Systèmes à portique dans l'impression 3D :avantages, inconvénients et considérations clés

Les systèmes à portique sont une approche permettant de créer un système de mouvement de précision pour les machines-outils, telles que les imprimantes 3D, les découpeuses laser et les routeurs CNC. La terminologie ne fournit pas une définition précise d'une structure, car les différentes approches pour créer des portiques de mouvement de précision divergent sur des points essentiels. Les systèmes de portique peuvent également être utilisés pour les points systèmes d'impression d'application tels que FDM/FFF ou le système MetalX de Desktop Metal, mais ils sont également utilisés pour prendre en charge la zone têtes d'impression d'application telles que les OBJET, les systèmes de jet de liant et même la fabrication d'objets laminés (LOM).

À certains égards, les bras robotisés utilisés dans la fabrication additive robotique peuvent également être considérés comme un système de portique, même s'ils utilisent souvent une géométrie de coordonnées partiellement polaires plutôt qu'un positionnement orthogonal à 3 axes. Ceci n'est généralement applicable que si le robot lui-même est monté sur un portique.

Cet article expliquera ce qu'est un système de portique pour l'impression 3D, ainsi que ses avantages et ses inconvénients.

Qu'est-ce qu'un système de portique pour l'impression 3D ?

Les systèmes à portique prennent en charge la tête d'impression 3D à application ponctuelle ou surfacique. Il fournit au moins certains des axes de mouvement qui permettent à la tête de traverser la zone de construction pour placer l'application du matériau précisément au point requis dans la construction. Souvent, un ou plusieurs axes sont manipulés par le mouvement de la table. Celui-ci est cependant monté sur le cadre du portique et peut être considéré comme faisant essentiellement partie intégrante du portique. Pour plus d'informations, consultez notre guide sur le fonctionnement de l'impression 3D.

Quels sont les avantages des systèmes à portique pour les projets d'impression 3D ?

Il existe de nombreux avantages à construire une imprimante 3D basée sur l'utilisation d'un système à portique, notamment :

1. Largement considérée comme une méthode peu coûteuse permettant de fournir un positionnement précis et un contrôle des mouvements sur la tête d'impression ou l'extrudeuse d'une imprimante 3D. Cela permet d'obtenir une structure relativement peu coûteuse pour fournir un positionnement et un contrôle précis et reproductibles d'un mouvement rapide. Il en résulte une meilleure reproduction du fichier en cours d'impression sans avoir recours à un équipement coûteux.
2. Permet à la tête d'impression ou à l'extrudeuse d'accélérer et de décélérer rapidement, sans risque de déplacement dû aux forces de réaction. Permet un positionnement plus rapide de la tête d'impression lors des mouvements entre les opérations d'impression réduisent les temps d'impression globaux.
3. Peut être utilisé pour s'adapter à des variations de tailles et de formes de lits d'impression sans refonte majeure. Cela permet la mise en commun des pièces et des commandes de mouvement sur une gamme familiale de tailles de machines. Comme la plupart des portiques sont constitués de matériaux extrudés ou découpés et pliés au laser, il est possible d'augmenter la taille de la machine en allongeant simplement les éléments structurels et les mécanismes d'entraînement. Cette option n'est limitée que par la perte de rigidité qui entraînera éventuellement un mouvement moins précis.
4. La construction rigide d'un système de portique doit être conçue pour assurer la stabilité structurelle pendant les opérations d'impression et en particulier pendant les mouvements de positionnement. Cela réduit le risque d'oscillations qui autrement perturberaient la qualité de l'impression.
5. Offrez un accès ouvert aux pièces d'entraînement, de roulement et de transmission. Cela rend les machines basées sur un portique plus faciles à entretenir. Une conception qui implique un minimum de pièces mobiles et des mécanismes visibles et accessibles facilite également le nettoyage et l'inspection.

Quels sont les inconvénients d'un système à portique pour les projets d'impression 3D ?

