3D プリンティングにおけるガントリー システム:利点、欠点、および重要な考慮事項

ガントリー システムは、3D プリンター、レーザー カッター、CNC ルーターなどの工作機械用の精密モーション システムを作成するためのアプローチです。高精度モーション ガントリーを作成するためのさまざまなアプローチが重要な点で異なるため、この用語は構造の正確な定義を提供しません。ガントリー システムはポイントにも使用できます。 FDM/FFF や Desktop Metal の MetalX システムなどのアプリケーション印刷システムですが、エリアのサポートにも使用されます。 OBJET などのアプリケーション プリントヘッド、バインダー ジェッティング システム、さらには積層オブジェクト製造 (LOM) にも使用できます。

ある点では、ロボット積層造形で使用されるロボット アームは、3 軸直交位置決めではなく部分的に極座標ジオメトリを使用することが多いにもかかわらず、ガントリー システムとみなすこともできます。これは通常、ロボット自体がガントリーに取り付けられている場合にのみ適用されます。

この記事では、3D プリント用のガントリー システムとは何か、またその長所と短所について説明します。

3D プリント用のガントリー システムとは何ですか?

ガントリー システムは、ポイントまたはエリア アプリケーションの 3D プリントヘッドをサポートします。これは、ヘッドが造形領域を横切り、造形内の必要な点に正確に材料を塗布できるようにする動作軸の少なくとも一部を提供します。多くの場合、1 つ以上の軸がテーブルの動きによって処理されます。ただし、これはガントリー フレームに取り付けられており、本質的にガントリーと一体であると考えることができます。詳細については、3D プリントの仕組みに関するガイドを参照してください。

3D プリント プロジェクトにおけるガントリー システムの利点は何ですか?

ガントリー システムの使用に基づいて 3D プリンタを構築すると、次のようなさまざまな利点があります。

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3D プリンタのプリントヘッドまたは押出機の正確な位置決めと動作制御を提供する低コストの方法として広く考えられています。これにより、比較的低コストの構造で、正確かつ再現可能な位置決めと高速動作の制御が可能になります。これにより、高価な機器を必要とせずに、印刷されるファイルの再現性が向上します。

プリントヘッドまたはエクストルーダーを、反力による位置ずれを発生させることなく迅速に加速および減速できるようにします。移動間でのプリントヘッドの位置決めを高速化できるようになります。 印刷操作により、全体的な印刷時間が短縮されます。

大幅な再設計を行わずに、さまざまなプリント ベッドのサイズや形状に対応できます。これにより、さまざまなサイズのマシンにわたって部品とモーション コントロールの共通化が可能になります。ほとんどのガントリーは押し出し成形またはレーザーカットして折り畳んだ材料で作られているため、構造部材と駆動機構を長くするだけで機械のサイズを大きくすることができます。このオプションは、最終的にモーションの精度が低下する剛性の損失によってのみ制限されます。

ガントリー システムの堅牢な構造は、印刷操作中、特に位置決め移動中に構造的安定性を提供するように設計する必要があります。これにより、印刷の品質に影響を与える振動のリスクが軽減されます。

ドライブ、ベアリング、トランスミッション部品へのオープン アクセスを提供します。これにより、ガントリーベースのマシンのメンテナンスが容易になります。可動部品が最小限に抑えられ、目に見えるアクセス可能な機構を備えた設計により、清掃や検査も容易になります。

3D プリント プロジェクトにおけるガントリー システムの欠点は何ですか?

ガントリー システムには、3D プリンタの構築と操作において次のようなさまざまな利点があります。

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より複雑で剛性の高いガントリー システムは、非常に大きく重くなる可能性があります。そのため、設置や移動が難しく、設置には広いスペースが必要になります。

ガントリー システムを使用して構築された大型の機械は、そのサイズと複雑さのため、機械構造に対する他のアプローチよりもコストが高くなる可能性があります。

立方体ガントリー システムを備えたマシンでは、プリント ベッドへのユーザーのアクセスが制限される場合があります。これにより、完成した印刷物の削除が妨げられたり、印刷プロセス中に必要な調整がユーザーにとって困難になったりします。

オープン ガントリー プリンターでは、印刷中にノイズや振動が発生する可能性があり、特に通常はフレーム部品に固定されているステッピング モーターの共振が増幅されます。これは、静かな環境では気が散ったり、混乱をきたしたりする可能性があります。

3D プリント用のさまざまなタイプのガントリー システムとは何ですか?

