DE102020118033A1

DE102020118033A1 - Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objektes und Vorrichtung dazu

Info

Publication number: DE102020118033A1
Application number: DE102020118033.0A
Authority: DE
Inventors: Lars Benjamin Finke
Original assignee: Ottobock SE and Co KGaA
Current assignee: Ottobock SE and Co KGaA
Priority date: 2020-07-08
Filing date: 2020-07-08
Publication date: 2022-01-13
Also published as: US20230347573A1; WO2022008356A1

Abstract

Die Erfindung Verfahren zum Herstellen eines 3-dimensionalen Objektes mittels eines additiven Fertigungsverfahrens, bei dem ein Fertigungsmaterial durch wenigstens eine Einbringöffnung wenigstens einer Einbringnadel in einem fließfähigen Zustand in ein Stützmaterial eingebracht wird und danach aushärtet, dadurch gekennzeichnet, dass die Einbringöffnung derart eingerichtet ist, das durch sie entlang einer Einbringlinie Fertigungsmaterial in das Stützmaterial einbringbar ist und dass die Einbringnadel von einer Startposition zu einer Endposition bewegt wird, die so nah beieinander liegen, dass die Einbringnadel entlang einer zumindest nahezu geschlossenen Bahn bewegt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines 3-dimensionalen Objektes mittels eines additiven Fertigungsverfahren, bei dem ein Fertigungsmaterial durch wenigstens eine Einbringöffnung wenigstens einer Einbringnadel in einem fließfähigen Zustand in ein Stützmaterial eingebracht wird und danach ausgehärtet. Die Erfindung betrifft zudem eine Vorrichtung zum Durchführen eines derartigen Verfahrens.
Additive Fertigungsverfahren sind heute in vielen Formen aus dem Stand der Technik bekannt und werden zur Herstellung sehr unterschiedlicher dreidimensionale Objekte verwendet. Herkömmlicherweise sind additive Fertigungsverfahren zum Herstellen großer Stückzahlen der jeweiligen Objekte kaum geeignet, da die Herstellung einzelner Objekte viel Zeit in Anspruch nimmt. Bei additiven Fertigungsverfahren, insbesondere beim 3-D-Drucken, wird das herzustellende Objekt aus einer Vielzahl sehr dünner übereinander angeordneter Schichten aufgebaut, die oftmals nur einige Mikrometer dick sind. Daher ist die Herstellung insbesondere großer Objekte zeitaufwendig und hat sich deswegen zur Herstellung großer Stückzahlen noch nicht durchgesetzt.
In den vergangenen Jahren sind auf diesem Gebiet große Fortschritte erzielt worden. Beispielsweise wurde vom MIT ein 3-dimensionales Druckverfahren entwickelt, das beispielsweise in der US 2018/281295 A1 veröffentlicht wurde. Dabei wird das herzustellende Objekt in einem Behälter erzeugt, der eine Gelsuspension oder ein anderes Material als Stützmaterial beinhaltet, das mit dem Fertigungsmaterial nicht chemisch reagiert. Es dient ausschließlich zum Stützen des Fertigungsmaterials, solange dieses noch nicht ausgehärtet oder ausreichend vernetzt ist. Bei dem Verfahren wird das Fertigungsmaterial in einem fließfähigen Zustand, beispielsweise flüssig oder gelförmig, an die gewünschte Position innerhalb des Stützmaterials eingebracht. Dazu wird wenigstens eine Einbringnadel verwendet, die in drei Richtungen verschoben werden kann, die linear unabhängig voneinander sind. Aufgrund der rheologischen Eigenschaften der Materialien und der Dichteverhältnisse zwischen dem Fertigungsmaterial und dem Stützmaterial verbleibt das eingebrachte Fertigungsmaterial an der jeweiligen Position, sodass auf besonders schnelle Weise dreidimensionale Objekte gedruckt werden können, in dem das Fertigungsmaterial an die gewünschten Stellen gebracht wird und anschließend dort vernetzt, erstarrt oder ausgehärtet. Dieses Verfahren ist gegenüber bisherigen 3-D-Druckverfahren deutlich schneller und ermöglicht es, auch flexible oder elastische Gegenstände herzustellen und eine größere Bandbreite an in traditionellen Guss-Prozessen etablierten Materialien zu nutzen. Ein ähnliches Verfahren wird von der Firma NSTRMNTS unter http://nstrmnt.eom/#/suspended-depositions/ beschrieben.
