3D-Rotationsdruckverfahren revolutioniert Herstellung von Prothesen

Im praktischen Umfeld der Orthopädietechnik erkannte man rasch, dass die etablierten additiven Druckverfahren mit nur einem Druckkopf zu wenig wirtschaftlich sind, da der Fertigungsprozess sehr zeitaufwändig ist und nicht die Erwartungen der Mediziner erfüllte. Die Lösung dieser Problematik bestand in einem neu zu entwickelndem Drucker, der einen rotierenden Arbeitstisch und bis zu 4 gleichzeitig arbeitende Druckköpfe verwendet. Dank dieser neuartigen Herangehensweise lassen sich extrem hohe Arbeitsgeschwindigkeiten realisieren. Da die Druckköpfe nur unidirektional arbeiten, ist die Ausbildung einer besonderen Druckkopfdüsengeometrie möglich. Bei einem durchschnittlichen Einsatz von vier Druckköpfen lässt sich eine Prothese in unter 60 Minuten drucken.

Einen entscheidenden Anteil hat bei diesem Verfahren die Antriebstechnik. Nach sorgfältiger Recherche entschied sich die FGMD GmbH, die das Netzwerkmanagement und die Projektkoordination verantwortet, für die Jenaer Antriebstechnik als Partner. Ausschlaggebend für die Wahl waren vor allem die lokale Nähe sowie das breite Portfolio und die hohe Kompetenz in der Antriebstechnik

Mit dem Forschungsprojekt bot sich für die JAT die Gelegenheit, das Geschäftsfeld um ein innovatives und neuartiges 3D-Druckverfahren zu erweitern. Dadurch erhält die JAT die Chance, das Leistungsspektrum für 3D-Druck-Lösungen zu erweitern, zumal ein hohes Potenzial zur Adaption der Entwicklung für weitere Anlagen besteht.

Zur Erreichung der erforderlichen Prozessgeschwindigkeit beim Drucken der Prothesen wird ein spezielles Druckkopfantriebskonzept benötigt. Der neuartige Druck wird es ermöglichen, die Prozessgeschwindigkeit um den Faktor zehn zu steigern. Dazu sind der gleichzeitige Einsatz mehrerer Köpfe und eine zusätzliche Erhöhung der Druckgeschwindigkeit durch die Entwicklung eines Druckkopfes mit neuer Düsen-Geometrie erforderlich.

Im Zusammenspiel der Druckköpfe und deren Antrieb in dieser Komposition bestand eine der größten Herausforderungen. Die Druckköpfe müssen, entgegen dem aktuellen Stand der Technik, nicht nacheinander ihre Arbeitsposition anfahren und dort den Druckvorgang vollziehen, sondern sie positionieren sich gleichzeitig individuell zur druckenden Geometrie – eine Kollision der Druckköpfe ist ausgeschlossen. So sind sie an der jeweiligen Tangente zum richtigen Zeitpunkt platziert, und während dieses dynamischen Prozesses wird die richtige Menge an Druckmaterial extrudiert. Der sich ständig ändernde Umfang, verschiedene Geschwindigkeiten für den jeweiligen Druckkopf, die damit verbundene Berechnung unterschiedlicher Mengen an Material und die Abhängigkeit dieser Komponenten sind ein vollkommen neuartiger, aber notwendiger Fertigungsansatz.

Um das Kostenziel zu erreichen, entschied man sich für das Ecostep-Antriebssystem. Es eignet sich besonders gut für preissensitive Anwendungen, da es mit einem hochpoligen Servomotor mit Rückführung in Form eines Encoders arbeitet. Damit werden gegenüber den Antriebstechnologien ohne geschlossenen Lageregler eine wesentlich höhere Dynamik und Betriebssicherheit erreicht, da keine Gefahr besteht, dass der Motor seine Position verliert. Zudem bietet der Antriebsregler eine hohe Konnektivität an übergeordnete Systeme wie zum Beispiel eine SPS. So sind Schnittstellen wie CANopen, EtherCAT, PROFIBUS, PROFINET, Ethernet, RS485, RS232 verfügbar. Für das 3D-Druck Projekt kam eine Siemens SPS S7-1500 mit TIA-Portal zum Einsatz. Die Ecostep-Antriebe wurden über PROFINET angesteuert.