solche basierend auf Powder Bed Fusion) nutzen Laser und Spiegel, die rotieren und den Laser auf das Bett richten. Sie sind weder Roboter- noch Portal-basierte Systeme. Sie arbeiten generell in kontrollierten Umgebungen mit Inertgasen und sind besser für kleinere Teile geeignet.

Bestimmte Metall-Drucktechnologien, insbesondere solche für die Herstellung größerer Teile, können jedoch Roboterarme verwenden. WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing) Systeme verfügen oft über einen Lichtbogenschweißer, der an einem Roboterarm montiert ist.

Die Vorteile des Roboterarm-basierten Drucks in größeren Maschinen machen dies zu einer praktischen, aber nicht gängigen Option, an der der Markt (und daher Maschinenhersteller) zunehmendes Interesse zeigt.

Benötigen diese 3D-Drucker Wartung?

Ja, alle 3D-Drucker erfordern umfangreiche regelmäßige Wartung, um zuverlässige Präzision zu liefern. In mancher Hinsicht benötigen 3D-Roboterarm-Drucker weniger regelmäßige Wartung, aber diese Wartung ist erheblich komplexer und teurer durchzuführen.

Haben diese 3D-Drucker begrenzten druckbaren Bereich?

Die meisten 3D-Drucker haben Einschränkungen im baubaren Bereich, es sei denn, sie verfügen über Mobilität (wie der CyBe RT Beton-3D-Drucker) oder eine „unendliche“ Achse in Form eines Förderbands.

Können diese 3D-Drucker lange halten?

Ja, 3D-Drucker können lange halten, wenn die Wartung gründlich und regelmäßig ist und die erforderlichen Teile verfügbar bleiben. Diese Maschinen werden so lange funktionieren, wie sie kosteneffektiv sind. Obsoleszenz kommt in diesem Sektor schnell, da Maschinen in der Leistung übertroffen oder in den Druckkosten durch neue Entwicklungen untergraben werden. So ist es wahrscheinlich, dass die kommerzielle Rentabilität der Maschinen der entscheidende Faktor für ihren fortgesetzten Betrieb sein wird.

Dean McClements

Dean McClements ist ein B.Eng Honors Absolvent in Maschinenbau mit über zwei Jahrzehnten Erfahrung in der Fertigungsindustrie. Seine berufliche Laufbahn 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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