Roboterarme vs. Portalsysteme:Auswahl der besten 3D-Druckarchitektur hinsichtlich Größe und Stellfläche

Im Bereich der 3D-Drucker gibt es eine einfache Kluft. Der etablierte Markt besteht hauptsächlich aus Maschinen, die in einem Bewegungssystem in einem Rahmen oder Portal getragen werden, in das Gleitschienen und Antriebe eingebaut sind. Es handelt sich um Portalmaschinen. Andererseits bevorzugt ein Großteil der Industrie größere Maschinen auf Basis freistehender Roboterarme, die die potenzielle Baugröße erhöhen und gleichzeitig einen kleinen Platzbedarf in der Maschine beibehalten.

Der Vorteil des 3D-Drucks mit Roboterarmen zeigt sich nur bei größeren Bauten, bei denen das Bauvolumen durch die Reichweite des Arms definiert wird und nicht auf die starren Grenzen eines Portals beschränkt ist. In diesem Artikel werden die Unterschiede zwischen Roboterarmen und Portalsystemen für den 3D-Druck weiter untersucht.

Was ist ein Roboterarm für den 3D-Druck?

Ein Roboterarm für den 3D-Druck ist ein mechanischer Arm, der sich erheblich vom üblicheren orthogonalen X-Y-Z-Ansatz unterscheidet. Ein solcher Arm kann von Vorteil sein, da das Gerät in einen größeren Bereich von Richtungen und Ausrichtungen bewegt werden kann. Daher erleichtert dieser Ansatz das Drucken von 3D-Objekten mit mehr Freiheitsgraden. Weitere Informationen finden Sie in unserem Leitfaden zum 3D-Drucker-Roboterarm.

Abbildung 1 ist ein Beispiel eines Roboterarm-3D-Druckers:

Der 3D-Druck von Roboterarmen wird üblicherweise nicht zur Herstellung von Kleinteilen eingesetzt. Im kleinen Maßstab gibt es Schwierigkeiten, die orthogonale Maschinen praktischer machen. Roboterarme sind tendenziell teurer als ihre Gegenstücke auf Portalbasis, insbesondere bei kleineren Maßstäben. 

Im Allgemeinen wäre für den Druck größerer Teile im Automobil- und Luft- und Raumfahrtbereich ein Roboterarm mit einem 3D-Druck-Extruder-Druckkopf (FDM/FFF/FGF) oder mit einem Laser-/WIG-Schweißkopf ausgestattet. 

Beide können Material aufbringen, um das endgültige Objekt zu erstellen. Der Arm ist so programmiert, dass er den Extruder in einem präzisen Muster bewegt und das Material ablegt, bis das Objekt fertig ist. Ein Armaufbau wie dieser kann jedoch auf einem extrusionsbasierten Prozess basieren, der die Schichtung in eine komplexere Struktur umwandelt. Dies liegt daran, dass die zusätzlichen Freiheitsgrade es dem Arm ermöglichen, den Druckprozess auf komplexere Weise anzugehen (z. B. nicht-planares Drucken).

Der 3D-Druck mit Roboterarmen kann zum Drucken großer Objekte und Teile mit komplexen Geometrien verwendet werden, die mit orthogonalen Maschinen nur schwer oder gar nicht herzustellen wären.

Welche Projekte können Roboterarme drucken?

Der 3D-Druck mit Roboterarmen bietet ein Maß an Flexibilität, das orthogonale Maschinen nicht erreichen können. Einige Beispiele dafür, was gedruckt werden kann, sind unten aufgeführt:

1. Große Objekte, die für typische 3D-Drucker zu groß sind. Beispiele sind große Automobilteile, Möbel in Originalgröße, Architekturkomponenten und ganze Gebäude.
2. Durch den Austausch von Extrudern kann ein Roboterarmdrucker mehrere Materialien, verschiedene Farben oder Zusatzstoffe verwenden.
3. Abhängig von der Steifigkeit und Qualität des Geräts können Roboterarmdrucker in ihren Bewegungen äußerst präzise sein. Dies gewährleistet eine hohe Präzision bei der Ausführung großer oder komplexer Designs.
4. Das Drucken in ungewöhnlichen Formen und Ausrichtungen ist aufgrund der zusätzlichen Bewegungsfreiheitsgrade einfacher möglich. Dies kann das direkte Drucken auf einer gekrümmten Oberfläche (nicht planares Drucken) oder das Drucken auf der Unterseite von Gebäuden ermöglichen.
5. 3D-Druck mit komplexen Geometrien ist möglich, da der Arm einen Materialdurchgang abbrechen und von der anderen Seite eines Hindernisses aus fortfahren kann. Dies ermöglicht den Druck ineinandergreifender Objekte, die mit orthogonalen 3D-Drucktechniken oft nicht zu erreichen sind.

Die Möglichkeiten des robotergestützten 3D-Drucks werden 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 den 3D-Druck?

Verschiedene Vorteile des 3D-Drucks mit Roboterarmen gegenüber Portal-/orthogonalen Maschinen werden als wichtig erachtet, darunter:

1. Druckbereich/Volumen: Dieser Ansatz ermöglicht sehr große Drucke mit einer relativ kleinen Maschine, die nur durch das Volumen ihrer Reichweite begrenzt ist.
2. Größe: Kleinere Geräte können größere Ausdrucke liefern.
3. Kosten/Größe: Obwohl Roboterarme nicht billig sind, sind sie mit sehr großen Orthogonaldruckern mit geringerer Leistungsfähigkeit konkurrenzfähig. 
4. Geometrie des Teils: Roboterarme bieten aufgrund ihres mehrachsigen Zugriffs auf den Aufbau viel weniger Einschränkungen bei der Baugeometrie.
5. Anisotrope Kontrolle: Die „Körnung“ des Aufbaus kann regional gewählt werden, da keine streng einachsige Schichtung erforderlich ist. Dadurch kann die Festigkeit der Teile unterschiedlich ausgerichtet werden, um die allgemeine Robustheit der Drucke zu verbessern.

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

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

1. Die Einrichtung des 3D-Druckroboters ist teuer und für kleinere Unternehmen oder Einzelpersonen unerschwinglich.
2. Roboter-3D-Druck erfordert ein deutlich höheres Maß an technischem Fachwissen als Orthogonal-/Gantry-Drucker, was die Erstellung/Ausführung von Druckaufträgen und die anfängliche Hardware-Einrichtung angeht.
3. Roboter verfügen nicht über einen Eigenschutz und können Unbeteiligte leicht verletzen. Es müssen Absperrungen und Einbruchmelder eingesetzt werden.
4. Wie alle Maschinen erfordern Roboterarme regelmäßige Wartung und gelegentliche Reparaturen. Dies ist wahrscheinlich viel kostspieliger und zeitaufwändiger als bei Orthogonal-/Gantry-3D-Druckern.

Hat ein Roboterarm 6 Achsen?

Ja, Roboter-3D-Drucker haben oft sechs Achsen, aber viele Roboterarme haben weniger Freiheitsgrade. Ein sechsachsiger Roboterarm verfügt über sechs Bewegungsachsen:drei Rotationsachsen (Rollen, Nicken und Gieren) und drei Translationsachsen (oben-unten, links-rechts und vorwärts-rückwärts). Sechsachsige Mobilität ist die Norm bei Industrieroboterarmen, die für den 3D-Druck verwendet werden. Einige Roboter-3D-Drucker können je nach beabsichtigter Anwendung mehr als sechs Achsen (oder weniger) haben.

Was ist ein Portalsystem für den 3D-Druck?