3D プリンティング市場全体では、さまざまな特定のガントリー システムが採用されています。これには以下が含まれます:

1.デカルト XY ヘッド

デカルト XY ヘッド ガントリー システムは、3D プリンター (および他のさまざまな種類の CNC マシン) で一般的に使用されるモーション コントロール システムの一種です。この構築アプローチでは、ガントリーの X 軸に沿ってプリントヘッドまたはエクストルーダーを移動し、ガントリー全体を移動することによって Y 軸を移動します。これには、Y 軸上で大きな質量を移動させることが含まれる可能性があり、特に高加速操縦中に機械の振動のリスクが高まる可能性があります。

このようなガントリー システムでは、プリント ベッドが固定され、プリントヘッドまたは押出機が 2 つの直交軸に沿って移動し、通常は再循環ボール リニア ベアリングを備えた接地シャフト上で動作します。より高価なバージョンでは、ガイドとして外部に V 溝付きローラー ベアリングを備えた V レールが使用されることが多く、その結果ベアリングの摩耗が軽減されます。 X 軸は通常、アクロスとして定義されます。 s マシン、Y 軸は後方/ 前方を向いています。 デバイスに対して。 Z 軸は、プリントヘッドまたはエクストルーダーの垂直高さを位置決めし、ガントリーの X 運動によって運ばれます。

デカルト XY ガントリー システムはシンプルで、構築と操作が簡単です。また、優れた精度と再現性も備えているため、プリントヘッドの高精度な位置決めが可能になります。ただし、速度と加速の点で制限があり、いくつかの点で剛性が不足する場合があります。

2.アルティメーカースタイルのクロス

Ultimaker スタイルのクロス ガントリー システムは、3D プリンティングではあまり使用されていない機械構造および軸運動システムです。プリントヘッドまたはエクストルーダーを X 軸と Y 軸に沿って配置する 2 つの平行なガントリーを備えています。ガントリーはクロスバーで接続されており、剛性を共有することで両軸に沿った動きを安定させることを目的としています。 Z 軸の動きは通常、上昇および下降するプリント ベッドに委譲されるのではなく、これら 2 つの軸上で実行されます。

このシステムでは、通常、プリント ベッドは固定されており安定しています。プリントヘッドまたはエクストルーダーは、X 軸と Y 軸の両方に沿って移動します。これらは、歯付きベルトを介して動きを伝達するステッピング モーターによって駆動されます。 2 つのガントリーは同時に移動できます。これにより、突然の方向の変化が最小限に抑えられるため、印刷操作間の滑らかな曲率とぎくしゃくした動作が可能になります。このアプローチは印刷中の安定性も高く、印刷結果の品質にメリットをもたらします。

この設計アプローチはより複雑で、単純な設計よりもセットアップとキャリブレーションに多くの労力が必要です。これは、正確で再現性のある動作を保証するために非常に優れた位置合わせを必要とするベルト ドライブによって特に影響を受けます。また、一部のユーザーは、印刷中に 2 つのガントリーがアクセスを妨げることがあるため、印刷中に調整するためにプリント ベッドにアクセスするのが難しいと報告しています。

3.コアXY

CoreXY ガントリー システムは、X 軸と Y 軸を駆動する固定ステッピング モーターを備えた 3D プリンター設計で使用される構造です。これにより、Y 軸ドライブが所定の位置に固定されたままとなるため、Y 軸の移動中にガントリー内で移動する質量が軽減されます。これにより、プリントヘッドのより高い加速とより正確な動きが可能になり、より高品質の印刷結果が得られます。

CoreXY システムは、駆動ベルトがシステムのコアまたは中心で互いに交差するように配置された一連のプーリーと再循環 (ループ) ベルトを使用して機能します。歯付きベルトを駆動すると、プリントヘッドがより低い慣性で X 方向と Y 方向の両方向に移動します。

移動する質量が少なくなると、ガントリー構造の軽量化が可能になります。高加速の瞬間に抵抗する移動質量が少なくなります。このアプローチは、他のシステムよりもベルトの張力とスライドの状態に敏感であり、セットアップと校正が複雑になる可能性があります。加速能力はセットアップの問題を上回る十分な利点があると考えられているため、このシステムはより高度なカテゴリの一部のユーザーの間で人気があります。

4. i3 スタイル デカルト XZ ヘッド

i3 スタイルの Cartesian-XZ-Head は、3D プリンターの設計で非常に広く使用されています。このアプローチでは、プリント プラットフォーム自体が昇降 (Z 軸動作) され、プリントヘッドは X 軸のガントリー上で個別に搬送されます。押出機は、再循環ボール ブッシュを使用して精密研削シャフト上を X 軸に沿って移動するキャリッジに取り付けられています。より大型でより高価な機械では、レールが V 形になっており、これらのレール上でローラー ベアリングが動作します。より高い精度を得るために、リニア レールとスライダー ベアリングも使用できます。

i3 タイプ 3D プリンタでは、通常、Y 軸は移動ベッドであり、ガントリーが X 軸を制御している間、前後に移動します。これは一般に「ベッドスリンガー」タイプの 3D プリンタと呼ばれます。

