Sistemas de pórtico em impressão 3D:benefícios, desvantagens e principais considerações

Os sistemas de pórtico são uma abordagem para criar um sistema de movimento de precisão para máquinas-ferramentas, como impressoras 3D, cortadores a laser e roteadores CNC. A terminologia não fornece uma definição precisa de uma estrutura, já que várias abordagens para a criação de pórticos de movimento de precisão divergem em aspectos importantes. Os sistemas de pórtico também podem ser usados para pontos sistemas de impressão de aplicativos, como FDM/FFF ou sistema MetalX da Desktop Metal, mas também são usados para suportar área cabeçotes de impressão para aplicações como OBJET, sistemas de jato de ligantes e até mesmo fabricação de objetos laminados (LOM).

Em alguns aspectos, os braços robóticos usados na fabricação aditiva robótica também podem ser considerados um sistema de pórtico, apesar de muitas vezes usarem geometria de coordenadas parcialmente polares em vez de posicionamento ortogonal de 3 eixos. Geralmente, isso só é aplicável se o próprio robô estiver montado em um pórtico.

Este artigo discutirá o que é um sistema de pórtico para impressão 3D, bem como suas vantagens e desvantagens.

O que é um sistema de pórtico para impressão 3D?

Os sistemas Gantry suportam o cabeçote de impressão 3D de aplicação pontual ou de área. Ele fornece pelo menos alguns dos eixos de movimento que permitem que o cabeçote atravesse a área de construção para colocar a aplicação do material precisamente no ponto necessário na construção. Freqüentemente, um ou mais eixos são controlados pelo movimento da mesa. Contudo, este é montado na estrutura do pórtico e pode ser considerado essencialmente parte integrante do pórtico. Para obter mais informações, consulte nosso guia sobre Como funciona a impressão 3D.

Quais são as vantagens dos sistemas de pórtico para projetos de impressão 3D?

Existem várias vantagens em construir uma impressora 3D baseada no uso de um sistema de pórtico, incluindo:

1. Amplamente considerado um método de baixo custo para fornecer posicionamento preciso e controle de movimento sobre o cabeçote de impressão ou extrusora de uma impressora 3D. Isso permite que uma estrutura de custo relativamente baixo forneça posicionamento e controle precisos e repetíveis de movimento rápido. Isso resulta em melhor reprodução do arquivo a ser impresso sem a necessidade de equipamentos de alto custo.
2. Permite que o cabeçote de impressão ou extrusora acelere e desacelere rapidamente, sem deslocamento devido a forças de reação. Permitindo um posicionamento mais rápido do cabeçote de impressão em movimento entre as operações de impressão reduzem o tempo geral de impressão.
3. Pode ser usado para acomodar variações de tamanhos e formatos de base de impressão sem grande reformulação. Isso permite a uniformidade de peças e controles de movimento em uma variedade de tamanhos de máquinas. Como a maioria dos pórticos são feitos de materiais extrudados ou cortados a laser e dobrados, o aumento do tamanho da máquina pode ser alcançado simplesmente alongando os membros estruturais e os mecanismos de acionamento. Esta opção é limitada apenas pela perda de rigidez que eventualmente resultará em um movimento menos preciso.
4. A construção rígida de um sistema de pórtico deve ser projetada para proporcionar estabilidade estrutural durante as operações de impressão e particularmente durante os movimentos de posicionamento. Isto reduz o risco de oscilações que, de outra forma, perturbariam a qualidade da impressão.
5. Ofereça acesso aberto às peças de acionamento, rolamento e transmissão. Isso torna as máquinas baseadas em pórtico mais fáceis de manter. O design que envolve o mínimo de peças móveis e mecanismos visíveis e acessíveis também facilita a limpeza e a inspeção.

Quais são as desvantagens de um sistema de pórtico para projetos de impressão 3D?

Os sistemas de pórtico têm várias vantagens na construção e operação de impressoras 3D, incluindo:

1. Sistemas de pórticos mais complexos e rígidos podem ser bastante grandes e pesados. Isso os torna difíceis de colocar e mover e requer maior espaço para instalação.
2. Máquinas maiores construídas com sistemas de pórtico podem ser mais caras do que outras abordagens à estrutura da máquina, devido ao seu tamanho e complexidade.
3. Máquinas com sistemas de pórtico em forma de cubo podem restringir o acesso do usuário à base de impressão. Isso obstrui a remoção das impressões finalizadas ou dificulta os ajustes necessários durante o processo de impressão para os usuários.
4. As impressoras de pórtico aberto podem produzir mais ruído e vibrações durante a impressão, principalmente ao amplificar a ressonância dos motores de passo que geralmente são montados nas peças da estrutura. Isso pode distrair ou atrapalhar em ambientes silenciosos.