Auch bei diesen Verfahren werden jedoch flächige Objekte aus einer großen Anzahl unterschiedlicher Lagen aufeinander aufgebaut, wodurch auch dieses Verfahren zeitaufwendig ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein ordnungsgemäßes Verfahren so zu verbessern, dass dreidimensionale Objekte schneller hergestellt werden können.
Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe durch ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dass sich dadurch auszeichnet, dass die Einbringöffnung derart eingerichtet ist, dass durch sie entlang einer Einbringlinie Fertigungsmaterial in das Stützmaterial einbringbar ist und dass die Einbringnadel von einer Startposition zu einer Endposition bewegt wird, die so nah beieinander liegen, dass die Einbringnadel entlang einer zumindest nahezu geschlossenen Bahn bewegt wird.
Erfindungsgemäß ist es folglich möglich, das Fertigungsmaterial entlang einer Einbringlinie in das Stützmaterial einzubringen. Die Einbringlinie erstreckt sich dabei entlang der Einbringnadel. Bevorzugt ist es möglich, gleichzeitig entlang der gesamten Einbringlinie Fertigungsmaterial in das Stützmaterial einzubringen. Die Form der Einbringlinie wird dabei an das herzustellende Objekt angepasst. Sie ist in der Regel während des Herstellens nicht veränderbar. Soll eine andere Einbringlinie verwendet werden, muss in der Regel die wenigstens eine Einbringnadel gewechselt werden. Dazu wird bevorzugt das Herstellen unterbrochen, die auszuwechselnde Einbringnadel aus dem Behälter entnommen und durch eine andere Einbringnadel ersetzt, die dann Teil einer Herstell-Vorrichtung wird, die bei dem Durchführen des Verfahrens verwendet wird.
Die Einbringnadel wird entlang einer Bahn bewegt, die zumindest nahezu, besonders bevorzugt jedoch vollständig, geschlossen ist. Folglich erhält auch das herzustellende Objekt einen zumindest nahezu, bevorzugt jedoch vollständig geschlossenen Querschnitt. Durch die Kombination der Einbringlinie mit der zumindest nahezu geschlossenen Bahn, entlang der die Einbringnadel bewegt wird, ergibt sich bereits nach einem Umlauf entlang der Bahn ein 3-dimensionales Objekt. Wird der Verlauf, die Erstreckung und/oder die Länge der Einbringlinie geschickt gewählt, kann auf diese Weise mit einem einzigen Umlauf der Einbringnadel entlang der Bahn zumindest ein großer Teil des herzustellenden 3-dimensionalen Objekts, bevorzugt jedoch das gesamte dreidimensionale Objekt, hergestellt werden. Dadurch wird das Verfahren deutlich beschleunigt und die Herstellungskosten gesenkt.
Vorzugsweise wird die Einbringnadel beim Bewegen von der Startposition zu der Endposition derart bewegt, dass die Einbringöffnung eine definierte, bevorzugt zeitlich feste, Ausrichtung relativ zu der Bewegungsrichtung der Einbringnadel aufweist, wobei die Einbringöffnung vorzugsweise in Bewegungsrichtung nach hinten oder quer zur Bewegungsrichtung weist. Quer zur Bewegungsrichtung bedeutet dabei insbesondere, dass die Einbringöffnung in eine Richtung weist, die senkrecht auf der momentanen Bewegungsrichtung der Einbringnadel steht.
Vorzugsweise ist die Einbringnadel nicht nur entlang dreier Richtungen bewegbar, sondern auch um eine Rotationssachse, die bevorzugt die Längsrichtung der Einbringnadel ist, drehbar gelagert. Besonders bevorzugt verfügt eine Vorrichtung, die zum Durchführen des Verfahrens verwendet wird, über wenigstens einen Antrieb, beispielsweise einen Elektromotor, der verwendet wird, um die Einbringnadel um die Rotationsachse zu drehen. Damit ist es möglich, auch bei einem Wechsel der Bewegungsrichtung der Einbringnadel die Ausrichtung der Einbringöffnung anzupassen, sodass die relative Ausrichtung zwischen Bewegungsrichtung und Richtung der Einbringöffnung konstant bleibt. In einer bevorzugten Ausgestaltung wird die Ausrichtung der Einbringöffnung relativ zur Bewegungsrichtung der Einbringnadel verändert, während sich die Einbringnadel entlang der zumindest nahezu geschlossenen Bahn bewegt. Durch diesen zusätzlichen Freiheitsgrad lässt sich die Vielfalt der herstellbaren Objekte deutlich vergrößern.
