Brazos robóticos vs. Sistemas pórtico: eligiendo la mejor arquitectura de impresión 3D para tamaño y huella

Existe una división simple en el sector de impresoras 3D. El mercado establecido está compuesto principalmente por máquinas que se mueven dentro de un sistema de movimiento integrado en un marco o pórtico, en el que se integran raíles y accionamientos. Estas son máquinas de pórtico. Por otro lado, gran parte de la industria favorece máquinas de mayor escala basadas en brazos robóticos autoportantes, que aumentan el tamaño potencial de construcción mientras mantienen una huella pequeña en la máquina.

El beneficio de la impresión 3D con brazo robótico solo se muestra realmente en construcciones 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 las diferencias entre brazos robóticos vs sistemas 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. Tal brazo puede ser 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 usando más grados de libertad. Para más información, consulte nuestra guía Brazo robótico para impresora 3D.

La Figura 1 muestra un ejemplo de impresora 3D con brazo robótico:

La impresión 3D con brazo robótico no se usa comúnmente para hacer piezas pequeñas. Hay dificultades a pequeña escala que hacen que las máquinas ortogonales sean más prácticas. Los brazos robóticos tienden a ser más costosos que sus homólogos basados en pórtico, especialmente a escalas menores.

En general, para imprimir piezas grandes en los sectores automotriz y aeroespacial, un brazo robótico se equiparía con un cabezal de extrusión 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 se programa para mover el extrusor en un patrón preciso, depositando el material hasta que el objeto esté completo. Sin embargo, una configuración de brazo como esta puede operar en un proceso basado en extrusión que altera la estratificación a una estructura más compleja. Esto es porque los grados de libertad extra permiten al brazo abordar el proceso de impresión de formas más complejas (como impresión no planar).

La impresión 3D con brazo robótico puede usarse 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 brazo robótico añade grados de flexibilidad que las máquinas ortogonales no pueden lograr. Algunos ejemplos de lo que puede imprimir se enumeran a continuación:

1. Objetos grandes que son demasiado grandes para impresoras 3D típicas. Ejemplos son piezas grandes de automoción, muebles a tamaño real, componentes arquitectónicos y edificios enteros.
2. Al intercambiar extrusores, una impresora de brazo robótico puede usar múltiples materiales, diferentes colores o aditivos.
3. Dependiendo de la rigidez y calidad del dispositivo, las impresoras de brazo robótico pueden ser altamente precisas en sus movimientos. Esto mantiene alta precisión mientras ejecuta diseños grandes o complejos.
4. La impresión en formas y orientaciones inusuales es más alcanzable debido a los grados de libertad extra de movimiento. Esto puede permitir imprimir directamente sobre una superficie curva (impresión no planar) o imprimir en la parte inferior de construcciones.
5. La impresión 3D con geometrías complejas es posible, ya que el brazo puede interrumpir un pase 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 3D robótica están limitadas solo por el tamaño y 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 impresión 3D?

Varias ventajas de la impresión 3D con brazo robótico sobre máquinas de pórtico/ortogonales se consideran importantes, incluyendo:

1. Área/Volumen de impresión: Este enfoque permite impresiones muy grandes con una máquina relativamente pequeña, limitada solo por el volumen de su alcance.
2. Tamaño: Dispositivos más pequeños pueden entregar impresiones más grandes.
3. Coste/tamaño: Aunque los brazos robóticos no son baratos, son competitivos con impresoras ortogonales muy grandes de menor capacidad.
4. Geometría de pieza: Los brazos robóticos ofrecen mucha menos restricción en geometría de construcción debido a su acceso multi-eje a la construcción.
5. Control anisotrópico: El "grano" de la construcción puede seleccionarse por región, ya que no se requiere estratificación estrictamente uniaxial. Esto permite orientar la resistencia de la pieza variadamente para una robustez general mejor de las impresiones.

