1. Kartesisches XY-Koordinatensystem

Ein kartesisches XY-Kopfportalsystem ist ein häufig in 3D-Druckern (und vielen anderen CNC-Maschinen) eingesetztes Bewegungssteuerungssystem. Bei dieser Konstruktion wird der Druckkopf bzw. Extruder entlang der X-Achse des Portals bewegt, während die Y-Achse durch die Bewegung des gesamten Portals gesteuert wird. Dies kann die Bewegung einer großen Masse auf der Y-Achse und somit ein erhöhtes Risiko von Maschinenvibrationen, insbesondere bei starken Beschleunigungen, mit sich bringen.

Bei einem solchen Portalsystem ist das Druckbett fixiert, während sich der Druckkopf bzw. Extruder entlang zweier zueinander senkrechter Achsen bewegt. Typischerweise läuft er auf geschliffenen Wellen mit Kugelumlauf-Linearlagern. Hochwertigere Ausführungen verwenden häufig V-Schienen mit außenliegenden V-Nut-Rollenlagern als Führungen, was den Lagerverschleiß reduziert. Die X-Achse ist üblicherweise definiert alsacrossDie Maschine ist ausgerichtet, während die Y-Achse orientiert ist.rückwärts/vorwärtsrelativ zum Gerät. Die Z-Achse positioniert die vertikale Höhe des Druckkopfs oder Extruders und wird durch die X-Bewegung des Portals mitgeführt.

Kartesisch-XY-Portalsysteme sind einfach zu konstruieren und zu bedienen. Sie bieten zudem eine hohe Präzision und Wiederholgenauigkeit und ermöglichen so eine hochpräzise Positionierung des Druckkopfs. Allerdings weisen sie Einschränkungen hinsichtlich Geschwindigkeit und Beschleunigung auf und können in mancher Hinsicht weniger steif sein.

2. Ultimaker-kompatibles gekreuztes Kabel

Das Ultimaker-Kreuzportalsystem ist eine in der 3D-Drucktechnik weniger verbreitete mechanische Konstruktion und Achsenbewegungsführung. Es besteht aus zwei parallelen Portalen, die den Druckkopf bzw. Extruder entlang der X- und Y-Achse positionieren. Die Portale sind durch eine Querstange verbunden, die die Bewegung entlang beider Achsen durch gemeinsame Steifigkeit stabilisiert. Die Bewegung der Z-Achse erfolgt üblicherweise über diese beiden Achsen und nicht über ein sich hebendes und senkendes Druckbett.

Bei diesem System ist das Druckbett in der Regel fixiert und stabil. Der Druckkopf bzw. Extruder bewegt sich entlang der X- und Y-Achse. Angetrieben werden sie von Schrittmotoren, die ihre Bewegung über Zahnriemen übertragen. Die beiden Portale können sich gleichzeitig bewegen. Dies ermöglicht sanfte Krümmungen und ruckfreie Bewegungen zwischen den Druckvorgängen, da plötzliche Richtungsänderungen minimiert werden. Das Verfahren bietet zudem eine hohe Stabilität während des Druckvorgangs, was der Qualität der Druckergebnisse zugutekommt.

Dieser Konstruktionsansatz ist komplexer und erfordert mehr Aufwand bei Einrichtung und Kalibrierung als einfachere Designs. Dies liegt insbesondere an den Riemenantrieben, die eine sehr präzise Ausrichtung erfordern, um eine genaue und wiederholbare Bewegung zu gewährleisten. Einige Benutzer berichten zudem von Schwierigkeiten beim Zugriff auf das Druckbett, um während des Druckvorgangs Anpassungen vorzunehmen, da die beiden Portale den Zugang zeitweise blockieren können.

3. CoreXY

Ein CoreXY-Portalsystem ist eine in der 3D-Druckerkonstruktion verwendete Struktur mit stationären Schrittmotoren für den Antrieb der X- und Y-Achse. Dadurch wird die bewegte Masse im Portal bei Bewegungen der Y-Achse reduziert, da der Antrieb der Y-Achse fixiert bleibt. Dies ermöglicht höhere Beschleunigungen und präzisere Bewegungen des Druckkopfs und führt somit zu qualitativ hochwertigeren Druckergebnissen.

