Sistemas de pórtico en impresión 3D:ventajas, desventajas y consideraciones clave

Los sistemas de pórtico son un enfoque para crear un sistema de movimiento de precisión para máquinas herramienta, como impresoras 3D, cortadoras láser y enrutadores CNC. La terminología no proporciona una definición precisa de estructura, ya que varios enfoques para crear pórticos de movimiento de precisión divergen en aspectos clave. Los sistemas de pórtico también se pueden utilizar para punto sistemas de impresión de aplicaciones como FDM/FFF o el sistema MetalX de Desktop Metal, pero también se utilizan para soportar área cabezales de impresión para aplicaciones como OBJET, sistemas de inyección de aglutinante e incluso fabricación de objetos laminados (LOM).

En algunos aspectos, los brazos robóticos utilizados en la fabricación aditiva robótica también pueden considerarse un sistema de pórtico a pesar de que a menudo utilizan una geometría de coordenadas parcialmente polar en lugar de un posicionamiento ortogonal de 3 ejes. Por lo general, esto solo es aplicable si el robot está montado en un pórtico.

En este artículo se analizará qué es un sistema pórtico para impresión 3D, así como sus ventajas y desventajas.

¿Qué es un sistema pórtico para impresión 3D?

Los sistemas de pórtico admiten el cabezal de impresión 3D de aplicación puntual o de área. Proporciona al menos algunos de los ejes de movimiento que permiten que el cabezal atraviese el área de construcción para colocar la aplicación del material precisamente en el punto requerido de la construcción. A menudo, uno o más ejes son manejados por el movimiento de la mesa. Sin embargo, éste está montado en el marco del pórtico y puede considerarse esencialmente integral al pórtico. Para obtener más información, consulte nuestra guía sobre Cómo funciona la impresión 3D.

¿Cuáles son las ventajas de los sistemas pórtico para proyectos de impresión 3D?

Construir una impresora 3D basada en el uso de un sistema de pórtico tiene varias ventajas, entre ellas:

1. Ampliamente considerado como un método de bajo costo para proporcionar un posicionamiento preciso y control de movimiento sobre el cabezal de impresión o el extrusor de una impresora 3D. Esto permite una estructura de costo relativamente bajo para proporcionar un posicionamiento y control de movimientos rápidos precisos y repetibles. Esto da como resultado una mejor reproducción del archivo que se imprime sin necesidad de equipos costosos.
2. Permite que el cabezal de impresión o el extrusor acelere y desacelere rápidamente, sin perder posición debido a las fuerzas de reacción. Permitiendo un posicionamiento más rápido del cabezal de impresión en movimiento entre Las operaciones de impresión reducen los tiempos generales de impresión.
3. Se puede utilizar para adaptarse a variaciones de tamaños y formas de lechos de impresión sin necesidad de un rediseño importante. Esto permite la uniformidad de piezas y controles de movimiento en una gama familiar de tamaños de máquinas. Como la mayoría de los pórticos están hechos de materiales extruidos o cortados y plegados con láser, se puede lograr un tamaño cada vez mayor de la máquina simplemente alargando los miembros estructurales y los mecanismos de accionamiento. Esta opción sólo está limitada por la pérdida de rigidez que eventualmente resultará en un movimiento menos preciso.
4. La construcción rígida de un sistema de pórtico debe diseñarse para proporcionar estabilidad estructural durante las operaciones de impresión y particularmente durante los movimientos de posicionamiento. Esto reduce el riesgo de oscilaciones que, de otro modo, alterarían la calidad de la impresión.
5. Ofrecer acceso abierto a piezas de transmisión, rodamientos y transmisión. Esto hace que las máquinas basadas en pórtico sean más fáciles de mantener. El diseño que incluye piezas móviles mínimas y mecanismos visibles y accesibles también facilita la limpieza e inspección.

¿Cuáles son las desventajas de un sistema de pórtico para proyectos de impresión 3D?