Les systèmes à portique présentent divers avantages dans la construction et le fonctionnement d'une imprimante 3D, notamment :

1. Les systèmes de portiques plus complexes et rigides peuvent être assez volumineux et lourds. Cela les rend difficiles à placer et à déplacer et nécessite un espace plus grand pour l'installation.
2. Les machines plus grandes construites à l'aide de systèmes à portique peuvent être plus coûteuses que d'autres approches de structure de machine, en raison de leur taille et de leur complexité.
3. Les machines équipées de systèmes de portique en forme de cube peuvent restreindre l'accès des utilisateurs au lit d'impression. Cela entrave la suppression des impressions terminées ou rend les ajustements nécessaires pendant le processus d'impression difficiles pour les utilisateurs.
4. Les imprimantes à portique ouvert peuvent produire davantage de bruit et de vibrations pendant l'impression, notamment en amplifiant la résonance des moteurs pas à pas qui sont généralement montés en dur sur les pièces du cadre. Cela peut être distrayant ou perturbateur dans des environnements autrement calmes.

Quels sont les différents types de systèmes de portique pour l'impression 3D ?

Il existe une gamme de systèmes de portiques spécifiques utilisés sur le marché de l’impression 3D. Cela comprend :

1. Tête cartésienne XY

Un système de portique à tête cartésienne XY est un type de système de contrôle de mouvement couramment utilisé dans les imprimantes 3D (et dans une grande variété d'autres classes de machines CNC). Cette approche de construction déplace la tête d'impression ou l'extrudeuse le long de l'axe X du portique et déplace l'axe Y en déplaçant l'ensemble du portique. Cela peut impliquer de déplacer une masse élevée sur l'axe Y et peut entraîner un risque plus élevé de vibrations de la machine, en particulier lors de manœuvres à forte accélération.

Dans un tel système à portique, le lit d'impression est fixe et la tête d'impression ou l'extrudeuse se déplace le long de deux axes perpendiculaires, fonctionnant généralement sur des arbres rectifiés avec des roulements linéaires à recirculation de billes. Les versions plus chères utilisent souvent des rails en V avec des roulements à rouleaux à gorge extérieure en V comme guides, ce qui réduit l'usure des roulements. L'axe X est généralement défini comme acros c'est la machine, tandis que l'axe Y est orienté arrière/avant par rapport à l'appareil. L'axe Z positionne la hauteur verticale de la tête d'impression ou de l'extrudeuse et est porté par le mouvement X du portique.

Les systèmes de portique cartésien-XY sont simples et faciles à construire et à utiliser. Ils offrent également une bonne précision et répétabilité, permettant un positionnement de haute précision de la tête d'impression. Cependant, ils ont des limites en termes de vitesse et d'accélération et peuvent manquer de rigidité à certains égards.

2. Croisé de style Ultimaker

Le système de portique croisé de style Ultimaker est un système de structure mécanique et de mouvement d'axe moins couramment utilisé dans l'impression 3D. Il comporte deux portiques parallèles qui positionnent la tête d'impression ou l'extrudeuse le long des axes X et Y. Les portiques sont reliés par une barre transversale destinée à stabiliser le mouvement le long des deux axes en partageant la rigidité. Le mouvement de l'axe Z est généralement effectué sur ces deux axes plutôt que délégué à un lit d'impression montant et descendant.

Dans ce système, le lit d'impression est généralement fixe et stable. La tête d'impression ou l'extrudeuse se déplace le long des axes X et Y. Ils sont entraînés par des moteurs pas à pas transmettant le mouvement via des courroies crantées. Les deux portiques sont capables de se déplacer simultanément. Cela permet une courbure douce et un mouvement sans à-coups entre les opérations d'impression, car les changements de direction brusques sont minimisés. Cette approche offre également une bonne stabilité lors de l'impression, bénéficiant ainsi à la qualité des résultats imprimés.

Cette approche de conception est plus complexe et nécessite plus d'efforts de configuration et d'étalonnage que des conceptions plus simples. Ceci est particulièrement affecté par les entraînements par courroie qui nécessitent un très bon alignement pour garantir un mouvement précis et reproductible. Certains utilisateurs signalent également des difficultés à accéder au lit d'impression pour effectuer des réglages pendant l'impression, car les deux portiques peuvent parfois bloquer l'accès pendant l'impression.

