Sistemas Gantry en Impresión 3D: Beneficios, Inconvenientes y Consideraciones Clave

Los sistemas gantry son un enfoque para crear un sistema de movimiento de precisión para herramientas de máquina, como impresoras 3D, cortadoras láser y routers CNC. La terminología no proporciona una definición precisa de una estructura, ya que diversos enfoques para crear gantries de precisión divergen en aspectos clave. Los sistemas gantry también pueden usarse para sistemas de impresión de aplicación puntual como FDM/FFF o el sistema MetalX de Desktop Metal, pero también se usan para soportar cabezales de impresión de aplicación de área como los de OBJET, sistemas de chorro de aglutinante e incluso fabricación de objetos laminados (LOM).

En algunos aspectos, los brazos robóticos usados en fabricación aditiva robótica también pueden considerarse un sistema gantry a pesar de usar a menudo geometría de coordenadas parcialmente polares en lugar de posicionamiento ortogonal de 3 ejes. Esto es generalmente solo aplicable si el propio robot está montado en un gantry.

Este artículo discutirá qué es un sistema gantry para impresión 3D, así como sus ventajas y desventajas.

¿Qué es un Sistema Gantry para Impresión 3D?

Los sistemas gantry soportan el cabezal de impresión de aplicación puntual o de área 3D. Proporciona al menos algunos de los ejes de movimiento que permiten al cabezal recorrer el área de construcción para colocar la aplicación de material precisamente en el punto requerido en la construcción. A menudo, uno o más ejes son manejados por el movimiento de la mesa. Esta está montada en el marco del gantry, sin embargo, y puede considerarse esencialmente integral al gantry. Para más información, consulte nuestra guía sobre Cómo Funciona la Impresión 3D.

¿Cuáles son las Ventajas de los Sistemas Gantry para Proyectos de Impresión 3D?

Hay varias ventajas para construir una impresora 3D basada en un sistema gantry, incluyendo:

1. Ampliamente considerado como un método de bajo costo para proporcionar posicionamiento preciso y control de movimiento sobre el cabezal de impresión o extrusor de una impresora 3D. Esto permite una estructura de costo relativamente bajo para proporcionar posicionamiento y control de movimiento rápido precisos y repetibles. Esto resulta en mejor reproducción del archivo que se imprime sin necesidad de equipo de alto costo.
2. Permite que el cabezal de impresión o extrusor acelere y desacelere rápidamente, sin desplazamiento erróneo debido a fuerzas de reacción. Permitir un posicionamiento más rápido del cabezal de impresión en movimiento entre operaciones de impresión reduce los tiempos totales de impresión.
3. Puede usarse para acomodar variaciones de tamaños y formas de cama de impresión sin rediseño mayor. Esto permite la comúnidad de piezas y controles de movimiento sobre una familia de tamaños de máquina. Como la mayoría de los gantries están hechos de materiales extruidos o cortados por láser y plegados, aumentar el tamaño de la máquina se puede lograr simplemente alargando los miembros estructurales y mecanismos de accionamiento. Esta opción solo está limitada por la pérdida de rigidez que eventualmente resultará en un movimiento menos preciso.
4. La construcción rígida de un sistema gantry debe diseñarse para proporcionar estabilidad estructural durante operaciones de impresión y particularmente durante movimientos de posicionamiento. Esto reduce el riesgo de oscilaciones que de otro modo perturbarían la calidad de la impresión.
5. Ofrecen acceso abierto a piezas de accionamiento, rodamientos y transmisión. Esto hace que las máquinas basadas en gantry sean más fáciles de mantener. El diseño que involucra partes móviles mínimas y mecanismos visibles y accesibles también facilita la limpieza e inspección.

¿Cuáles son las Desventajas de un Sistema Gantry para Proyectos de Impresión 3D?

Los sistemas gantry tienen varias desventajas en la construcción y operación de impresoras 3D, incluyendo:

1. Los sistemas gantry más complejos y rígidos pueden ser bastante grandes y pesados. Esto los hace difíciles de colocar y mover y requiere espacio más grande para instalación.
2. Máquinas más grandes construidas usando sistemas gantry pueden ser más costosas que otros enfoques a la estructura de máquina, debido a su tamaño y complejidad.
3. Máquinas con sistemas gantry de forma cúbica pueden restringir el acceso del usuario a la cama de impresión. Esto obstruye la remoción de impresiones terminadas o hace difíciles los ajustes necesarios durante el proceso de impresión para los usuarios.
4. Las impresoras gantry abiertas pueden producir más ruido y vibraciones durante la impresión, particularmente amplificando la resonancia de motores paso a paso que usualmente están montados rígidamente a las partes del marco. Esto puede ser distractor o disruptivo en entornos otherwise tranquilos.

