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3D-Hochgeschwindigkeits-Rotationsdruckverfahren revolutioniert Herstellung von Prothesen

 

Bei der Fertigung von Prothesen und Orthesen für die Orthopädie ist der Einsatz des 3D-Drucks sinnvoll, da es sich bei diesen in der Regel um Unikate handelt. An einem noch laufenden Forschungsprojekt des pro-O-light Netzwerkes, welches dieses Verfahren effizienter und wirtschaftlicher machen will, beteiligt sich, neben anderen Unternehmen, der Antriebspezialist JAT Jenaer Antriebstechnik.

Bei der orthopädischen Erstversorgung ist sowohl eine rasche als auch kostengünstige Herstellung von Prothesen-Elementen ein großes Problem, da es sich dabei praktisch ausnahmslos um Spezialanfertigungen handelt. Der Herausforderung, diese Situation zu verbessern, stellte sich das pro-O-light Netzwerk zusammen mit der Hochschule Mittweida und mehreren Partnern aus der Maschinen- und Elektrobranche.

In der Vergangenheit war der Herstellungsprozess von Prothesen mit den herkömmlichen Verfahren langwierig, komplex und dementsprechend teuer. Als Beispiel sei hier die Produktion von Kopforthesen aufgeführt: Diese werden vor allem bei der sogenannten Helmtherapie bei der Behandlung von Schädelverformungen- und asymmetrien bei Säuglingen in den ersten Lebenswochen angewendet.
Eine weitere Anwendungsform ist eine Kopforthese als Stabilisator nach einem Unfall. Bisher wurden diese Kopforthesen manuell gefertigt. Das 3D-Druckverfahren eröffnet bereits in anderen Branchen, was die Produktion in Losgröße 1 angeht, neue Produktionsmöglichkeiten. Mit einem völlig neuartigen 3D-Druckverfahren erfolgt nun auch die Herstellung einer Kopforthese ohne die mühsame Abnahme von Gipsabdrücken, die bei Säuglingen aufgrund des noch wachsenden Kopfes sogar mehrfach erfolgen muss, und es entsteht eine deutlich leichtere Orthese mit einer offenen, angenehm zu tragenden Struktur.

Ausgangslage

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

 

Der mechanische Aufbau des 3D-Duckers

Zur Realisierung der hohen Fertigungsgeschwindigkeit war es notwendig, mehrere Druckköpfe gleichzeitig und bei mittleren Verfahrwegen einzusetzen. Da sich diese jedoch während des Druckvorganges über ihre mechanischen Führungen behindern würden, galt es eine neue Technologie zu entwickeln. Diese bestand darin, das Werkstück nicht wie herkömmlich auf einem festen oder in XYZ-Richtung bewegbaren Tisch zu positionieren, sondern während des Druckvorganges in eine Rotation zu versetzen. Da bei den Geometrien ohnehin eine tangentiale Ausrichtung der Druckkopfdüse zum Werkstück gegeben ist, lassen sich dadurch wesentlich höhere Druckgeschwindigkeiten realisieren.

Durch die kontinuierliche Rotation des Werkstücks sind die Verfahrwege der Druckköpfe auf ein Minimum reduziert.

Die Kombination aus radialer Bewegung der Druckköpfe, der Rotation des Werkstücks und einem weiteren Hubmechanismus am Arbeitstisch ermöglicht praktisch die Herstellung von räumlichen Freiformobjekten.

Anforderungen an die Antriebsstränge

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.

Die Realisierung der Antriebe

Der mechanische Aufbau des 3D-Hochgeschwindigkeits-Rotationsdruckers benötigt insgesamt zwölf Ecostep-Antriebe. Für die horizontalen und vertikalen Y und Z-Linearachsen, die für eine flexible Positionierung des Extruders verantwortlich sind, kommen Spindelantriebe zum Einsatz. Beim Motor handelt es sich um den Ecostep-Motor aus der Baureihe 23S21 mit einer Absolutwert-Encoder-Rückführung. Derselbe Antriebstyp positioniert auch den Rundtisch. Zur Förderung des Materials in den speziell für diesen Einsatz entwickelten Druckköpfen werden vier Ecostep-Motoren des Typs 17H13 mit Inkremental-Encoder verwendet. Diese drei Achsen werden linear interpoliert. Dieser Algorithmus ist in den Servoverstärkern Ecovario D114 integriert. Da es sich bei diesem Servoverstärker um eine kompakte Doppelendstufe handelt, steuern sechs Verstärker die insgesamt zwölf Motoren an.

Um ein bestmögliches Druckresultat in Bezug auf Präzision und Geschwindigkeit zu erreichen, ist eine hohe Bahntreue der Antriebe unabdingbar. Gerade bei solchen hochdynamischen Anwendungen spielen die Ecostep-Antriebe ihre Stärken aus, denn auch bei auftretenden Lastschwankungen ist, dank der Positionsrückführung, eine genaue Verfolgung der vorgegebenen Bahn gewährleistet. Denn bei den Ecostep-Antrieben wird, analog zu klassischen jedoch auch teureren Servoantrieben, sowohl Geschwindigkeit als auch die Position geregelt.

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