Ein Portalsystem für den 3D-Druck ist eine Struktur bestehend aus Balken und Gleitschienen, die einen Druckkopf/Extruder tragen und seine Bewegung beim Transport und Drucken führen. Die entscheidenden Funktionen sind Steifigkeit und Präzision, wodurch der Druckauftragspunkt genau innerhalb des Aufbaus platziert wird. Das Portalsystem ermöglicht eine größere Bauhöhe (und damit ein größeres Volumen) als Delta- oder kartesische Drucker. Gantry-Systeme sind grundsätzlich auf die meisten 3D-Drucktechniken anwendbar. Der Z-Achsen-Mechanismus, der die Drucktiefe ermöglicht, ist entweder das Ergebnis einer Bewegung des Portals, das einen Z-Achsen-Mechanismus trägt, oder das Ergebnis der Bewegung des Bautisches auf einem separaten Mechanismus.

Portalsysteme sind aufgrund ihrer inhärenten Steifigkeit und ihres großen Bauvolumenpotenzials sowohl in industriellen/professionellen als auch in Heim-/Hobbymaschinen weit verbreitet. Abbildung 2 ist ein Beispiel für ein Portalsystem für den 3D-Druck:

Häufig gestellte Fragen zu Roboterarmen vs. Portalsystemen

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

Der Hauptvorteil des Roboterarms gegenüber dem Portalsystem für den 3D-Druck ist seine große Reichweite/großes Bauvolumen bei großen Drucken. Der Transport eines großen Orthogonal-Gantry-Druckers auf eine Baustelle erfordert im Allgemeinen, dass er für den Transport zerlegt wird, was den Aufbau vor Ort äußerst schwierig macht. Ein Roboterarm lässt sich auf eine moderate Größe zusammenziehen und problemlos am vorgesehenen Bauort platzieren.

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

Portalbasierte 3D-Drucker kosten weniger in der Anschaffung, im Betrieb und in der Wartung als Maschinen auf Roboterarmbasis.

Welcher 3D-Druckertyp wird für den Bau verwendet?

Abhängig von einer Reihe von Faktoren wie der Größe werden für den Gebäudebau sowohl Portal- als auch Roboterarm-3D-Druckertypen verwendet. Der Einbau vor Ort wird häufiger von Druckern mit Roboterarm durchgeführt, wohingegen die Komponentenfertigung an einem festen Standort mit einer Maschine auf Portalbasis praktischer ist.

Welcher 3D-Druckertyp wird für den Metalldruck verwendet?

Die meisten Metall-3D-Drucker (insbesondere solche, die auf Powder Bed Fusion basieren) verwenden rotierende Laser und Spiegel, die den Laser auf das Bett richten. Es handelt sich weder um Roboter- noch um Portalsysteme. Sie arbeiten im Allgemeinen in kontrollierten Umgebungen mit Inertgasen und eignen sich besser für kleinere Teile.

Bei bestimmten Metalldrucktechnologien, insbesondere bei der Herstellung größerer Teile, können jedoch Roboterarme eingesetzt werden. WAAM-Systeme (Wire Arc Additive Manufacturing) verfügen häufig über einen Lichtbogenschweißer, der an einem Roboterarm montiert ist.

Die Vorteile des roboterarmbasierten Druckens in größeren Maschinen machen dies zu einer praktischen, aber nicht üblichen Option, an der der Markt (und daher auch die Maschinenhersteller) ein erhöhtes Interesse zeigen.

Müssen diese 3D-Drucker gewartet werden?

Ja, alle 3D-Drucker erfordern eine umfangreiche regelmäßige Wartung, um zuverlässige Präzision zu liefern. In mancher Hinsicht erfordern 3D-Roboterarmdrucker weniger regelmäßige Wartung, diese Wartung ist jedoch erheblich komplexer und teurer.

Haben diese 3D-Drucker eine begrenzte druckbare Fläche?

Die meisten 3D-Drucker haben Einschränkungen in den bebaubaren Bereichen, 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 erfolgt und die benötigten Teile verfügbar bleiben. Diese Maschinen werden weiterhin funktionieren, solange sie wirtschaftlich sind. In diesem Sektor kommt es schnell zu einer Veralterung, da Maschinen durch Neuentwicklungen in der Leistung übertroffen oder in den Druckkosten gemindert werden. Daher ist es wahrscheinlich, dass die wirtschaftliche Nutzbarkeit der Maschinen der entscheidende Faktor für ihren weiteren Betrieb sein wird.

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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