Los sistemas de pórtico tienen varias ventajas en la construcción y operación de impresoras 3D, que incluyen:

1. Los sistemas de pórtico más complejos y rígidos pueden ser bastante grandes y pesados. Esto dificulta su colocación y movimiento y requiere mayor espacio para su instalación.
2. Las máquinas más grandes construidas con sistemas de pórtico pueden ser más costosas que otros enfoques de estructura de máquinas, debido a su tamaño y complejidad.
3. Las máquinas con sistemas de pórtico en forma de cubo pueden restringir el acceso del usuario a la plataforma de impresión. Esto obstruye la eliminación de impresiones terminadas o dificulta a los usuarios los ajustes necesarios durante el proceso de impresión.
4. Las impresoras de pórtico abierto pueden producir más ruido y vibraciones durante la impresión, particularmente al amplificar la resonancia de los motores paso a paso que generalmente están montados firmemente en las piezas del marco. Esto puede distraer o perturbar en entornos que de otro modo serían tranquilos.

¿Cuáles son los diferentes tipos de sistemas de pórtico para impresión 3D?

Existe una variedad de sistemas de pórtico específicos que se emplean en todo el mercado de la impresión 3D. Esto incluye:

1. Cabeza cartesiana XY

Un sistema de pórtico con cabezal cartesiano XY es un tipo de sistema de control de movimiento comúnmente utilizado en impresoras 3D (y una amplia variedad de otras clases de máquinas CNC). Este enfoque de construcción mueve el cabezal de impresión o extrusor a lo largo del eje X del pórtico y mueve el eje Y moviendo todo el pórtico. Esto puede implicar mover una gran masa en el eje Y y puede resultar en un mayor riesgo de vibraciones de la máquina, especialmente durante maniobras de alta aceleración.

En un sistema de pórtico de este tipo, la plataforma de impresión está fija y el cabezal de impresión o extrusor se mueve a lo largo de dos ejes perpendiculares, normalmente corriendo sobre ejes rectificados con cojinetes lineales de bolas de recirculación. Las versiones más caras suelen utilizar como guía carriles en V con rodamientos de rodillos con ranuras en V exteriores, lo que reduce el desgaste de los rodamientos. El eje X generalmente se define como acros s la máquina, mientras que el eje Y está orientado hacia adelante/atrás en relación con el dispositivo. El eje Z posiciona la altura vertical del cabezal de impresión o extrusor y se lleva a cabo en el movimiento X del pórtico.

Los sistemas de pórtico cartesiano-XY son simples y fáciles de construir y operar. También proporcionan buena precisión y repetibilidad, lo que permite un posicionamiento de alta precisión del cabezal de impresión. Sin embargo, tienen limitaciones en términos de velocidad y aceleración y pueden carecer de rigidez en algunos aspectos.

2. Cruzado estilo Ultimaker

El sistema de pórtico cruzado estilo Ultimaker es un sistema de movimiento de ejes y estructura mecánica que se usa con menos frecuencia en la impresión 3D. Cuenta con dos pórticos paralelos que posicionan el cabezal de impresión o extrusor a lo largo de los ejes X e Y. Los pórticos están conectados por una barra transversal, cuyo objetivo es estabilizar el movimiento a lo largo de ambos ejes compartiendo rigidez. El movimiento del eje Z generalmente se realiza en estos dos ejes en lugar de delegarse a una plataforma de impresión que sube y baja.

En este sistema, la plataforma de impresión suele ser fija y estable. El cabezal de impresión o extrusor se mueve a lo largo de los ejes X e Y. Son accionados por motores paso a paso que transmiten el movimiento a través de correas dentadas. Los dos pórticos pueden moverse simultáneamente. Esto permite una curvatura suave y un movimiento sin tirones entre operaciones de impresión, ya que se minimizan los cambios repentinos de dirección. Este enfoque también ofrece buena estabilidad durante la impresión, lo que beneficia la calidad de los resultados impresos.

Este enfoque de diseño es más complejo y requiere más esfuerzo de configuración y calibración que los diseños más simples. Esto se ve particularmente afectado por las transmisiones por correa que requieren una muy buena alineación para garantizar un movimiento preciso y repetible. Algunos usuarios también informan dificultades para acceder a la plataforma de impresión para realizar ajustes durante la impresión, ya que los dos pórticos pueden bloquear el acceso en ocasiones durante la impresión.