Quais são os diferentes tipos de sistemas de pórtico para impressão 3D?

Há uma variedade de sistemas de pórtico específicos que são empregados no mercado de impressão 3D. Isso inclui:

1. Cabeça Cartesiana-XY

Um sistema de pórtico de cabeça cartesiana XY é um tipo de sistema de controle de movimento comumente usado em impressoras 3D (e em uma ampla variedade de outras classes de máquinas CNC). Esta abordagem de construção move o cabeçote de impressão ou extrusora ao longo do eixo X do pórtico e move o eixo Y movendo todo o pórtico. Isto pode envolver a movimentação de uma massa elevada no eixo Y e pode resultar num maior risco de vibrações da máquina, especialmente durante manobras de alta aceleração.

Nesse sistema de pórtico, a base de impressão é fixa e o cabeçote de impressão ou extrusora se move ao longo de dois eixos perpendiculares, normalmente funcionando em eixos terrestres com rolamentos lineares de esferas recirculantes. Versões mais caras geralmente usam trilhos em V com rolamentos de rolos com ranhuras em V externamente como guias, resultando em desgaste reduzido do rolamento. O eixo X geralmente é definido como através é a máquina, enquanto o eixo Y está orientado para trás/para frente em relação ao dispositivo. O eixo Z posiciona a altura vertical do cabeçote de impressão ou extrusora e é conduzido no movimento X do pórtico.

Os sistemas de pórtico Cartesiano-XY são simples e fáceis de construir e operar. Eles também fornecem boa precisão e repetibilidade, permitindo um posicionamento de alta precisão do cabeçote de impressão. No entanto, apresentam limitações em termos de velocidade e aceleração e podem carecer de rigidez em alguns aspectos.

2. Cruzado estilo Ultimaker

O sistema de pórtico cruzado estilo Ultimaker é uma estrutura mecânica e um sistema de movimento de eixo menos comumente usado em impressão 3D. Possui dois pórticos paralelos que posicionam o cabeçote de impressão ou extrusora ao longo dos eixos X e Y. Os pórticos são conectados por uma barra transversal, que visa estabilizar o movimento ao longo de ambos os eixos, compartilhando rigidez. O movimento do eixo Z geralmente é realizado nesses dois eixos, em vez de delegado a uma base de impressão ascendente e descendente.

Neste sistema, a base de impressão é normalmente fixa e estável. O cabeçote de impressão ou extrusora se move ao longo dos eixos X e Y. Eles são acionados por motores de passo que transmitem movimento através de correias dentadas. Os dois pórticos podem mover-se simultaneamente. Isto permite uma curvatura suave e um movimento livre de solavancos entre as operações de impressão, uma vez que as mudanças direcionais repentinas são minimizadas. A abordagem também oferece boa estabilidade durante a impressão, beneficiando a qualidade dos resultados impressos.

Esta abordagem de projeto é mais complexa e requer mais esforço de configuração e calibração do que projetos mais simples. Isto é particularmente afetado pelos acionamentos por correia que exigem um alinhamento muito bom para garantir um movimento preciso e repetível. Alguns usuários também relatam dificuldade de acesso à base de impressão para fazer ajustes durante a impressão, pois os dois pórticos podem bloquear o acesso em alguns momentos durante a impressão.

3. CoreXY

Um sistema de pórtico CoreXY é uma estrutura usada no projeto de impressoras 3D que possui motores de passo estacionários para acionar os eixos X e Y. Isto reduz a massa em movimento no pórtico durante os movimentos do eixo Y, uma vez que o acionamento do eixo Y permanece fixo no lugar. Isto permite maior aceleração e movimentos mais precisos da cabeça de impressão, proporcionando resultados impressos de maior qualidade.

O sistema CoreXY funciona usando uma série de polias e correias recirculantes (loop) dispostas de modo que as correias de transmissão se cruzem no núcleo ou centro do sistema. O acionamento das correias dentadas move o cabeçote de impressão nas direções X e Y com menor inércia.

Mover menos massa permite uma estrutura de pórtico mais leve. Há menos massa em movimento para resistir em momentos de alta aceleração. Esta abordagem é mais sensível à tensão da correia e às condições de deslizamento do que outros sistemas e pode ser complexa de configurar e calibrar. A capacidade de aceleração é considerada uma vantagem suficiente para compensar os problemas de configuração, por isso este sistema é popular entre alguns usuários na categoria mais avançada.

4. Cabeça cartesiana estilo i3 XZ

O Cartesian-XZ-Head estilo i3 é amplamente utilizado no design de impressoras 3D. Nesta abordagem, a própria plataforma de impressão é levantada e abaixada (movimento do eixo Z), enquanto o cabeçote de impressão é transportado separadamente no pórtico para o eixo X. A extrusora é montada em um carro que se move ao longo do eixo X em eixos retificados com precisão, usando buchas esféricas recirculantes. Em máquinas maiores e mais caras, os trilhos podem ser em forma de V, com rolamentos de rolos rodando nesses trilhos. Trilhos lineares e rolamentos deslizantes também podem ser usados ​​para maior precisão.