¿Cuáles son los Diferentes Tipos de Sistemas Gantry para Impresión 3D?

Hay una gama de sistemas gantry específicos que se emplean en el mercado de impresión 3D. Esto incluye:

1. Cartesian-XY-Head

Un sistema gantry Cartesian-XY-head es un tipo de sistema de control de movimiento comúnmente usado 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 gantry y mueve el eje Y moviendo todo el gantry. Esto puede involucrar mover una masa alta en el eje Y y puede resultar en mayor riesgo de vibraciones de la máquina, especialmente durante maniobras de alta aceleración.

En tal sistema gantry, la cama de impresión es fija y el cabezal de impresión o extrusor se mueve a lo largo de dos ejes perpendiculares, típicamente funcionando en ejes rectificados con rodamientos lineales de bolas recirculantes. Versiones de mayor precio a menudo usan rieles V con rodamientos de rodillos con ranura V externa como guías, resultando en menor desgaste de rodamientos. El eje X se define usualmente como transversal a la máquina, mientras que el eje Y está orientado hacia atrás/adelante relativo al dispositivo. El eje Z posiciona la altura vertical del cabezal de impresión o extrusor y es transportado en el movimiento X del gantry.

Los sistemas gantry Cartesian-XY son simples y fáciles de construir y operar. También proporcionan buena precisión y repetibilidad, permitiendo 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. Estilo Ultimaker Cruzado

El sistema gantry estilo Ultimaker cruzado es una estructura mecánica y sistema de movimiento de ejes menos comúnmente usado en impresión 3D. Cuenta con dos gantries paralelos que posicionan el cabezal de impresión o extrusor a lo largo de los ejes X e Y. Los gantries están conectados por una barra transversal, que tiene la intención de estabilizar el movimiento a lo largo de ambos ejes compartiendo rigidez. El movimiento del eje Z usualmente se transporta en estos dos ejes en lugar de delegarse a una cama de impresión que sube y baja.

En este sistema, la cama de impresión es típicamente fija y estable. El cabezal de impresión o extrusor se mueve a lo largo de ambos ejes X e Y. Son impulsados por motores paso a paso transmitiendo movimiento a través de correas dentadas. Los dos gantries pueden moverse simultáneamente. Esto permite curvatura suave y movimiento sin tirones entre operaciones de impresión, ya que los cambios direccionales repentinos se minimizan. El enfoque también ofrece buena estabilidad durante la impresión, beneficiando la calidad de los resultados impresos.

Este enfoque de diseño es más complejo y requiere más esfuerzo en configuración y calibración que diseños más simples. Esto se ve particularmente afectado por las correas de accionamiento que requieren muy buena alineación para asegurar movimiento preciso y repetible. Algunos usuarios también reportan dificultad para acceder a la cama de impresión para hacer ajustes durante la impresión, ya que los dos gantries pueden bloquear el acceso a veces durante la impresión.

3. CoreXY

Un sistema gantry CoreXY es una estructura usada en 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 gantry durante movimientos del eje Y, ya que el accionamiento del eje Y permanece fijo en su lugar. Esto permite mayor aceleración y movimientos más precisos del cabezal de impresión, proporcionando resultados impresos de mayor calidad.

El sistema CoreXY funciona usando una serie de poleas y correas recirculantes (de bucle) dispuestas de modo que las correas de accionamiento se cruzan entre sí en el núcleo o centro del sistema. Impulsar las correas dentadas mueve el cabezal de impresión en ambas direcciones X e Y con menor inercia.

Mover menos masa permite una estructura de gantry 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 condición de deslizamiento que otros sistemas y puede ser complejo de configurar y calibrar. La capacidad de aceleración se considera suficiente ventaja para superar los problemas de configuración, por lo que este sistema es popular entre algunos usuarios en la categoría más avanzada.

4. Estilo i3 Cartesian-XZ-Head

El estilo i3 Cartesian-XZ-Head es muy ampliamente usado en diseño de impresoras 3D. En este enfoque, la plataforma de impresión en sí es levantada y bajada (movimiento del eje Z), mientras que el cabezal de impresión es transportado separadamente en el gantry para el eje X. El extrusor está montado en un carro que se mueve a lo largo del eje X en ejes rectificados de precisión, usando bujes de bolas recirculantes. En máquinas más grandes y de mayor precio, los rieles pueden ser en forma V, con rodamientos de rodillos funcionando en estos rieles. Rieles lineales y rodamientos deslizantes también pueden usarse para mayor precisión.

