1. Kartesischer XY-Kopf

Ein kartesisches XY-Kopf-Portalsystem ist ein Bewegungssteuerungssystem, das häufig in 3D-Druckern (und einer Vielzahl anderer CNC-Maschinen) eingesetzt wird. Bei diesem Konstruktionsansatz wird der Druckkopf oder Extruder entlang der X-Achse des Portals bewegt und die Y-Achse durch die Bewegung des gesamten Portals bewegt. Dies kann die Bewegung einer großen Masse auf der Y-Achse erfordern und insbesondere bei hohen Beschleunigungsmanövern zu einem erhöhten Risiko von Maschinenvibrationen führen.

Bei einem solchen Portalsystem ist das Druckbett fixiert, und der Druckkopf oder Extruder bewegt sich entlang zweier senkrecht zueinander stehender Achsen, die typischerweise auf geschliffenen Wellen mit Kugelumlauflagern laufen. Höherpreisige Versionen verwenden häufig V-Schienen mit außenliegenden V-Nut-Rollenlagern als Führungen, was zu geringerem Lagerverschleiß führt. Die X-Achse wird üblicherweise definiert alsübers die Maschine, während die Y-Achse orientiert istrückwärts/vorwärtsrelativ zum Gerät. Die Z-Achse positioniert die vertikale Höhe des Druckkopfs oder Extruders und wird auf der X-Bewegung des Portals getragen.

Kartesische XY-Portalsysteme sind einfach zu konstruieren und zu bedienen. Sie bieten zudem hohe Präzision und Wiederholgenauigkeit und ermöglichen so eine hochpräzise Positionierung des Druckkopfes. Allerdings weisen sie Einschränkungen hinsichtlich Geschwindigkeit und Beschleunigung auf und weisen in einigen Punkten mangelnde Steifigkeit auf.

2. Ultimaker-Stil gekreuzt

Das Kreuzportalsystem im Ultimaker-Stil ist ein mechanisches Struktur- und Achsenbewegungssystem, das im 3D-Druck seltener zum Einsatz kommt. Es verfügt über zwei parallele Portale, die den Druckkopf oder Extruder entlang der X- und Y-Achse positionieren. Die Portale sind durch eine Querstrebe verbunden, die die Bewegung entlang beider Achsen durch gemeinsame Steifigkeit stabilisieren soll. Die Z-Achsenbewegung wird üblicherweise auf diesen beiden Achsen ausgeführt und nicht auf ein sich hebendes und senkendes Druckbett übertragen.

Bei diesem System ist das Druckbett typischerweise fest und stabil. Der Druckkopf bzw. Extruder bewegt sich entlang der X- und Y-Achse. Der Antrieb erfolgt über Schrittmotoren, die die Bewegung über Zahnriemen übertragen. Die beiden Portale können sich gleichzeitig bewegen. Dies ermöglicht eine gleichmäßige Krümmung und ruckfreie Bewegungen zwischen den Druckvorgängen, da plötzliche Richtungswechsel minimiert werden. Dieser Ansatz bietet zudem eine gute Stabilität während des Drucks, was sich positiv auf die Druckqualität auswirkt.

Dieser Designansatz ist komplexer und erfordert mehr Aufwand bei Einrichtung und Kalibrierung als einfachere Designs. Dies wird insbesondere dadurch beeinflusst, dass die Riemenantriebe eine sehr gute Ausrichtung erfordern, um eine präzise und wiederholbare Bewegung zu gewährleisten. Einige Benutzer berichten außerdem von Schwierigkeiten beim Zugriff auf das Druckbett, um während des Druckvorgangs Anpassungen vorzunehmen, da die beiden Portale den Zugang während des Druckvorgangs zeitweise blockieren können.