Vorzugsweise weist die Einbringnadel ein Strömungsprofil auf, welches die Einbringnadel entlang der Bewegungsrichtung der Einbringnadel ausrichtet, wobei das Strömungsprofil bevorzugt zumindest ein Ausrichteelement aufweist, das von der Einbringnadel hervorsteht und beim Bewegen der Einbringnadel diese um die Rotationsachse dreht. Dies kann alternativ oder zusätzlich zu einem Antrieb der Fall sein. Wird die Bewegungsrichtung der Einbringnadel verändert, sorgt in diesem Fall das Strömungsprofil, bevorzugt das Ausrichteelement, dafür, dass sich die Einbringnadel auch um ihre Rotationsachse dreht und sich wieder so ausrichtet, dass das Strömungsprofil der Einbringnadel bei der neuen Bewegungsrichtung einen minimalen Strömungswiderstand bietet. Vorzugsweise ist das Strömungsprofil veränderbar, besonders bevorzugt, indem das Ausrichteelement in seiner Orientierung und/oder Position relativ zur Einbringnadel verändert wird.
Vorzugsweise entspricht der Abstand zwischen der Startposition und der Endposition dem Außendurchmesser der Einbringnadel oder ist kleiner als dieser. Vorzugsweise weist die Einbringöffnung bezüglich der Bewegungsrichtung der Einbringnadel nach hinten. Um ein drei-dimensionales Objekt mit einem geschlossenen Querschnitt herzustellen, ist es von Vorteil und oft notwendig, wenn sich das an der Startposition aus der Einbringnadel in das Stützmaterial eingebrachte Fertigungsmaterial mit dem an der Endposition eingebrachten Material verbindet. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Einbringnadel auf dem Weg zu der Endposition in das bereits in das Stützmaterial eingebrachte Fertigungsmaterial hineinfährt oder hineingefahren wird. Das in diesem Moment aus der Einbringöffnung der Einbringnadel austretende Fertigungsmaterial kommt mit dem bereits vorhandenen Fertigungsmaterial in Kontakt. Dabei oder danach kommt es bevorzugt zu einer Verbindung des Fertigungsmaterials. Um an dieser Stelle eine doppelte Materialmenge zu vermeiden, ist es von Vorteil, wenn an der Startposition und/oder an der Endposition die Menge des austretenden Fertigungsmaterials reduziert ist. Nachdem die Einbringnadel die Startposition verlassen hat, wird die pro Zeiteinheit austretende Menge an Fertigungsmaterial erhöht. Vor Erreichen der Endposition wird die pro Zeiteinheit austretende Menge wieder reduziert.
Alternativ kann die Endposition auch nur nahe der Startposition liegen. Es entsteht also keine vollständig geschlossene Bahn und somit auch kein vollständig geschlossener Querschnitt des herzustellenden dreidimensionalen Objektes, sondern die Bahn und der Querschnitt sind lediglich nahezu geschlossen. Ist die Endposition so nah es geht an der Startposition, ist der Abstand zwischen den beiden Positionen der Außendurchmesser der Einbringnadel.
Soll die Einbringnadel entlang einer vollständig geschlossenen Bahn bewegt werden, ist es von Vorteil, dass beim Verlassen der Startposition der Einbringnadel kein Fertigungsmaterial an diese Startposition gebracht wird. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Einbringöffnung nicht in Bewegungsrichtung der Einbringnadel nach hinten, sondern beispielsweise seitlich zur Bewegungsrichtung, zeigt.
Vorzugsweise passiert die Einbringnadel die Startposition auf dem Weg zu der Endposition erneut. Die Bewegung der Einbringnadel beginnt folglich an der Startposition, führt entlang der in diesem Fall vollständig geschlossenen Bahn, passiert erneut die Startposition und endet an einer Endposition, die bevorzugt von der Startposition verschieden ist. Dabei kann bevorzugt die Orientierung der Einbringöffnung relativ zur Bewegungsrichtung verändert werden, sodass diese Orientierung zu Beginn der Bewegung der Einbringnadel, wenn die Einbringnadel sich erstmals an der Startposition befindet, von der Orientierung verschieden ist, die die Öffnung beim erneuten Passieren der Startposition aufweist. Auf diese Weise wird verhindert, dass zweimal Fertigungsmaterial an die gleiche Stelle innerhalb des Stützmaterials eingebracht werden soll.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung sind die Startposition und die Endposition identisch. Ist in diesem Fall die Ausrichtung der Einbringöffnung an der Startposition und der Endposition ebenfalls identisch, entsteht eine vollständig geschlossene Lage aus Fertigungsmaterial, die in das Stützmaterial eingebracht wird. Dabei kann die Orientierung auf dem Weg von der Startposition zu der Endposition verändert werden oder gleich bleiben.