3. NoyauXY

Un système de portique CoreXY est une structure utilisée dans la conception d'imprimantes 3D dotée de moteurs pas à pas stationnaires pour entraîner les axes X et Y. Cela réduit la masse en mouvement dans le portique lors des mouvements sur l'axe Y, car l'entraînement de l'axe Y reste fixe en place. Cela permet une accélération plus élevée et des mouvements plus précis de la tête d'impression, offrant ainsi des résultats d'impression de meilleure qualité.

Le système CoreXY fonctionne en utilisant une série de poulies et de courroies de recirculation (boucle) disposées de manière à ce que les courroies d'entraînement se croisent au cœur ou au centre du système. L'entraînement des courroies crantées déplace la tête d'impression dans les directions X et Y avec une inertie plus faible.

Déplacer moins de masse permet d’obtenir une structure de portique plus légère. Il y a moins de masse en mouvement à laquelle résister aux moments d'accélération élevés. Cette approche est plus sensible à la tension de la courroie et à l'état du glissement que les autres systèmes et peut être complexe à configurer et à calibrer. La capacité d'accélération est considérée comme un avantage suffisant pour compenser les problèmes de configuration, c'est pourquoi ce système est populaire parmi certains utilisateurs de la catégorie la plus avancée.

4. Tête cartésienne XZ de style i3

La tête cartésienne XZ de style i3 est très largement utilisée dans la conception d'imprimantes 3D. Dans cette approche, la plate-forme d'impression elle-même est levée et abaissée (mouvement sur l'axe Z), tandis que la tête d'impression est transportée séparément sur le portique pour l'axe X. L'extrudeuse est montée sur un chariot qui se déplace le long de l'axe X sur des arbres rectifiés avec précision, à l'aide de douilles à recirculation de billes. Sur les machines plus grandes et plus chères, les rails peuvent être en forme de V, avec des roulements à rouleaux fonctionnant sur ces rails. Des rails linéaires et des roulements coulissants peuvent également être utilisés pour une plus grande précision.

Sur une imprimante 3D de type i3, l'axe Y est généralement un lit mobile, qui se déplace d'avant en arrière tandis que le portique contrôle l'axe X. C'est ce qu'on appelle communément une imprimante 3D de type « bedslinger ».

Cette conception est simple et facile à construire, ce qui en fait un choix populaire pour les imprimantes 3D domestiques/passe-temps. Il offre une bonne précision dans les machines plus petites, mais nécessite généralement une modération dans les accélérations et les changements de direction en raison d'une rigidité relativement faible et d'une inertie élevée.

Le principal inconvénient de cette conception est qu’il peut être très difficile de maintenir un lit de niveau et d’obtenir des épaisseurs de couche constantes. La faible rigidité, par rapport à d'autres conceptions d'imprimantes 3D plus chères, peut avoir des effets très significatifs à des vitesses/accélérations d'axe plus élevées.

5. H-Bot

Le H-bot est un système de portique utilisé dans certaines imprimantes 3D. Il utilise des entraînements par courroie et des rails linéaires dans une disposition qui, similaire au système CoreXY, comporte des moteurs stationnaires pour entraîner les axes X et Y.

Les deux ceintures pour X et Y forment la forme d'un « H ». Le mouvement sur l'axe X est le résultat du mouvement combiné des deux courroies agissant à l'unisson, tandis que le mouvement sur l'axe Y est obtenu par le mouvement coordonné des deux courroies.

Selon la conception, l'axe Z peut soit élever/abaisser le portique, soit élever/abaisser le lit d'impression.

La disposition du H-bot peut être plus stable et rigide que celle des autres modèles d'imprimante 3D, offrant ainsi des résultats d'impression de meilleure qualité. Les moteurs stationnaires réduisent l'inertie du système, permettant des accélérations plus élevées et nécessitant moins de rigidité pour une bonne stabilité.