Das CoreXY-System arbeitet mit mehreren Riemenscheiben und Umlenkriemen, die so angeordnet sind, dass sich die Antriebsriemen im Zentrum des Systems kreuzen. Durch den Antrieb der Zahnriemen wird der Druckkopf mit geringerer Massenträgheit sowohl in X- als auch in Y-Richtung bewegt.

Durch die geringere Masse kann die Portalkonstruktion leichter gestaltet werden. Bei hohen Beschleunigungsmomenten muss weniger bewegte Masse Widerstand leisten. Dieses System reagiert empfindlicher auf die Riemenspannung und den Gleitzustand als andere Systeme und kann komplex in der Einrichtung und Kalibrierung sein. Die hohe Beschleunigungskapazität wird jedoch als ausreichender Vorteil angesehen, um die Einrichtungsschwierigkeiten zu überwiegen, weshalb dieses System bei einigen fortgeschrittenen Anwendern beliebt ist.

4. i3-Style Cartesian-XZ-Head

Der i3-artige kartesische XZ-Druckkopf ist im 3D-Druckerbau weit verbreitet. Dabei wird die Druckplattform selbst angehoben und abgesenkt (Z-Achsen-Bewegung), während der Druckkopf separat auf dem Portal für die X- und Y-Achse bewegt wird. Der Extruder ist auf einem Schlitten montiert, der sich mithilfe von Kugelumlaufbuchsen auf präzisionsgeschliffenen Wellen entlang der X- und Y-Achse bewegt. Bei größeren und teureren Maschinen können die Schienen V-förmig ausgeführt sein und mit Wälzlagern laufen.

Diese Konstruktion ist einfach und leicht umzusetzen und daher bei Heim- und Hobby-3D-Druckern beliebt. Sie bietet gute Genauigkeit und Präzision bei kleineren Geräten, erfordert jedoch aufgrund der relativ geringen Steifigkeit und hohen Trägheit generell ein vorsichtiges Vorgehen bei Beschleunigung und Richtungsänderungen.

Der größte Nachteil dieser Konstruktion besteht darin, dass es sehr schwierig sein kann, ein ebenes Druckbett zu gewährleisten und gleichmäßige Schichtdicken zu erzielen. Die im Vergleich zu anderen, teureren 3D-Druckern geringe Steifigkeit kann sich bei höheren Achsengeschwindigkeiten/Beschleunigungen erheblich auswirken.

5. H-Bot

Der H-Bot ist ein Portalsystem, das in einigen 3D-Druckern eingesetzt wird. Es verwendet Riemenantriebe und Linearführungen in einer Anordnung, die, ähnlich dem CoreXY-System, stationäre Motoren zum Antrieb der X- und Y-Achse aufweist.

Die beiden Riemen für X und Y bilden ein „H“. Ein Riemen ist am Druckkopf befestigt und bewegt sich entlang der Y-Achse. Der andere Riemen ist am anderen Ende des Portals befestigt und bewegt sich entlang der X-Achse. Der Druckkopf wird von einem Z-Antrieb getragen, der sich entlang der beiden Hauptachsenschienen bewegt.

Die H-Bot-Bauweise ist stabiler und steifer als andere 3D-Druckerkonstruktionen und ermöglicht so qualitativ hochwertigere Druckergebnisse. Stationäre Motoren reduzieren die Systemträgheit, was höhere Beschleunigungen ermöglicht und für eine gute Stabilität weniger Steifigkeit erfordert.

Die H-Bot-Konstruktion ist komplex in der Einrichtung und Kalibrierung und soll einen höheren Wartungsaufwand erfordern. Bereits geringfügiges Spiel in den Riemen beeinträchtigt die XY-Präzision erheblich, was insbesondere bei der Wartung problematisch ist, da sich die Riemen dehnen können. Bei ordnungsgemäßer Wartung ist der H-Bot jedoch ein effizientes Portalsystem, das hohe Qualität und Geschwindigkeit ermöglicht.