Vorteilhafterweise weist die wenigstens eine Einbringnadel entlang der Einbringlinie wenigstens eine längliche Einbringöffnung und/oder mehrere Einbringöffnungen auf, die vorzugsweise durch mehrere Zuführleitungen, besonders bevorzugt unabhängig voneinander, mit Fertigungsmaterial versorgt werden. Wie bereits dargelegt wird beim erfindungsgemäßen Verfahren und den hier beschriebenen Ausführungsformen Fertigungsmaterial entlang der Einbringlinie in das Stützmaterial eingebracht. Dies kann auf unterschiedliche Weise geschehen. Die Einbringlinie kann durch eine einzige längliche und der Kontur der Einbringlinie folgende Einbringöffnung gebildet sein. Alternativ dazu können mehrere Einbringöffnungen vorhanden sein, von denen wenigstens eine, bevorzugt mehrere, besonders bevorzugt alle längliche ausgebildet sind. Auf diese Weise wird entlang der gesamten Einbringlinie oder abschnittsweise eine besonders homogene und glatte Wand, also Außenseite und/oder Innenseite, der eingebrachten Materiallage aus Fertigungsmaterial erreicht. Die jeweilige Einbringöffnung kann eine quer zu ihrer Längserstreckung verlaufende Breite aufweisen, die sich über die Längserstreckung ändert oder konstant bleibt. Das Fertigungsmaterial, dass durch die Einbringöffnung in das Stützmaterial eingeführt werden soll, wird über die Zuführleitung zu der Einbringöffnung geleitet. Soll nun über die gesamte Länge der längliche ausgebildeten Einbringöffnung die gleiche Menge Fertigungsmaterial pro Zeiteinheit austreten, um eine homogene Wandstärke des herzustellenden 3-dimensionalen Objektes zu erreichen, ist es von Vorteil, die Breite der Einbringöffnung zu verändern, sodass das über die Zuführleitung geführte Fertigungsmaterial zunächst eine enge Einbringöffnung erreicht, die sich dann aufweitet.
Vorzugsweise sind mehrere Zuführleitungen vorhanden, durch die mehrere Einbringöffnungen mit Fertigungsmaterial versorgt werden. Dies geschieht bevorzugt unabhängig voneinander, sodass durch unterschiedliche Einbringöffnungen identische oder unterschiedliche Mengen an Fertigungsmaterial pro Zeiteinheit in das Stützmaterial eingebracht werden können. Zudem ist es möglich, unterschiedliche Fertigungsmaterialien, die sich beispielsweise durch Zusätze unterscheiden können, gleichzeitig in das Stützmaterial einzubringen.
Vorzugsweise werden durch mehrere Einbringöffnungen unterschiedliche Mengen Fertigungsmaterial pro Zeiteinheit in das Stützmaterial eingebracht. Auf diese Weise lassen sich beispielsweise unterschiedliche Wandstärken des herzustellenden 3-dimensionalen Objektes in einem einzigen Verfahrensschritt und bei einem einzigen Umlauf der Einbringnadel herstellen.
Vorzugsweise verläuft die Bahn kreisförmig oder kreisbogenförmig. Besonders bevorzugt verfügt das dreidimensionale Objekt, zumindest aber ein Teil des dreidimensionalen Objektes über ein offenes und ein geschlossenes Ende und ist besonders bevorzugt behälterförmig, beispielsweise becherförmig ausgebildet. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist das dreidimensionale Objekt, zumindest aber ein Teil des 3-dimensionalen Objektes, rotationssymmetrisch ausgebildet.
Vorzugsweise handelt es sich bei dem dreidimensionalen Objekt um eine orthopädietechnische Einrichtung oder ein Teil einer orthopädietechnischen Einrichtung, besonders bevorzugt um einen Prothesenliner. Unter einer orthopädietechnischen Einrichtung werden vorliegend insbesondere Orthesen und Prothesen sowie deren Bestandteile verstanden. Auch orthopädische Schuhe, Schuheinlagen und ähnliche Vorrichtungen werden als orthopädietechnische Einrichtungen angesehen.
