antriebstechnik 6/2020

ELEKTROMOTOREN

ELEKTROMOTOREN SERVOMOTOREN PROTHESEN-UNIKATE ZUM AUSDRUCKEN Orthopädische Prothesen und Orthesen per 3D-Drucker herzustellen, beschäftigt die Industrie seit langem. In einem laufenden Forschungsprojekt wurde ein Rotationsdruckverfahren entwickelt, das in absehbarer Zeit die Basis für eine schnelle und rentable Marktanwendung bilden soll. Kathleen Stöhr ist Marketingleiterin bei der Jenaer Antriebstechnik GmbH in Jena 42 antriebstechnik 2020/06 www.antriebstechnik.de

ELEKTROMOTOREN Ein großes Problem der orthopädischen Erstversorgung ist die rasche als auch kostengünstige Herstellung von Prothesen-Elementen. Grund ist, dass es sich bei Prothesen in überwiegender Anzahl um Spezialanfertigungen handelt. Um diese Situation zu verbessern, hat das Pro-O-Light-Netzwerk gemeinsam mit der Hochschule Mittweida und diversen Partnern aus der Maschinenbau- und Elektrobranche ein Forschungsprojekt von großer perspektivischer Zukunft aufgestellt, das auch vom BMWI (Bundesministerium für Wirtschaft und Energie) gefördert wird. In der Vergangenheit war der Herstellungsprozess von Prothesen und Orthesen 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 zur Behandlung von Schädelverformungen und -asymmetrien bei Säuglingen in den ersten Lebenswochen angewendet. Eine weitere Anwendungsform ist die Kopforthese zur Stabilisierung nach einem Unfall. Bisher wurden Kopforthesen nur manuell gefertigt. Das 3D-Druckverfahren hat bereits in anderen Branchen, was die Produktion in Losgröße 1 angeht, neue Herstellungsmöglichkeiten eröffnet. Im praktischen Umfeld der Orthopädietechnik blieben die etablierten additiven Druckverfahren mit nur einem Druckkopf allerdings zunächst hinter den Erwartungen zurück. Der Fertigungsprozess war sehr zeitaufwändig, kaum wirtschaftlich und erfüllte nicht die Anforderungen der Mediziner. Ein neuartiges 3D-Druckverfahren ermöglicht nun die Herstellung einer Kopforthese ohne die mühsame Abnahme von Gipsabdrücken, die bei Säuglingen aufgrund des noch wachsenden Kopfes sogar mehrfach erfolgen muss. Mit dem neuen Verfahren entsteht eine deutlich leichtere Orthese mit einer offenen, angenehm zu tragenden Struktur. MECHANISCHER AUFBAU Die Besonderheit der neuen 3D-Drucktechnik ist der rotierende Arbeitstisch und die bis zu vier gleichzeitig aktiven Druckköpfe. Diese Herangehensweise ermöglicht extrem hohe Arbeitsgeschwindigkeiten. 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. Damit sich die Druckköpfe bei mittleren Verfahrwegen während des Druckvorganges über ihre mechanischen Führungen nicht behindern, galt es eine neue Technologie zu entwickeln. Die Lösung 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. 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 (JAT) als Partner. Ausschlaggebend für die Wahl waren vor allem die lokale Nähe sowie das breite Portfolio und die hohe Kompetenz in der Antriebstechnik. 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, ihr Leistungsspektrum für 3D-Druck-Lösungen zu erweitern und das innovative Potenzial für die Adaption weiterer Anlagen zu nutzen. Die Konstrukteure gehen davon aus, dass der neuartige Druck die Prozessgeschwindigkeit um den Faktor zehn erhöhen kann. Die gleichzeitige Aktivität mehrerer Köpfe sowie EIN VOLLKOMMEN NEUARTIGER FERTIGUNGSANSATZ eine zusätzliche Erhöhung der Druckgeschwindigkeit, macht allerdings die Entwicklung eines Druckkopfes mit neuer Düsen-Geometrie erforderlich. Hier kommt das spezielle Druckkopfantriebskonzept von JAT zum Einsatz. Eine der größten Herausforderungen bestand im Zusammenspiel der Druckköpfe und deren Antrieben. Die Druckköpfe müssen, entgegen dem aktuellen Stand der Technik, nicht nacheinander ihre Arbeitsposition anfahren und dort den Druckvorgang vollziehen, sondern sich gleichzeitig individuell zur druckenden Geometrie positionieren – 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. Um das Kostenziel zu erreichen, entschied sich die Jenaer Antriebstechnik für das Ecostep-Antriebssystem. Es eignet sich besonders gut für preissensitive Anwendungen, da es mit einem hochpoligen Servomotor mit Rückführung in