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

Aunque la impresión 3D con brazo robótico ofrece ventajas sobre métodos de impresión ortogonales, también hay desventajas, incluyendo:

1. Configurar la impresión 3D robótica es caro, los costes siendo prohibitivos para empresas pequeñas o individuos.
2. La impresión 3D robótica requiere un nivel considerablemente mayor de experiencia técnica que las impresoras ortogonales/de pórtico, en términos de crear/ejecutar trabajos de impresión y la configuración inicial de hardware.
3. Los robots no están intrínsecamente protegidos y pueden herir fácilmente a transeúntes. Se deben usar barreras y sensores de intrusión.
4. Como todas las máquinas, los brazos robóticos requieren mantenimiento regular y reparaciones ocasionales. Esto probablemente sea mucho más costoso y lento que para impresoras 3D ortogonales/de pórtico.

¿Tiene un brazo robótico 6 ejes?

Sí, las impresoras 3D robóticas a menudo tienen seis ejes, pero muchos brazos robóticos tienen menos grados de libertad. Un brazo robótico de seis ejes tiene seis ejes de movimiento: tres ejes rotacionales (roll, pitch y yaw) y tres ejes translacionales (arriba-abajo, izquierda-derecha y adelante-atrás). La movilidad de seis ejes es la norma en brazos robóticos industriales usados para impresión 3D. Algunas impresoras 3D robóticas pueden tener más de seis ejes (o menos), dependiendo de su aplicación prevista.

¿Qué es un sistema pórtico para impresión 3D?

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

Los sistemas pórtico son amplios en máquinas tanto industriales/profesionales como domésticas/aficionados debido a su rigidez intrínseca y potencial de gran volumen de construcción. La Figura 2 muestra un ejemplo de sistema pórtico para impresión 3D:

Preguntas frecuentes sobre brazos robóticos vs. sistemas pórtico

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

La principal ventaja del brazo robótico sobre el sistema pórtico para impresión 3D es su largo alcance/gran volumen de construcción en impresiones grandes. Mover una impresora de pórtico ortogonal grande a un sitio de construcción generalmente requerirá desmontarla para transporte, haciendo la configuración en sitio extremadamente desafiante. Un brazo robótico puede retraerse a tamaño moderado y colocarse fácilmente en la ubicación de construcción prevista.

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

Las impresoras 3D basadas en pórtico cuestan menos en compra, operación y mantenimiento que máquinas basadas en brazo robótico.

¿Qué tipo de impresora 3D se usa para construcción?

Ambos tipos de impresoras 3D, pórtico y brazo robótico, se usan para construcción de edificios, dependiendo de factores como el tamaño. La construcción in-situ se realiza más comúnmente con impresoras de brazo robótico, mientras que la fabricación de componentes en sitio fijo es más práctica usando una máquina basada en pórtico.

¿Qué tipo de impresora 3D se usa para impresión de metal?

La mayoría de impresoras 3D de metal (especialmente las basadas en Fusión de Lecho de Polvo) utilizan láseres y espejos que rotan, dirigiendo el láser al lecho. No son sistemas ni robóticos ni basados en pórtico. Generalmente operan en entornos controlados con gases inertes y son más adecuadas para piezas pequeñas.

Sin embargo, ciertas tecnologías de impresión de metal, particularmente las usadas para hacer piezas más grandes, pueden usar brazos robóticos. Los sistemas WAAM (Fabricación Aditiva por Arco de Alambre) a menudo presentan un soldador de arco montado en un brazo robótico.

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

¿Estas impresoras 3D necesitan mantenimiento?

Sí, todas las impresoras 3D requieren mantenimiento regular extensivo para entregar precisión fiable. En algunos aspectos, las impresoras 3D de brazo robótico requieren menos mantenimiento regular, pero ese mantenimiento es considerablemente más complejo y caro de realizar.

¿Estas impresoras 3D tienen área imprimible limitada?

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

¿Pueden durar mucho estas impresoras 3D?

Sí, las impresoras 3D pueden durar mucho si el mantenimiento es exhaustivo y regular, y las piezas requeridas permanecen disponibles. Estas máquinas seguirán funcionando mientras sean rentables. La obsolescencia llega rápido en este sector, ya que las máquinas son superadas en rendimiento o socavadas en coste de impresión por nuevos desarrollos. Así que es probable que la viabilidad comercial de las máquinas sea el factor decisivo en su operación continua.

Dean McClements

Dean McClements es graduado en Ingeniería Mecánica con honores y 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 los procesos e innovaciones de ingeniería.

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