Bei orthopädietechnischen Einrichtungen werden eine Vielzahl unterschiedlicher Materialien verwendet, die den unterschiedlichen Anforderungsprofilen der jeweiligen Einrichtung Rechnung tragen. Insbesondere Prothesenschäfte werden heute individuell für den Patienten hergestellt und sind daher für die Verwendung additiven Fertigungsverfahrens besonders geeignet. Die Prothese wird an einem Amputationsstumpf festgelegt und angeordnet. Zur Festlegung existieren unterschiedliche Systeme, wobei ein Befestigungssystem als Vakuumschafttechnologie bekannt ist. Dabei wird im angelegten Zustand das Volumen zwischen dem Amputationsstumpf und der Schaftinnenwand evakuiert. Zur Abdichtung und Abpolsterung kann an dem Stumpf ein Prothesenliner angeordnet sein, der in der Regel ein geschlossenes distales Ende und eine proximale Einstiegsöffnung aufweist und im angelegten Zustand den Stumpf umgibt. Zwischen der Außenseite des Prothesenliner und der Innenseite des Prothesenschaftes wird durch das Einführen des mit dem Liner versorgten Stumpfes ein Volumen gebildet, das evakuiert werden kann, wodurch eine kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Schaft und dem Liner entsteht.
Um eine dauerhafte Befestigung des Prothesenschaftes zu erreichen, ist es notwendig, das Volumen zwischen dem Prothesenliner und dem Prothesenschaft gegenüber der Atmosphäre abzudichten. Dazu sind sogenannte Kappen oder Manschetten vorgesehen, die über den proximalen Rand des Prothesenschaftes gezogen werden und an der Außenseite des Liners oder des Stumpfes anliegen, sodass ein Spalt abgedichtet ist. Alternativ können auch Dichtlippen an der Außenseite des Liners oder der Innenseite des Schaftes angeordnet sein. Durch das Verfahren der hier beschriebenen Art ist es möglich, einen derartigen Liner vollständig oder teilweise mittels des additiven Herstellungsverfahrens herzustellen, wobei vorzugsweise auch Dichtlippen und andere Elemente, die am Liner angeordnet sind, im gleichen Herstellungsschritt mittels des additiven Herstellungsverfahrens hergestellt werden.
Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe zudem durch eine Vorrichtung zum Durchführen eines hier beschriebenen Verfahrens. Eine solche Vorrichtung verfügt in der Regel über einen Behälter, in dem sich das Stützmaterial befindet und in den die Einbringnadel hineinragt. Die Einbringnadel ist dabei in drei Richtungen, die linear unabhängig voneinander sind, bewegbar und verfügt über wenigstens eine Einbringöffnung, die vorzugsweise am unteren Ende der Einbringnadel angeordnet ist. Durch die Einbringöffnung wird Fertigungsmaterial durch die Einbringnadel in den Behälter und damit in das Stützmaterial eingebracht.
Bevorzugt ist die wenigstens eine Einbringnadel um eine Drehachse, die bevorzugt ihre Längsachse ist, drehbar gelagert, wobei die Vorrichtung vorzugsweise wenigstens einen Antrieb zum Drehen der Einbringnadel aufweist. Ein solcher Antrieb kann beispielsweise ein Motor, beispielsweise ein Elektromotor sein. Auf diese Weise ist es möglich, die Orientierung der wenigstens einen Einbringöffnung der Einbringnadel relativ zur Bewegungsrichtung der Einbringnadel zu verändern. So kann beispielsweise die Bewegungsrichtung der Einbringnadel verändert werden, ohne dass sich die Orientierung der Einbringöffnung relativ zu dieser Bewegungsrichtung ändert. Alternativ dazu kann auch die Orientierung geändert werden, ohne dass sich die Bewegungsrichtung ändert. Selbstverständlich ist es auch möglich, sowohl die Bewegungsrichtung der Einbringnadel als auch die Orientierung der Einbringöffnung relativ zu dieser Bewegungsrichtung zu verändern.