Em uma impressora 3D tipo i3, o eixo Y é normalmente uma base móvel, que se move para frente e para trás enquanto o pórtico controla o eixo X. Isso é comumente conhecido como impressora 3D do tipo “bedslinger”.

Este design é simples e fácil de construir, tornando-o uma escolha popular para impressoras 3D domésticas/hobby. Ele oferece boa exatidão e precisão em máquinas menores, mas geralmente requer moderação na aceleração e nas mudanças de direção devido à rigidez relativamente baixa e à alta inércia.

A principal desvantagem deste projeto é que pode ser muito difícil manter um leito nivelado e obter espessuras de camada consistentes. A baixa rigidez, em comparação com outros designs de impressora 3D de preço mais alto, pode ter efeitos muito significativos em velocidades/acelerações de eixo mais altas.

5. H-Bot

O H-bot é um sistema de pórtico empregado em algumas impressoras 3D. Utiliza acionamentos por correia e trilhos lineares em um layout que, semelhante ao sistema CoreXY, possui motores estacionários para acionar os eixos X e Y.

As duas correias para X e Y têm a forma de um “H”. O movimento do eixo X é resultado do movimento combinado de ambas as correias agindo em uníssono, enquanto o movimento do eixo Y é obtido pelo movimento coordenado de ambas as correias.

Dependendo do projeto, o eixo Z pode elevar/abaixar o pórtico ou pode elevar/abaixar a base de impressão.

O layout H-bot pode ser mais estável e rígido do que outros designs de impressora 3D, proporcionando resultados impressos de maior qualidade. Os motores estacionários reduzem a inércia do sistema, permitindo maiores acelerações e exigindo menor rigidez para uma boa estabilidade.

O design do H-bot é complicado de configurar e difícil de calibrar e é relatado como exigindo mais manutenção. Qualquer leve folga que se desenvolva nas correias prejudicará significativamente a precisão X-Y, o que é um problema específico na manutenção, pois as correias podem esticar. No entanto, quando bem conservado, o H-bot é um sistema de pórtico eficaz, capaz de fornecer alta qualidade e alta velocidade.

Como um sistema de pórtico é mantido?

Os sistemas de acionamento do eixo da impressora 3D precisam de verificações e manutenção regulares para garantir uma operação eficaz. É aconselhável verificar o procedimento de manutenção recomendado pelo OEM. Listadas abaixo estão algumas dicas gerais sobre como manter um sistema de pórtico:

1. Verifique regularmente as tensões da correia de transmissão. Correias excessivamente apertadas causam desgaste excessivo e correias soltas influenciam a precisão e a repetibilidade.
2. Certifique-se de que todas as superfícies dos rolamentos estejam lubrificadas para manter o movimento suave e reduzir o desgaste. Use o lubrificante recomendado pelo fabricante e não lubrifique demais.
3. Verifique as correias de transmissão quanto a desgaste, desgaste, rachaduras e alongamento. 
4. Garanta o alinhamento da correia intermediária e das polias motrizes. O desalinhamento fará com que as correias escorreguem ou se desgastem mais rapidamente e pode afetar a capacidade de resposta do eixo ou superaquecer os motores.
5. A temperatura dos motores de passo do acionamento do eixo pode ser um indicador de problemas no acionamento. Observar motores quentes pode ajudar a alertar o usuário sobre uma série de problemas.
6. Limpe toda a impressora, concentrando-se principalmente no sistema de acionamento do eixo. A maior parte do desgaste (e falhas posteriores) é resultado direto de sujeira nas peças móveis e de rolamento.

Como funciona um sistema de pórtico para impressão 3D?

O sistema de pórtico fornece a capacidade de transporte e acionamento que move o cabeçote de impressão. O processo específico varia dependendo do tipo de sistema de pórtico para impressão 3D. Os sistemas de pórtico em impressoras 3D se enquadram em quatro categorias básicas:

1. Em impressoras FDM/FFF de mesa, o pórtico geralmente é um arco que carrega o cabeçote de impressão. Ele move o cabeçote de impressão axialmente pela mesa de impressão (na direção X) e o levanta e abaixa (direção Z). O eixo Y de movimento é então controlado pelo movimento da mesa de construção. Isso permite que o pórtico fique estacionário no eixo Y, reduzindo a necessidade de rigidez estrutural.
2. Em outras impressoras FDM/FFF, o eixo Y é manipulado movendo todo o pórtico no eixo Y. Isto requer que o pórtico seja mais rígido na direção Y para evitar oscilações no eixo Y à medida que acelera e desacelera.
3. A forma mais rígida da estrutura do pórtico que permitirá uma travessia mais rápida sem balanço ou oscilação é uma estrutura cúbica que mantém rígido o movimento de todos os três eixos. Este sistema é mais comumente usado em máquinas de médio e grande porte. Ele pode fornecer movimento e aceleração mais rápidos com resultados de posicionamento de cabeçote de impressão de maior precisão.