3. CoreXY

Ein CoreXY-Portalsystem ist eine Struktur im 3D-Druckerdesign mit stationären Schrittmotoren zum Antrieb der X- und Y-Achse. Dies reduziert die bewegte Masse im Portal während der Y-Achsenbewegungen, da der Y-Achsenantrieb ortsfest bleibt. Dies ermöglicht eine höhere Beschleunigung und präzisere Bewegungen des Druckkopfes und sorgt so für qualitativ hochwertigere Druckergebnisse.

Das CoreXY-System nutzt eine Reihe von Riemenscheiben und Umlaufriemen, die so angeordnet sind, dass sich die Antriebsriemen im Kern bzw. in der Mitte des Systems kreuzen. Der Antrieb der Zahnriemen bewegt den Druckkopf mit geringerer Trägheit sowohl in X- als auch in Y-Richtung.

Die geringere bewegte Masse ermöglicht eine leichtere Portalstruktur. Bei hohen Beschleunigungsmomenten muss weniger bewegte Masse Widerstand leisten. Dieser Ansatz reagiert empfindlicher auf Bandspannung und Gleitzustand als andere Systeme und kann komplex in Einrichtung und Kalibrierung sein. Die Beschleunigungskapazität wird als ausreichender Vorteil angesehen, um die Einrichtungsprobleme aufzuwiegen, daher ist dieses System bei einigen Anwendern der fortgeschrittenen Kategorie beliebt.

4. Kartesischer XZ-Kopf im i3-Stil

Der kartesische XZ-Kopf im i3-Stil wird häufig im 3D-Druckerbau eingesetzt. Bei diesem Ansatz wird die Druckplattform selbst angehoben und abgesenkt (Z-Achsenbewegung), während der Druckkopf separat auf dem Portal für die X- und Y-Achse transportiert wird. Der Extruder ist auf einem Schlitten montiert, der sich auf präzisionsgeschliffenen Wellen mit Kugelumlaufbuchsen entlang der X- und Y-Achse bewegt. Bei größeren und teureren Maschinen können die Schienen V-förmig sein und auf diesen Schienen Rollenlager laufen.

Dieses Design ist einfach und leicht zu konstruieren und daher eine beliebte Wahl für 3D-Drucker im Heim- und Hobbybereich. Es bietet gute Genauigkeit und Präzision bei kleineren Maschinen, erfordert aber aufgrund der relativ geringen Steifigkeit und hohen Trägheit im Allgemeinen eine moderate Beschleunigung und Richtungsänderung.

Der Hauptnachteil dieser Konstruktion besteht darin, dass es sehr schwierig sein kann, ein ebenes Druckbett beizubehalten und gleichmäßige Schichtdicken zu erzielen. Die im Vergleich zu anderen, teureren 3D-Druckerkonstruktionen geringe Steifigkeit kann bei höheren Achsengeschwindigkeiten/-beschleunigungen erhebliche Auswirkungen haben.

5. H-Bot

Der H-Bot ist ein Portalsystem, das in einigen 3D-Druckern zum Einsatz kommt. Es verwendet Riemenantriebe und Linearschienen in einem Layout, das, ähnlich wie das CoreXY-System, über stationäre Motoren zum Antrieb der X- und Y-Achse verfügt.

Die beiden Riemen für X- und Y-Richtung bilden die Form eines „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.

Das H-Bot-Layout kann stabiler und steifer sein als andere 3D-Druckerdesigns und sorgt so für qualitativ hochwertigere Druckergebnisse. Stationäre Motoren reduzieren die Systemträgheit, ermöglichen höhere Beschleunigungen und erfordern weniger Steifigkeit für eine gute Stabilität.

Das H-Bot-Design ist kompliziert einzurichten und schwer zu kalibrieren und erfordert Berichten zufolge mehr Wartung. Schon ein geringer Durchhang in den Bändern beeinträchtigt die XY-Präzision erheblich, was insbesondere bei der Wartung ein Problem darstellt, da sich Bänder dehnen können. Bei guter Wartung ist der H-Bot jedoch ein effektives Portalsystem, das hohe Qualität und hohe Geschwindigkeit liefert.