3. núcleoXY

Un sistema de pórtico CoreXY es una estructura utilizada en el diseño de impresoras 3D que tiene motores paso a paso estacionarios para impulsar los ejes X e Y. Esto reduce la masa en movimiento en el pórtico durante los movimientos del eje Y, ya que el accionamiento del eje Y permanece fijo en su lugar. Esto permite una mayor aceleración y movimientos más precisos del cabezal de impresión, proporcionando resultados impresos de mayor calidad.

El sistema CoreXY funciona mediante el uso de una serie de poleas y correas de recirculación (bucle) dispuestas de manera que las correas de transmisión se crucen entre sí en el núcleo o centro del sistema. Al accionar las correas dentadas se mueve el cabezal de impresión en las direcciones X e Y con menor inercia.

Mover menos masa permite una estructura de pórtico más ligera. Hay menos masa en movimiento para resistir en momentos de alta aceleración. Este enfoque es más sensible a la tensión de la correa y al estado de deslizamiento que otros sistemas y puede resultar complejo de configurar y calibrar. La capacidad de aceleración se considera una ventaja suficiente para compensar los problemas de configuración, por lo que este sistema es popular entre algunos usuarios de la categoría más avanzada.

4. Cabeza cartesiana XZ estilo i3

El cabezal cartesiano XZ estilo i3 se utiliza mucho en el diseño de impresoras 3D. En este enfoque, la propia plataforma de impresión se eleva y baja (movimiento del eje Z), mientras que el cabezal de impresión se transporta por separado en el pórtico para el eje X. La extrusora está montada sobre un carro que se mueve a lo largo del eje X sobre ejes rectificados con precisión, mediante casquillos de bolas de recirculación. En las máquinas más grandes y de mayor precio, los carriles pueden tener forma de V y sobre estos carriles se desplazan rodamientos de rodillos. También se pueden utilizar rieles lineales y cojinetes deslizantes para una mayor precisión.

En una impresora 3D tipo i3, el eje Y suele ser una plataforma móvil, que se mueve hacia adelante y hacia atrás mientras el pórtico controla el eje X. Esto se conoce comúnmente como un tipo de impresora 3D "de cama".

Este diseño es simple y fácil de construir, lo que lo convierte en una opción popular para las impresoras 3D domésticas o de hobby. Ofrece buena exactitud y precisión en máquinas más pequeñas, pero en general requiere moderación en la aceleración y los cambios de dirección debido a su rigidez relativamente baja y su alta inercia.

El principal inconveniente de este diseño es que puede resultar muy difícil mantener un lecho nivelado y lograr espesores de capa consistentes. La escasa rigidez, en comparación con otros diseños de impresoras 3D de mayor precio, puede tener efectos muy significativos a velocidades/aceleraciones de eje más altas.

5. H-Bot

El H-bot es un sistema de pórtico empleado en algunas impresoras 3D. Utiliza transmisiones por correa y rieles lineales en un diseño que, similar al sistema CoreXY, tiene motores estacionarios para impulsar los ejes X e Y.

Los dos cinturones para X e Y tienen la forma de una "H". El movimiento del eje X es el resultado del movimiento combinado de ambas correas que actúan al unísono, mientras que el movimiento del eje Y se logra mediante el movimiento coordinado de ambas correas.

Dependiendo del diseño, el eje Z puede subir/bajar el pórtico o puede subir/bajar la plataforma de impresión.

El diseño del H-bot puede ser más estable y rígido que otros diseños de impresoras 3D, lo que proporciona resultados impresos de mayor calidad. Los motores estacionarios reducen la inercia del sistema, lo que permite mayores aceleraciones y requiere menos rigidez para una buena estabilidad.

El diseño del H-bot es complicado de configurar y difícil de calibrar y, según se informa, requiere más mantenimiento. Cualquier ligera holgura que se desarrolle en las correas alterará significativamente la precisión X-Y, lo cual es un problema particular en el mantenimiento ya que las correas pueden estirarse. Sin embargo, cuando se mantiene bien, el H-bot es un sistema de pórtico eficaz capaz de ofrecer alta calidad y alta velocidad.

¿Cómo se mantiene un sistema de pórtico?