Mithilfe der beiliegenden Zeichnungen werden nachfolgend einige Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung näher erläutert. Es zeigen

1 - die schematische Darstellung des Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
2 - unterschiedliche Bahnen, entlang derer eine Einbringnadel bewegbar ist,
3 - unterschiedliche Formen von Einbringnadeln,
4 - eine schematische Darstellung eines Teils des Verfahrens gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
5 - eine schematische Darstellung eines Teils des Verfahrens gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und
6, 7 - unterschiedliche Ausführungsformen einer Einbringnadel in jeweils unterschiedlichen Darstellungen.

1 zeigt schematisch einen Teil einer Einbringnadel 2, die verwendet wird, um ein Fertigungsmaterial in ein Stützmaterial einzubringen. In 1 im oberen Teil ist die Einbringnadel 2 auf ihre Einbringöffnung 4 reduziert, die eine Einbringlinie 6 bildet. Die Einbringöffnung 4 verfügt im gezeigten Ausführungsbeispiel über ein erstes Ende 8, das auch als vorrichtungsnahes Ende beschrieben werden kann, und über ein dem ersten Ende 8 gegenüberliegend des zweiten Ende 10, das als vorrichtungsfernes Ende beschrieben werden kann. Die Einbringnadel 2 wird in der Regel von oben geführt und ist dort am Rest der Vorrichtung angeordnet, die zur Durchführung des Verfahrens benötigt wird. Durch einen Bahnpfeil 12 wird eine Bahn beschrieben, die die Einbringnadel 2 ausführt, um das dreidimensionale Objekt, das hergestellt werden soll, zu erzeugen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Bahn und damit auch der Bahnpfeil 12 durch einen Kreis beschrieben.
Im unteren Teil der 1 ist das dreidimensionale Objekt dargestellt, das mit der Anordnung aus dem oberen Teil der 1 entsteht. Man erkennt einen Zylinder 14 mit einer ersten Öffnung 16, der einer nicht dargestellten zweiten Öffnung 18 gegenüberliegt. Während die im oberen Teil der 1 skizzierte Einbringnadel 2 eine Bahn entlang des Bahnpfeiles 12 beschreibt und entlang dieser Bahn bewegt wird, tritt durch die Einbringöffnung 4 entlang der gesamten Einbringlinie 6 das Fertigungsmaterial aus, das auf diese Weise in das Stützmaterial, das aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt ist, eingebracht wird.
2 zeigt unterschiedliche Bahnpfeile 12, die für unterschiedliche herzustellende 3-dimensionale Objekte verwendet werden können. Neben dem Kreis kann durch den Bahnpfeil 12 auch ein Oval, ein Dreieck mit gegebenenfalls abgerundeten Ecken oder ein Viereck, insbesondere ein Quadrat gebildet werden. Auch unregelmäßige Formen, wie sie in der unteren Zeile dargestellt sind, können selbstständig verwendet werden, um ein dreidimensionales Objekt herzustellen. Wird eine der in 2 gezeigten Bahnen bei dem schematisch in 1 dargestellten Verfahren verwendet, entsteht ein Objekt, dessen Querschnitt parallel zur Bahnkurve genau die Form des Bahnpfeils 12 aufweist.
In 3 sind unterschiedliche Einbringöffnungen 4 dargestellt, durch die unterschiedliche Einbringlinien 6 gebildet werden. Jede der Einbringlinien 6 erstreckt sich zwischen dem ersten Ende 8 und dem zweiten Ende 10 der jeweiligen Einbringöffnung 4. Die in 3 ganz links dargestellte Einbringöffnung 4 entspricht der in 1 dargestellten und kann beispielsweise verwendet werden, um zylinderförmige dreidimensionale Objekte herzustellen. Unter einem zylinderförmigen Objekt wird in diesem Zusammenhang ein Objekt mit einer ersten Öffnung 16 und einer entgegengesetzten zweiten Öffnung 18 verstanden, das einen konstanten Querschnitt aufweist. Dieser entspricht bevorzugt der Bahnkurve oder dem verwendeten Bahnpfeil 12. Die rechts daneben dargestellte Einbringlinie 6 verfügt über einen Knick 20 und kann beispielsweise verwendet werden, um eine Kniekappe oder ein ähnliches Bauteil herzustellen. In diesem Fall wird die verwendete Einbringnadel 2 vorzugsweise nicht entlang einer geschlossenen Bahn bewegt. Die Bahn verfügt vielmehr über eine Startposition und eine Endposition, zwischen denen sich ein gewisser Abstand befindet. Sie können beispielsweise durch eine Bahn verbunden sein, die ein Kreisbogen ist.
