Brazos robóticos versus sistemas de pórtico:elección de la mejor arquitectura de impresión 3D según el tamaño y el espacio

Existe una división simple en el sector de las impresoras 3D. El mercado establecido se compone principalmente de máquinas que se transportan dentro de un sistema de movimiento integrado en un marco o pórtico, en el que se integran rieles deslizantes y accionamientos. Estas son máquinas de pórtico. Por otro lado, gran parte de la industria prefiere máquinas de mayor escala basadas en brazos robóticos independientes, que aumentan el tamaño potencial de construcción y al mismo tiempo ocupan un espacio reducido en la máquina.

El beneficio de la impresión 3D con brazo robótico solo se muestra realmente en construcciones más grandes, en las que el volumen de construcción se define por el alcance del brazo en lugar de estar confinado dentro de los límites rígidos de un pórtico. Este artículo explorará más a fondo las diferencias entre los brazos robóticos y los sistemas de pórtico para impresión 3D.

¿Qué es un brazo robótico para impresión 3D?

Un brazo robótico para impresión 3D es un brazo mecánico que difiere significativamente del enfoque ortogonal X-Y-Z más común. Un brazo de este tipo puede resultar beneficioso porque el dispositivo es capaz de moverse en una gama más amplia de direcciones y orientaciones. Por tanto, este enfoque facilita la impresión de objetos 3D utilizando más grados de libertad. Para obtener más información, consulte nuestra guía de brazo robótico para impresora 3D.

La figura 1 es un ejemplo de una impresora 3D con brazo robótico:

La impresión 3D con brazo robótico no se utiliza habitualmente para fabricar piezas pequeñas. Existen dificultades a pequeña escala que hacen que las máquinas ortogonales sean más prácticas. Los brazos robóticos tienden a ser más costosos que sus homólogos de pórtico, especialmente a escalas más pequeñas. 

En general, para imprimir piezas más grandes en el sector automovilístico y aeroespacial, un brazo robótico estaría equipado con un cabezal de impresión extrusor de impresión 3D (FDM/FFF/FGF) o con un cabezal de soldadura láser/TIG. 

Ambos pueden depositar material para crear el objeto final. El brazo está programado para mover el extrusor en un patrón preciso, depositando el material hasta completar el objeto. Sin embargo, una configuración de brazo como esta puede operar en un proceso basado en extrusión que altera las capas a una estructura más compleja. Esto se debe a que los grados de libertad adicionales permiten que el brazo aborde el proceso de impresión de maneras más complejas (como la impresión no plana).

La impresión 3D con brazo robótico se puede utilizar para imprimir objetos grandes y piezas con geometrías complejas que serían difíciles o imposibles de crear usando máquinas ortogonales.

¿Qué proyectos pueden imprimir los brazos robóticos?

La impresión 3D con brazos robóticos añade grados de flexibilidad que las máquinas ortogonales no pueden lograr. A continuación se enumeran algunos ejemplos de lo que puede imprimir:

1. Objetos grandes que son demasiado grandes para las impresoras 3D típicas. Algunos ejemplos son piezas de automóviles de gran tamaño, muebles de tamaño completo, componentes arquitectónicos y edificios enteros.
2. Al intercambiar extrusoras, una impresora con brazo robótico puede utilizar múltiples materiales, diferentes colores o aditivos.
3. Dependiendo de la rigidez y la calidad del dispositivo, las impresoras con brazo robótico pueden ser muy precisas en sus movimientos. Esto mantiene una alta precisión al ejecutar diseños grandes o complejos.
4. Imprimir en formas y orientaciones inusuales es más factible debido a los grados adicionales de libertad de movimiento. Esto puede permitir imprimir directamente sobre una superficie curva (impresión no plana) o imprimir en la parte inferior de las construcciones.
5. La impresión 3D con geometrías complejas es posible, ya que el brazo puede romper un paso de material y continuar desde el otro lado de una obstrucción. Esto permite la impresión de objetos entrelazados que a menudo son imposibles de lograr con técnicas de impresión 3D ortogonales.

Las capacidades de la impresión robótica 3D están limitadas únicamente por el tamaño y la rigidez del brazo, la precisión y repetibilidad de su movimiento, y menos por la complejidad de los objetos que se imprimen.

¿Cuáles son las ventajas de los brazos robóticos para la impresión 3D?

Se consideran importantes varias ventajas de la impresión 3D con brazo robótico sobre las máquinas de pórtico/ortogonales, entre ellas:

1. Área/volumen de impresión: Este enfoque permite impresiones muy grandes con una máquina relativamente pequeña, limitada únicamente por el volumen de su alcance.
2. Tamaño: Los dispositivos más pequeños pueden generar impresiones más grandes.
3. Costo/tamaño: Si bien los brazos robóticos no son baratos, compiten con impresoras ortogonales muy grandes y de menor capacidad. 
4. Geometría de la pieza: Los brazos robóticos ofrecen muchas menos restricciones en la geometría de construcción debido a su acceso multieje a la construcción.
5. Control anisotrópico: La “veta” de la construcción se puede seleccionar por región, ya que no se requieren capas uniaxiales estrictas. Esto permite orientar la resistencia de la pieza de diversas formas para mejorar la solidez general de las impresiones.

¿Cuáles son las desventajas de los brazos robóticos para la impresión 3D?