En una impresora 3D tipo i3, el eje Y es típicamente una cama móvil, que se mueve hacia adelante y atrás mientras el gantry controla el eje X. Esto se refiere comúnmente como un tipo de impresora 3D "bedslinger" (lanzacamas).

Este diseño es simple y fácil de construir, haciéndolo una opción popular para impresoras 3D caseras/de aficionados. Entrega buena precisión y exactitud en máquinas más pequeñas, pero generalmente requiere moderación en aceleración y cambios de dirección debido a rigidez relativamente baja e inercia alta.

El inconveniente principal de este diseño es que puede ser muy difícil mantener una cama nivelada y lograr espesores de capa consistentes. La pobre rigidez, comparada con otros diseños de impresoras 3D de mayor precio, puede tener efectos muy significativos a velocidades/aceleraciones de ejes más altas.

5. H-Bot

El H-bot es un sistema gantry empleado en algunas impresoras 3D. Usa accionamientos por correa y rieles lineales en una disposición que, similar al sistema CoreXY, tiene motores estacionarios para impulsar los ejes X e Y.

Las dos correas para X e Y forman la forma de una "H." El movimiento del eje X es resultado del movimiento combinado de ambas correas actuando en unísono, mientras que el movimiento del eje Y se logra por el movimiento coordinado de ambas correas.

Dependiendo del diseño, el eje Z puede tanto subir/bajar el gantry, como subir/bajar la cama de impresión.

La disposición H-bot puede ser más estable y rígida que otros diseños de impresoras 3D, proporcionando resultados impresos de mayor calidad. Motores estacionarios reducen la inercia del sistema, permitiendo mayores aceleraciones y requiriendo menos rigidez para buena estabilidad.

El diseño H-bot es complicado de configurar y difícil de calibrar y se reporta como requiriendo más mantenimiento. Cualquier holgura ligera que se desarrolle en las correas disruptirá la precisión X-Y significativamente, lo que es un problema particular en mantenimiento ya que las correas pueden estirarse. Sin embargo, cuando se mantiene bien, el H-bot es un sistema gantry efectivo capaz de entregar alta calidad y alta velocidad.

¿Cómo se Mantiene un Sistema Gantry?

Los sistemas de accionamiento de ejes de impresoras 3D necesitan revisiones y mantenimiento regular para asegurar operación efectiva. Es aconsejable consultar el procedimiento de mantenimiento recomendado por el OEM. A continuación se enumeran algunos consejos generales sobre cómo mantener un sistema gantry:

1. Revise las tensiones de las correas de accionamiento regularmente. Correas demasiado tensas causan desgaste excesivo, y correas flojas influyen en la precisión y repetibilidad.
2. Asegure que todas las superficies de rodamientos estén lubricadas para mantener movimiento suave y reducir desgaste. Use el lubricante recomendado por el fabricante y no sobre-lubrique.
3. Revise las correas de accionamiento por desgaste, deshilachado, agrietamiento y estiramiento.
4. Asegure la alineación de poleas tensoras y de accionamiento. La desalineación causará que las correas se deslicen o se desgasten más rápido y podría afectar la capacidad de respuesta del eje o sobrecalentar motores.
5. La temperatura de los motores paso a paso de accionamiento de ejes puede ser un indicador de problemas de accionamiento. Observar motores calientes puede ayudar a advertir al usuario de una gama de problemas.
6. Limpie toda la impresora, concentrándose particularmente en el sistema de accionamiento de ejes. La mayoría del desgaste (y fallo posterior) es resultado directo de suciedad en partes móviles y de rodamientos.

¿Cómo Funciona un Sistema Gantry para Impresión 3D?

El sistema gantry proporciona el carro y la capacidad de accionamiento que mueve el cabezal de impresión. El proceso específico varía dependiendo del tipo de sistema gantry para impresión 3D. Los sistemas gantry en impresoras 3D caen en cuatro categorías básicas:

1. En impresoras FDM/FFF de escritorio, el gantry es a menudo un arco que lleva el cabezal de impresión. Mueve el cabezal de impresión axialmente a través de la mesa de construcción (en dirección X) y lo sube y baja (dirección Z). El eje Y de movimiento es manejado entonces por el movimiento de la mesa de construcción. Esto permite que el gantry sea estacionario en el eje Y, reduciendo la necesidad de rigidez estructural.
2. En otras impresoras FDM/FFF, el eje Y es manejado moviendo todo el gantry en el eje Y. Esto requiere que el gantry sea más rígido en la dirección Y para evitar oscilación en el eje Y mientras acelera y desacelera.
3. La forma más rígida de estructura gantry que permitirá recorrido más rápido sin balanceo u oscilación es un marco cúbico que sostiene el movimiento de los tres ejes rígido. Este sistema se usa más comúnmente en máquinas de tamaño mediano y grande. Puede entregar movimiento y aceleración más rápidos con resultados de posicionamiento de cabezal de impresión de mayor precisión.