Quanto tempo duram os sistemas de pórtico de impressão 3D?

As impressoras 3D baseadas em pórtico podem ter uma vida útil funcional essencialmente ilimitada, com condições. Estas condições são que a manutenção seja regular e completa, as peças permaneçam disponíveis e haja um valor comercial na realização da manutenção e dos reparos necessários. As impressoras 3D baseadas em pórtico são um agrupamento de peças funcionais e estruturais, e a durabilidade geral do sistema depende do elo mais fraco.

Os sistemas de pórtico são capazes de imprimir casas?

A impressão 3D pode de fato construir casas e outras estruturas grandes. A impressão 3D de edifícios é uma área de pesquisa crescente e de tentativas iniciais de comercialização. Existem vários exemplos de casas e outros edifícios cívicos que foram impressos em 3D, normalmente usando impressoras de concreto baseadas em pórticos ou braços robóticos móveis.

Os sistemas de impressora 3D usados para realizar esta tarefa operam de forma semelhante à impressão FDM/FFF, extrusando um cordão de concreto como um trilho a partir do qual uma estrutura completa pode ser impressa. Alguns aspectos são atualmente realizados por intervenção manual. Itens como vergas de janelas e portas devem ser montados manualmente, pois atualmente não é possível imprimir “suporte” sob saliências.

As abordagens atualmente adotadas só podem imprimir paredes verticais e não podem lidar com estruturas de telhado. Todos os outros aspectos – desde encanamento e eletricidade, passando pela instalação e revestimento de janelas e todas as tarefas de acabamento são manuais, sem perspectiva imediata de automatização.

Os sistemas Gantry têm área de impressão limitada?

Sim, há um volume muito restrito dentro o pórtico que pode ser impresso. O pórtico é uma estrutura que geralmente fica consideravelmente fora da área/volume imprimível de uma máquina de impressão 3D típica. 

Os sistemas Gantry dependem de software 3D?

As impressoras 3D baseadas em pórtico (como todas as impressoras 3D) dependem fortemente de vários tipos de software 3D para produzir as peças finais.

O CAD 3D deve ser usado na fase de projeto para produzir os modelos para impressão. Em seguida, o modelo deve ser fatiado em um software slicer para que o modelo seja impresso em camadas. As camadas fatiadas normalmente são convertidas em código G, para instruir a impressora 3D sobre qual caminho o cabeçote da ferramenta deve seguir para imprimir a forma final. Isso é conhecido como “percurso” tanto na impressão 3D quanto na usinagem CNC.

Quais são as diferenças entre os vários sistemas de pórtico para impressão 3D?

Existem algumas diferenças importantes entre os diferentes sistemas de pórtico disponíveis para impressão 3D. Existem vários tipos de sistemas de pórtico empregados na construção de impressoras 3D, cada um com seus pontos fortes e fracos. As principais diferenças são:

1. Rigidez: A flexibilidade adicional reduz a tolerância à aceleração de uma impressora, pois altas acelerações perturbarão a estrutura e induzirão vibrações/oscilações que podem perturbar o processo de impressão.
2. Peso: O peso maior da máquina pode ser uma vantagem para ajudar na estabilidade. Maior movimento partes o peso, no entanto, requer forças de acionamento maiores e maior rigidez para evitar tremores em pontos de aceleração ou mudanças de direção.
3. Custo: Estruturas mais leves e simples custam menos, mas uma estrutura insuficiente resultará em baixa precisão e baixo desempenho.
4. Manutenção: Alguns sistemas de pórtico permitem fácil manutenção, enquanto outros podem tornar o processo muito mais difícil.

Para saber mais, consulte nosso guia completo sobre braço robótico vs. sistema de pórtico para impressão 3D.

Resumo

Este artigo apresentou sistemas de pórtico, explicou o que são e discutiu como funcionam e os vários tipos. Para saber mais sobre sistemas de pórtico, entre em contato com um representante da Xometry.

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Dean McClements

Dean McClements é graduado em Engenharia Mecânica com mais de duas décadas de experiência na indústria de manufatura. Sua jornada profissional inclui funções significativas em empresas líderes como Caterpillar, Autodesk, Collins Aerospace e Hyster-Yale, onde desenvolveu um profundo conhecimento de processos e inovações de engenharia.

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