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Antriebstechnik Forschungsprojekt entwickelt 3D-Drucker für Prothesen

Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Monika Zwettler

Ein neuartiges 3D-Druckverfahren revolutioniert die Herstellung von Prothesen, stellt aber die Antriebstechnik vor Herausforderungen. Ecostep-Antriebe von JAT meistern diese.

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Bisher war die Herstellung von Prothesen und Orthesen aufwendig, langwierig und teuer. Ein neuartiges 3D-Druckkonzept soll dies ändern.
Bisher war die Herstellung von Prothesen und Orthesen aufwendig, langwierig und teuer. Ein neuartiges 3D-Druckkonzept soll dies ändern.
(Bild: JAT)

In der Vergangenheit war die Herstellung von Prothesen und Orthesen mit den herkömmlichen Verfahren langwierig, komplex und dementsprechend teuer. Abhilfe verspricht hier die additive Fertigung. Allerdings erkannte man im praktischen Umfeld der Orthopädietechnik rasch, dass die etablierten additiven Druckverfahren mit nur einem Druckkopf zu wenig wirtschaftlich sind, da der Fertigungsprozess zeitaufwändig ist und nicht die Erwartungen der Mediziner erfüllte.

Der Herausforderung, diese Situation zu verbessern, stellte sich das Pro-O-light Netzwerk zusammen mit der Hochschule Mittweida und Partnern aus der Maschinenbau- und Elektrobranche. Im Rahmen eines vom BMWI geförderten Projekts sollte ein neuer Drucker entwickelt werden, der einen rotierenden Arbeitstisch und bis zu vier gleichzeitig arbeitende Druckköpfe verwendet. Dank dieser neuartigen Herangehensweise lassen sich hohe Arbeitsgeschwindigkeiten realisieren.

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In weniger als 60 Minuten zur Prothese

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. Zudem entsteht mit dem neuen Verfahren eine leichtere Orthese mit einer offenen, angenehm zu tragenden Struktur. Einen entscheidenden Anteil dabei hat die Antriebstechnik, für die die JAT (Jenaer Antriebstechnik) zuständig ist.

Wie der 3D-Drucker arbeitet

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.

Anforderungen an die Antriebsstränge

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 ist 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 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 dabei 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 erforderlicher Fertigungsansatz.

Antriebssystem für preissensitive Anwendungen

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.

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. Der 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.

Antriebe für hochdynamische Anwendungen

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.

Auf der Zielgeraden

Schon jetzt, rund ein halbes Jahr vor Projektende, geht man davon aus, dass die gesteckten Zielkriterien, was Präzision und Dynamik anbetrifft, erreicht werden. Dass mit dem neuartigen Druckverfahren zur besseren medizinischen Versorgung beigetragen wird, macht ihr Engagement noch wertvoller. Wie so oft bei derartigen Projekten, bei denen mehrere Akteure beteiligt sind, steckt am Ende der Teufel im Detail und in der Abstimmung unter den Akteuren. Bereits jetzt werden Prototypen auf ihre Praxistauglichkeit getestet.

Dieser Beitrag wurde ursprünglich auf unserem Partnerportal Konstruktionspraxis veröffentlicht.

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