このデザインはシンプルで組み立てが簡単なので、家庭用/ホビー用 3D プリンターとして人気があります。小型の機械では優れた精度と精度を実現しますが、一般に、比較的低い剛性と高い慣性により、適度な加速と方向変化が必要です。

この設計の主な欠点は、床を水平に維持し、層の厚さを一定に保つことが非常に難しいことです。他の高価な 3D プリンタ設計と比較して剛性が低いため、軸速度や加速度が高い場合に非常に重大な影響を与える可能性があります。

5. Hボット

H-bot は、一部の 3D プリンターで採用されているガントリー システムです。 CoreXY システムと同様に、X 軸と Y 軸を駆動する固定モーターを備えたレイアウトでベルト ドライブとリニア レールを使用します。

XとYの2本のベルトは「H」の形をしています。 X 軸の動きは両方のベルトが同時に動作する組み合わせの動きの結果であり、Y 軸の動きは両方のベルトの協調した動きによって実現されます。

設計に応じて、Z 軸はガントリーを上昇/下降させることも、プリント ベッドを上昇/下降させることもできます。

H-bot レイアウトは、他の 3D プリンター設計よりも安定性と剛性が高く、高品質の印刷結果が得られます。固定モーターはシステムの慣性を低減し、より高い加速を可能にし、安定性を高めるために必要な剛性を軽減します。

H ボットの設計はセットアップが複雑で、調整が難しく、より多くのメンテナンスが必要であると報告されています。ベルトにわずかなたるみが生じると、X-Y 精度が大きく損なわれます。ベルトは伸びる可能性があるため、これはメンテナンス時に特に問題となります。ただし、適切にメンテナンスされていれば、H ボットは高品質およびを実現できる効果的なガントリー システムです。 高速。

ガントリー システムはどのようにメンテナンスされますか?

3D プリンタの軸駆動システムは、効果的な動作を確保するために定期的なチェックとメンテナンスが必要です。 OEM が推奨するメンテナンス手順を確認することをお勧めします。以下に、ガントリー システムを保守する方法に関する一般的なヒントをいくつか示します。

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ドライブベルトの張力を定期的に確認してください。ベルトがきつすぎると過度の摩耗が発生し、ベルトが緩いと精度と再現性に影響します。

スムーズな動きを維持し、摩耗を軽減するために、すべての座面に潤滑剤が塗布されていることを確認してください。メーカー推奨の潤滑剤を使用し、過剰に潤滑しないでください。

ドライブ ベルトに摩耗、擦り切れ、亀裂、伸びがないか確認します。 

ベルトアイドラーとドライブプーリーの位置が合っていることを確認します。位置がずれていると、ベルトの滑りや摩耗が早くなり、軸の応答性に影響を与えたり、モーターが過熱したりする可能性があります。

軸駆動ステッピング モーターの温度は、ドライブの問題を示す指標となる可能性があります。モーターの熱を監視することは、さまざまな問題についてユーザーに警告するのに役立ちます。

特に軸駆動システムを中心に、プリンタ全体をクリーニングします。ほとんどの摩耗（およびその後の故障）は、可動部品やベアリング部品の汚れが直接的な原因です。

ガントリー システムは 3D プリントでどのように機能しますか?

ガントリー システムは、プリントヘッドを移動させるキャリッジおよびドライブ機能を提供します。具体的なプロセスは、3D プリント用のガントリー システムの種類によって異なります。 3D プリンタのガントリー システムは、次の 4 つの基本カテゴリに分類されます。

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デスクトップ FDM/FFF プリンタでは、多くの場合、ガントリーはプリントヘッドを搭載するアーチです。プリントヘッドをビルド テーブル上で軸方向 (X 方向) に移動し、昇降 (Z 方向) させます。動作の Y 軸は、ビルド テーブルの動きによって処理されます。これにより、ガントリーを Y 軸上で静止させることができるため、構造的な剛性の必要性が軽減されます。

他の FDM/FFF プリンタでは、Y 軸はガントリ全体を Y 軸で移動することによって処理されます。これには、加速および減速時の Y 軸の振動を避けるために、ガントリーの Y 方向の剛性を高める必要があります。

揺れや振動を発生させずに高速な移動を可能にする、より剛性の高いガントリー構造は、3 軸すべての動きをしっかりと保持するキューブ フレームです。このシステムは中型以上のマシンでよく使用されます。より高精度のプリントヘッド位置決め結果により、より高速な動作と加速を実現できます。

3D プリント ガントリー システムの寿命はどれくらいですか?