Los sistemas de accionamiento de ejes de impresoras 3D necesitan controles y mantenimiento periódicos para garantizar un funcionamiento eficaz. Es recomendable consultar con el procedimiento de mantenimiento recomendado por el OEM. A continuación se enumeran algunos consejos generales sobre cómo mantener un sistema de pórtico:

1. Compruebe periódicamente la tensión de la correa de transmisión. Las correas demasiado apretadas provocan un desgaste excesivo y las correas flojas influyen en la precisión y la repetibilidad.
2. Asegúrese de que todas las superficies de los cojinetes estén lubricadas para mantener un movimiento suave y reducir el desgaste. Utilice el lubricante recomendado por el fabricante y no lubrique demasiado.
3. Revise las correas de transmisión en busca de desgaste, deshilachado, agrietamiento y estiramiento. 
4. Asegúrese de la alineación de la correa tensora y las poleas motrices. La desalineación hará que las correas se deslicen o se desgasten más rápido y podría afectar la capacidad de respuesta del eje o sobrecalentar los motores.
5. La temperatura de los motores paso a paso del accionamiento del eje puede ser un indicador de problemas en el accionamiento. Estar atento a los motores calientes puede ayudar a advertir al usuario sobre una variedad de problemas.
6. Limpie toda la impresora, concentrándose particularmente en el sistema de transmisión del eje. La mayor parte del desgaste (y las fallas posteriores) es resultado directo de la suciedad en las piezas móviles y de cojinetes.

¿Cómo funciona un sistema de pórtico para la impresión 3D?

El sistema de pórtico proporciona el carro y la capacidad de accionamiento que mueve el cabezal de impresión. El proceso específico varía según el tipo de sistema de pórtico para impresión 3D. Los sistemas de pórtico en impresoras 3D se dividen en cuatro categorías básicas:

1. En las impresoras FDM/FFF de escritorio, el pórtico suele ser un arco que lleva el cabezal de impresión. Mueve el cabezal de impresión axialmente a través de la mesa de construcción (en la dirección X) y lo sube y baja (dirección Z). Luego, el eje de movimiento Y es manejado por el movimiento de la mesa de construcción. Esto permite que el pórtico esté estacionario en el eje Y, lo que reduce la necesidad de rigidez estructural.
2. En otras impresoras FDM/FFF, el eje Y se maneja moviendo todo el pórtico en el eje Y. Esto requiere que el pórtico sea más rígido en la dirección Y para evitar la oscilación en el eje Y a medida que acelera y desacelera.
3. La forma más rígida de estructura de pórtico que permitirá un recorrido más rápido sin balanceo ni oscilación es un marco de cubo que mantiene rígido el movimiento de los tres ejes. Este sistema se utiliza más comúnmente en máquinas de tamaño mediano y grande. Puede ofrecer movimientos y aceleraciones más rápidos con resultados de posicionamiento del cabezal de impresión de mayor precisión.

¿Cuánto duran los sistemas de pórtico de impresión 3D?

Las impresoras 3D basadas en pórtico pueden tener una vida útil esencialmente ilimitada, con ciertas condiciones. Estas condiciones son que el mantenimiento sea regular y exhaustivo, que las piezas permanezcan disponibles y que exista un valor comercial al realizar el mantenimiento y las reparaciones requeridas. Las impresoras 3D basadas en pórtico son una combinación de piezas funcionales y estructurales, y la durabilidad general del sistema depende del eslabón más débil.

¿Los sistemas de pórtico son capaces de imprimir casas?

De hecho, la impresión 3D puede construir casas y otras estructuras grandes. La impresión 3D de edificios es un área de creciente investigación y de primeros intentos de comercialización. Hay múltiples ejemplos de casas y otros edificios cívicos que se han impreso en 3D, normalmente utilizando impresoras de hormigón basadas en pórticos o brazos robóticos móviles.

Los sistemas de impresora 3D utilizados para realizar esta tarea funcionan de forma similar a la impresión FDM/FFF, extruyendo un cordón de hormigón como una pista a partir de la cual se puede imprimir una estructura completa. Algunos aspectos actualmente se realizan mediante intervención manual. Los elementos como los dinteles de ventanas y puertas deben montarse a mano, ya que actualmente no es posible realizar una impresión de "soporte" debajo de los voladizos.