¿Cuánto Duran los Sistemas Gantry de Impresión 3D?

Las impresoras 3D basadas en gantry pueden tener una vida funcional esencialmente ilimitada, con condiciones. Estas condiciones son que el mantenimiento sea regular y exhaustivo, las piezas permanezcan disponibles y haya un valor comercial en realizar el mantenimiento y reparaciones requeridos. Las impresoras 3D basadas en gantry son una colección de partes funcionales y estructurales, y la durabilidad general del sistema depende del eslabón más débil.

¿Pueden los Sistemas Gantry Imprimir Casas?

La impresión 3D puede de hecho construir casas y otras estructuras grandes. La impresión 3D de edificios es un área de investigación creciente y primeros intentos de comercialización. Hay múltiples ejemplos de casas y otros edificios cívicos que han sido impresos en 3D, típicamente usando impresoras de concreto basadas en gantry o brazos robóticos móviles.

Los sistemas de impresora 3D usados para realizar esta tarea operan por un medio similar a la impresión FDM/FFF, extruyendo un cordón de concreto como una pista desde la cual una estructura completa puede ser impresa. Algunos aspectos son actualmente realizados por intervención manual. Elementos como dinteles de ventanas y puertas deben ser instalados a mano, ya que no es posible actualmente la impresión de "soporte" bajo voladizos.

Los enfoques actualmente tomados solo pueden imprimir paredes verticales y no pueden manejar estructuras de techo. Todos los demás aspectos—desde plomería y electricidad, hasta instalación de ventanas, revestimiento y todas las tareas de acabado son manuales, sin perspectiva inmediata de automatizar estos.

¿Tienen los Sistemas Gantry Área Imprimible Limitada?

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

¿Dependen los Sistemas Gantry de Software 3D?

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

El CAD 3D debe usarse en la etapa de diseño para producir los modelos para impresión. Luego, el modelo debe ser laminado en un software laminador para que el modelo pueda ser impreso en capas. Las capas laminadas son típicamente convertidas a G-code, para instruir a la impresora 3D qué camino debe seguir la herramienta para imprimir la forma final. Esto se refiere como "toolpath" (trayectoria de herramienta) tanto en impresión 3D como en mecanizado CNC.

¿Cuáles son las Diferencias entre los Diversos Sistemas Gantry para Impresión 3D?

Hay algunas diferencias principales entre los diferentes sistemas gantry disponibles para impresión 3D. Hay varios tipos de sistemas gantry empleados en la construcción de impresoras 3D, cada uno con sus propias fortalezas y deficiencias. Las principales diferencias son:

1. Rigidez: Flexibilidad adicional reduce la tolerancia de aceleración de una impresora, ya que altas aceleraciones disruptarán la estructura e inducirán vibraciones/oscilaciones que pueden perturbar el proceso de impresión.
2. Peso: Mayor peso de máquina puede ser una ventaja asistiendo con estabilidad. Mayor peso de partes móviles, sin embargo, requiere fuerzas de accionamiento mayores y mayor rigidez para evitar vibraciones en puntos de aceleración o cambios de dirección.
3. Costo: Estructuras más ligeras y simples cuestan menos, pero estructura insuficiente resultará en baja precisión y pobre rendimiento.
4. Mantenimiento: Algunos sistemas gantry permiten mantenimiento fácil, mientras que otros pueden hacer el proceso mucho más difícil.

Para aprender más, consulte nuestra guía completa sobre Brazo Robótico vs. Sistema Gantry para Impresión 3D.

Resumen

Este artículo presentó sistemas gantry, explicó qué son y discutió cómo funcionan y los diversos tipos. Para aprender más sobre sistemas gantry, contacte a un representante de Xometry.

Xometry proporciona una amplia gama de capacidades de fabricación, incluyendo impresión 3D y otros servicios de valor agregado para todas sus necesidades de prototipado y producción. Visite nuestro sitio web para aprender más o solicitar una cotización gratuita sin compromiso.

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Dean McClements

Dean McClements es graduado B.Eng Honors en Ingeniería Mecánica con más de dos décadas de experiencia en la industria manufacturera. Su trayectoria profesional incluye roles significativos en empresas líderes como Caterpillar, Autodesk, Collins Aerospace y Hyster-Yale, donde desarrolló una profunda comprensión de procesos e innovaciones de ingeniería.

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