La conception du H-bot est compliquée à configurer et difficile à calibrer et nécessiterait plus de maintenance. Tout léger jeu qui se développe dans les courroies perturbera considérablement la précision X-Y, ce qui constitue un problème particulier en matière de maintenance, car les courroies peuvent s'étirer. Cependant, lorsqu'il est bien entretenu, le H-bot est un système de portique efficace capable de fournir et de haute qualité. haute vitesse.

Comment un système de portique est-il entretenu ?

Les systèmes d’entraînement des axes des imprimantes 3D nécessitent des contrôles et une maintenance réguliers pour garantir un fonctionnement efficace. Il est conseillé de vérifier avec la procédure de maintenance recommandée par l’OEM. Vous trouverez ci-dessous quelques conseils généraux sur la façon d'entretenir un système de portique :

1. Vérifiez régulièrement la tension de la courroie d'entraînement. Des courroies trop tendues provoquent une usure excessive, tandis que des courroies desserrées influencent la précision et la répétabilité.
2. Assurez-vous que toutes les surfaces de roulement sont lubrifiées pour maintenir un mouvement fluide et réduire l'usure. Utilisez le lubrifiant recommandé par le fabricant et ne lubrifiez pas trop.
3. Vérifiez l'usure, l'effilochage, la fissuration et l'étirement des courroies d'entraînement. 
4. Assurez-vous de l'alignement de la courroie de tension et des poulies d'entraînement. Un mauvais alignement entraînera un glissement ou une usure plus rapide des courroies et pourrait affecter la réactivité des axes ou surchauffer les moteurs.
5. La température des moteurs pas à pas d'entraînement des axes peut être un indicateur de problèmes d'entraînement. La surveillance des moteurs chauds peut aider à avertir l'utilisateur d'une série de problèmes.
6. Nettoyez l'ensemble de l'imprimante, en vous concentrant particulièrement sur le système d'entraînement des axes. La plupart de l'usure (et des pannes ultérieures) est le résultat direct de la saleté des pièces mobiles et des roulements.

Comment fonctionne un système de portique pour l'impression 3D ?

Le système de portique fournit la capacité de chariot et d'entraînement qui déplace la tête d'impression. Le processus spécifique varie en fonction du type de système de portique pour l'impression 3D. Les systèmes de portique dans les imprimantes 3D se répartissent en quatre catégories de base :

1. Dans les imprimantes FDM/FFF de bureau, le portique est souvent une arche qui porte la tête d'impression. Il déplace la tête d'impression axialement sur la table de fabrication (dans la direction X) et la soulève et l'abaisse (direction Z). L'axe de mouvement Y est ensuite géré par le mouvement de la table de construction. Cela permet au portique d'être stationnaire sur l'axe Y, réduisant ainsi le besoin de rigidité structurelle.
2. Dans d'autres imprimantes FDM/FFF, l'axe Y est géré en déplaçant l'ensemble du portique sur l'axe Y. Cela nécessite que le portique soit plus rigide dans la direction Y pour éviter les oscillations dans l'axe Y lors de ses accélérations et décélérations.
3. La forme la plus rigide de structure de portique qui permettra une traversée plus rapide sans basculement ni oscillation est un cadre cubique qui maintient rigide le mouvement des trois axes. Ce système est plus couramment utilisé sur les machines de taille moyenne et plus grande. Il peut fournir un mouvement et une accélération plus rapides avec des résultats de positionnement de tête d'impression de plus grande précision.

Combien de temps durent les systèmes de portique d'impression 3D ?

Les imprimantes 3D basées sur un portique peuvent avoir une durée de vie fonctionnelle essentiellement illimitée, sous certaines conditions. Ces conditions sont que l'entretien soit régulier et minutieux, que les pièces restent disponibles et qu'il y ait une valeur commerciale à effectuer l'entretien et les réparations requis. Les imprimantes 3D basées sur un portique sont un assemblage de pièces fonctionnelles et structurelles, et la durabilité globale du système dépend du maillon le plus faible.

Les systèmes à portique sont-ils capables d'imprimer des maisons ?