Si bien la impresión 3D con brazo robótico ofrece ventajas sobre los métodos de impresión ortogonal, también presenta desventajas, que incluyen:

1. Configurar la impresión 3D con robots es costoso y los costos son prohibitivos para empresas más pequeñas o individuos.
2. La impresión 3D con robots requiere un nivel de experiencia técnica considerablemente mayor que las impresoras ortogonales/de pórtico, en términos de creación/ejecución de trabajos de impresión y configuración inicial del hardware.
3. Los robots no están intrínsecamente protegidos y pueden herir fácilmente a los transeúntes. Se deben utilizar barreras y sensores de intrusión.
4. Como todas las máquinas, los brazos robóticos requieren un mantenimiento regular y reparaciones ocasionales. Es probable que esto sea mucho más costoso y requiera más tiempo que las impresoras 3D ortogonales/de pórtico.

¿Tiene un brazo robótico 6 ejes?

Sí, las impresoras robóticas 3D suelen tener seis ejes, pero muchos brazos robóticos tienen menos grados de libertad. Un brazo robótico de seis ejes tiene seis ejes de movimiento:tres ejes de rotación (giro, cabeceo y guiñada) y tres ejes de traslación (arriba-abajo, izquierda-derecha y adelante-atrás). La movilidad de seis ejes es la norma en los brazos de robots industriales que se utilizan para la impresión 3D. Algunas impresoras 3D robóticas pueden tener más de seis ejes (o menos), según la aplicación prevista.

¿Qué es un sistema pórtico para impresión 3D?

Un sistema de pórtico para impresión 3D es una estructura que consta de vigas y rieles deslizantes que sostienen un cabezal de impresión/extrusor y guían su movimiento mientras transita e imprime. Las funciones críticas son la rigidez y la precisión, colocando el punto de aplicación de la impresión precisamente dentro de la construcción. El sistema de pórtico permite una altura de construcción (y por lo tanto un volumen) mayor que las impresoras delta o cartesianas. Los sistemas de pórtico son generalmente aplicables a la mayoría de las técnicas de impresión 3D. El mecanismo del eje Z que permite la profundidad de impresión es el resultado de un movimiento del pórtico, que lleva un mecanismo del eje Z, o del movimiento de la mesa de construcción en un mecanismo separado.

Los sistemas de pórtico están muy extendidos tanto en máquinas industriales/profesionales como domésticas/de hobby debido a su rigidez intrínseca y su potencial de gran volumen de construcción. La figura 2 es un ejemplo de un sistema pórtico para impresión 3D:

Preguntas frecuentes sobre brazos robóticos y sistemas de pórtico

¿Cuál es la principal ventaja de un brazo robótico sobre un sistema de pórtico para impresión 3D?

La principal ventaja del brazo robótico sobre el sistema de pórtico para impresión 3D es su largo alcance y gran volumen de impresión en impresiones grandes. Para trasladar una impresora de pórtico ortogonal grande a una obra en construcción, generalmente será necesario desmontarla para su transporte, lo que hace que la instalación en la obra sea extremadamente desafiante. Un brazo robótico puede retraerse hasta un tamaño moderado y colocarse fácilmente en el lugar de construcción previsto.

¿Cuál es la principal ventaja de un sistema de pórtico sobre un brazo robótico para impresión 3D?

Las impresoras 3D basadas en pórtico cuestan menos de comprar, operar y mantener que las máquinas basadas en brazos robóticos.

¿Qué tipo de impresora 3D se utiliza para la construcción?

Tanto el tipo de impresora 3D de pórtico como el de brazo robótico se utilizan para la construcción de edificios, dependiendo de una variedad de factores como el tamaño. La construcción in situ se realiza más comúnmente mediante impresoras con brazo robótico, mientras que la fabricación de componentes en un sitio fijo es más práctica utilizando una máquina basada en pórtico.

¿Qué tipo de impresora 3D se utiliza para la impresión en metal?

La mayoría de las impresoras 3D de metal (especialmente las basadas en Powder Bed Fusion) utilizan láseres y espejos que giran y dirigen el láser hacia la cama. No son sistemas robóticos ni basados ​​en pórticos. Generalmente operan en ambientes controlados con gases inertes y son más adecuados para piezas más pequeñas.

Sin embargo, ciertas tecnologías de impresión de metales, particularmente aquellas utilizadas para fabricar piezas más grandes, pueden utilizar brazos robóticos. Los sistemas WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing) a menudo cuentan con un soldador de arco montado en un brazo robótico.

Las ventajas de la impresión basada en brazos robóticos en máquinas más grandes hacen de esta una opción práctica, pero no común, en la que el mercado (y por lo tanto los fabricantes de máquinas) están mostrando un mayor interés.

¿Necesitan mantenimiento estas impresoras 3D?

Sí, todas las impresoras 3D requieren un mantenimiento exhaustivo y regular para ofrecer una precisión confiable. En algunos aspectos, las impresoras 3D con brazo robótico requieren un mantenimiento menos regular, pero ese mantenimiento es considerablemente más complejo y costoso de realizar.

¿Estas impresoras 3D tienen un área de impresión limitada?

La mayoría de las impresoras 3D tienen limitaciones en las áreas edificables, a menos que tengan movilidad (como la impresora 3D de hormigón CyBe RT), o un eje “infinito”, en forma de cinta transportadora.

¿Pueden estas impresoras 3D durar mucho tiempo?

Sí, las impresoras 3D pueden durar mucho tiempo si el mantenimiento es exhaustivo y regular y las piezas necesarias permanecen disponibles. Estas máquinas seguirán funcionando mientras sean rentables. La obsolescencia llega rápidamente en este sector, ya que los nuevos desarrollos superan a las máquinas en rendimiento o reducen el coste de impresión. Por lo tanto, es probable que la viabilidad comercial de las máquinas sea el factor decisivo para su funcionamiento continuo.

Dean McClements

Dean McClements se graduó con honores en Ingeniería Mecánica 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.

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