Los enfoques que se están adoptando actualmente sólo pueden imprimir paredes verticales y no pueden manejar estructuras de techo. Todos los demás aspectos, desde plomería y electricidad, pasando por la instalación y revestimiento de ventanas y todas las tareas de acabado, son manuales, sin perspectivas inmediatas de automatizarlas.

¿Los sistemas de pórtico tienen un área imprimible limitada?

Sí, hay un volumen muy restringido dentro el pórtico que es imprimible. El pórtico es una estructura que generalmente se encuentra considerablemente fuera del área/volumen imprimible de una máquina de impresión 3D típica. 

¿Los sistemas de pórtico dependen del software 3D?

Las impresoras 3D basadas en pórtico (como todas las impresoras 3D) dependen en gran medida de varios tipos de software 3D para producir las piezas finales.

Se debe utilizar CAD 3D en la etapa de diseño para producir los modelos para imprimir. Luego, el modelo debe cortarse en un software de corte para que el modelo se imprima en capas. Las capas cortadas generalmente se convierten en código G, para indicarle a la impresora 3D qué ruta debe seguir el cabezal de la herramienta para imprimir la forma final. Esto se conoce como "trayectoria de herramienta" tanto en la impresión 3D como en el mecanizado CNC.

¿Cuáles son las diferencias entre los distintos sistemas de pórtico para impresión 3D?

Existen algunas diferencias importantes entre los diferentes sistemas de pórtico disponibles para la impresión 3D. Existen varios tipos de sistemas de pórtico empleados en la construcción de impresoras 3D, cada uno con sus propias ventajas y desventajas. Las principales diferencias son:

1. Rigidez: La flexibilidad adicional reduce la tolerancia a la aceleración de una impresora, ya que las altas aceleraciones alterarán la estructura e inducirán vibraciones/oscilaciones que pueden alterar el proceso de impresión.
2. Peso: Un mayor peso de la máquina puede ser una ventaja para ayudar con la estabilidad. movimiento más alto partes el peso, sin embargo, requiere mayores fuerzas motrices y mayor rigidez para evitar sacudidas en los puntos de aceleración o cambios de dirección.
3. Costo: Las estructuras más ligeras y simples cuestan menos, pero una estructura insuficiente dará como resultado una precisión baja y un rendimiento deficiente.
4. Mantenimiento: Algunos sistemas de pórtico permiten un mantenimiento sencillo, mientras que otros pueden dificultar mucho el proceso.

Para obtener más información, consulte nuestra guía completa sobre brazo robótico versus sistema de pórtico para impresión 3D.

Resumen

Este artículo presentó los sistemas de pórtico, explicó qué son y analizó cómo funcionan y los distintos tipos. Para obtener más información sobre los sistemas de pórtico, comuníquese con un representante de Xometry.

Xometry ofrece una amplia gama de capacidades de fabricación, incluida la impresión 3D y otros servicios de valor agregado para todas sus necesidades de producción y creación de prototipos. Visite nuestro sitio web para obtener más información o solicitar un presupuesto gratuito y sin compromiso.

Avisos de derechos de autor y marcas comerciales

1. OBJET® es una marca registrada de Stratasys, Inc.

Descargo de responsabilidad

El contenido que aparece en esta página web tiene fines únicamente informativos. Xometry no ofrece ninguna representación ni garantía de ningún tipo, ya sea expresa o implícita, en cuanto a la exactitud, integridad o validez de la información. No se debe inferir que ningún parámetro de rendimiento, tolerancias geométricas, características de diseño específicas, calidad y tipos de materiales o procesos representan lo que entregarán terceros proveedores o fabricantes a través de la red de Xometry. Los compradores que buscan cotizaciones de piezas son responsables de definir los requisitos específicos de esas piezas. Consulte nuestros términos y condiciones para obtener más información.

Dean McClements

Dean McClements es un Licenciado en Ingeniería Mecánica con honores y cuenta con más de dos décadas de experiencia en la industria manufacturera. Su trayectoria profesional incluye puestos importantes en empresas líderes como Caterpillar, Autodesk, Collins Aerospace y Hyster-Yale, donde desarrolló un profundo conocimiento de los procesos de ingeniería y las innovaciones.

Lea más artículos de Dean McClements