L’impression 3D permet en effet de construire des maisons et autres grandes structures. L’impression 3D de bâtiments fait l’objet de recherches croissantes et de premières tentatives de commercialisation. Il existe de nombreux exemples de maisons et d'autres bâtiments municipaux qui ont été imprimés en 3D, généralement à l'aide d'imprimantes à béton basées sur des portiques ou de bras robotiques mobiles.

Les systèmes d'imprimante 3D utilisés pour effectuer cette tâche fonctionnent par un moyen similaire à l'impression FDM/FFF, extrudant une perle de béton comme piste à partir de laquelle une structure complète peut être imprimée. Certains aspects sont actuellement réalisés par intervention manuelle. Les éléments tels que les linteaux de fenêtres et de portes doivent être posés à la main, aucune impression « support » sous les débords n'étant actuellement possible.

Les approches actuellement adoptées ne peuvent imprimer que des murs verticaux et ne peuvent pas gérer les structures de toit. Tous les autres aspects, depuis la plomberie et l'électricité, en passant par l'installation et le revêtement des fenêtres, ainsi que toutes les tâches de finition, sont manuels, sans perspective immédiate d'automatisation.

Les systèmes à portique ont-ils une zone imprimable limitée ?

Oui, il y a un volume très restreint à l'intérieur le portique qui est imprimable. Le portique est une structure qui se situe généralement considérablement en dehors de la zone/du volume imprimable d'une machine d'impression 3D typique. 

Les systèmes Gantry dépendent-ils de logiciels 3D ?

Les imprimantes 3D basées sur un portique (comme toutes les imprimantes 3D) dépendent fortement de divers types de logiciels 3D afin de produire les pièces finales.

La CAO 3D doit être utilisée dès la phase de conception pour produire les modèles à imprimer. Ensuite, le modèle doit être découpé dans un logiciel de découpe pour que le modèle soit imprimé en couches. Les calques découpés sont généralement ensuite convertis en code G pour indiquer à l'imprimante 3D le chemin que la tête d'outil doit suivre pour imprimer la forme finale. C'est ce qu'on appelle le « parcours d'outil » dans l'impression 3D et l'usinage CNC.

Quelles sont les différences entre les différents systèmes de portique pour l'impression 3D ?

Il existe quelques différences majeures entre les différents systèmes de portiques disponibles pour l'impression 3D. Il existe différents types de systèmes de portiques utilisés dans la construction d’imprimantes 3D, chacun ayant ses propres atouts et inconvénients. Les principales différences sont :

1. Rigidité : Une flexibilité supplémentaire réduit la tolérance d'accélération d'une imprimante, car des accélérations élevées perturberont la structure et induiront des vibrations/oscillations susceptibles de perturber le processus d'impression.
2. Poids : Un poids de machine plus élevé peut être un avantage en termes de stabilité. déplacement supérieur pièces cependant, le poids nécessite des forces d'entraînement plus importantes et une plus grande rigidité pour éviter les secousses aux points d'accélération ou aux changements de direction.
3. Coût : Des structures plus légères et plus simples coûtent moins cher, mais une structure insuffisante entraînera une faible précision et de mauvaises performances.
4. Maintenance : Certains systèmes de portique permettent une maintenance facile, tandis que d'autres peuvent rendre le processus beaucoup plus difficile.

Pour en savoir plus, consultez notre guide complet sur le bras robotique et le système de portique pour l'impression 3D.

Résumé

Cet article présente les systèmes de portique, explique ce qu'ils sont et explique comment ils fonctionnent et leurs différents types. Pour en savoir plus sur les systèmes de portique, contactez un représentant Xometry.

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Dean McClements

Dean McClements est titulaire d'un baccalauréat spécialisé en génie mécanique et possède plus de deux décennies d'expérience dans l'industrie manufacturière. Son parcours professionnel comprend des rôles importants dans des entreprises de premier plan telles que Caterpillar, Autodesk, Collins Aerospace et Hyster-Yale, où il a développé une compréhension approfondie des processus d'ingénierie et des innovations.

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