ガントリーベースの 3D プリンターは、条件付きで基本的に無制限の機能寿命を持つことができます。これらの条件は、メンテナンスが定期的かつ徹底的であること、部品が入手可能な状態にあること、必要なメンテナンスと修理を行うことに商業的価値があることです。ガントリー ベースの 3D プリンターは、機能部品と構造部品の集合体であり、システム全体の耐久性は最も弱い部分に依存します。

ガントリー システムはハウスを印刷できますか?

3D プリントは実際に住宅やその他の大きな構造物を建設できます。建物の 3D プリントは、研究が増加しており、商業化の初期の試みが行われている分野です。住宅やその他の公共建築物が 3D プリントされた例は複数あり、通常はガントリーベースのコンクリート プリンターやモバイル ロボット アームを使用します。

このタスクの実行に使用される 3D プリンター システムは、FDM/FFF 印刷と同様の手段で動作し、完全な構造を印刷できるトラックとしてコンクリートのビードを押し出します。現在、一部の側面は手動介入によって実行されます。窓やドアのまぐさなどのアイテムは、現時点ではオーバーハングの下に「サポート」印刷ができないため、手作業で取り付ける必要があります。

現在行われているアプローチでは垂直の壁しか印刷できず、屋根構造には対応できません。配管や電気、窓の設置や内張り、仕上げ作業に至るまで、他のすべての側面は手作業であり、これらを自動化する目途はすぐにはありません。

ガントリー システムの印刷可能領域は限られていますか?

はい、範囲内には非常に制限されたボリュームがあります。 印刷可能なガントリー。ガントリーは、通常、典型的な 3D プリント機のプリント可能領域/体積のかなり外側に位置する構造です。 

ガントリー システムは 3D ソフトウェアに依存しますか?

ガントリー ベースの 3D プリンタ (他の 3D プリンタと同様) は、最終パーツを製造するためにさまざまな 3D ソフトウェア タイプに大きく依存します。

印刷用のモデルを作成するには、設計段階で 3D CAD を使用する必要があります。次に、モデルをレイヤーで印刷するには、スライサー ソフトウェアでモデルをスライスする必要があります。スライスされたレイヤーは通常、G コードに変換され、最終形状を印刷するためにツールヘッドがたどる必要があるパスを 3D プリンターに指示します。これは、3D プリントと CNC 加工の両方で「ツールパス」と呼ばれます。

3D プリント用のさまざまなガントリー システムの違いは何ですか?

3D プリントに使用できるさまざまなガントリー システムには、いくつかの大きな違いがあります。 3D プリンターの構築に使用されるガントリー システムにはさまざまなタイプがあり、それぞれに独自の長所と短所があります。主な違いは次のとおりです。

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剛性: 柔軟性を高めると、プリンターの加速許容度が低下します。これは、高い加速度が構造を破壊し、振動や発振を誘発し、印刷プロセスに支障をきたす可能性があるためです。

重量: マシンの重量が重いと、安定性が向上するという利点があります。より高い移動 パーツ ただし、重量がある場合、加速点や方向転換時の揺れを避けるために、より大きな駆動力とより大きな剛性が必要になります。

費用: 軽量でシンプルな構造はコストが低くなりますが、構造が不十分だと精度が低く、パフォーマンスが低下します。

メンテナンス: ガントリー システムには、メンテナンスが簡単なものもあれば、プロセスがはるかに困難になるものもあります。

詳細については、3D プリント用のロボット アームとガントリー システムに関する完全ガイドをご覧ください。

概要

この記事では、ガントリー システムを紹介し、その概要を説明し、その仕組みとさまざまなタイプについて説明しました。ガントリー システムの詳細については、Xometry の担当者にお問い合わせください。

Xometry は、プロトタイピングや生産のあらゆるニーズに対応する 3D プリンティングやその他の付加価値サービスを含む、幅広い製造機能を提供します。詳細を確認するか、義務のない無料の見積もりをリクエストするには、当社の Web サイトにアクセスしてください。

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ディーン・マクレメンツ

Dean McClements は機械工学の学士優等学位を取得しており、製造業界で 20 年以上の経験があります。彼の職業上の経歴には、Caterpillar、Autodesk、Collins Aerospace、Hyster-Yale などの大手企業で重要な役割を果たし、そこでエンジニアリング プロセスとイノベーションに対する深い理解を深めました。

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