Die rechts daneben dargestellte Einbringlinie 6 (zweite von rechts) ist vorzugsweise zu verwenden, wenn ein Objekt, beispielsweise ein Prothesenliner, hergestellt werden soll, das nur an einem Ende eine Öffnung aufweist. Die Nadel wird bevorzugt entlang einer kreisförmigen Bahn, wie sie beispielsweise in 1 und in 2 oben links dargestellt ist, bewegt, sodass sich das zweite Ende 10 der Einbringlinie 6 vorzugsweise nicht bewegt, sondern höchstens eine Rotation auf der Stelle durchführt. Auf diese Weise entsteht ein becherförmiges dreidimensionales Objekt. Ganz rechts in 3 ist eine freie Form einer Einbringlinie 6 dargestellt, wie sie verwendet wird, um individuell angepasste Bauteile herzustellen.
4 und 5 zeigen jeweils eine schematische Darstellung eines Teils eines Verfahrens. Gezeigt ist wieder jeweils die Einbringlinie 6 der Einbringöffnung 4 mit ihrem oberen Ende 8 und dem unteren Ende 10. Sowohl in 4 als auch in 5 ist jeweils ein Bahnpfeil 12 dargestellt, der jeweils kreisförmig ausgebildet ist, und entlang dessen die Einbringnadel 2 und damit auch die Einbringöffnung 4 bewegt wird. Die Form, Größe und Gestalt des herzustellenden dreidimensionalen Objektes kann jedoch nicht nur durch eine Verschiebung der Einbringnadel 2 hervorgerufen und verändert werden. Auch eine Drehung der Einbringnadel kann vorgenommen werden, um das Objekt herzustellen. Dies ist durch die Pfeile 22 dargestellt, die die Einbringrichtung anzeigen.
4 zeigt diese Pfeile 22 alle in die gleiche Richtung. Damit wird dargestellt, dass das schematisch durch die gestrichelten Linien dargestellte dreidimensionale Objekt hergestellt wird, in dem die Einbringöffnung 4 entlang der durch den Bahnpfeil 12 definierten Bahn bewegt wird, ohne dass zusätzlich eine Rotation der Einbringnadel 2 und damit der Einbringöffnung 4 vorgenommen wird. Die Einbringrichtung, die durch die Pfeile 22 dargestellt wird, verändert sich somit nicht.
Anders ist die Situation in 5. Würde man die Einbringöffnung 4 aus 5 und die Einbringnadel 2, zu der die Einbringöffnung 4 gehört, in 5 lediglich entlang des Bahnpfeiles 12 bewegen, ohne eine zusätzliche Rotation der Einbringnadel 2 hervorzurufen, ergäbe sich ein dreidimensionales Objekt mit konstantem Querschnitt und einer Biegung, die der Biegung der Einbringlinie 6 entspräche. Soll jedoch ein unten geschlossenes dreidimensionales Objekt hergestellt werden, wie durch die gestrichelten Linien angedeutet, muss zusätzlich zur Bewegung des ersten Endes 8 entlang des Bahnpfeiles 12 eine Rotation der Einbringnadel 2 erfolgen. Dies ist durch die Pfeile 22 dargestellt, die an verschiedenen Positionen des Bahnpfeiles 12 in unterschiedliche Richtungen, im gezeigten Ausführungsbeispiel alle zum Mittelpunkt des durch den Bahnpfeil 12 gebildeten zeigen.
6 zeigt in der linken Darstellung einen Teil einer Einbringnadel 2 mit der die Einbringlinie 6 bildenden Einbringöffnung 4. Dieser Teil der Einbringnadel 2 kann als seitlich aufgeschnittenes Teil eines Röhrchens oder eines Rohres angesehen werden. Selbstverständlich kann dieser Teil auch wie beispielsweise in 5 dargestellt gebogen ausgebildet sein. Die Einbringlinie 6 wird im gezeigten Ausführungsbeispiel durch eine einzige Einbringöffnung 4 gebildet, die sich entlang der Einbringlinie 6 erstreckt. Wird eine solche Einbringnadel 2 verwendet, tritt über die gesamte Einbringlinie 6 Fertigungsmaterial in das Stützmaterial ein. Die Weite der Einbringöffnung 4, also der Abstand zwischen den beiden Rändern in Umfangsrichtung, kann variieren, um eine gewünschte, vorzugsweise konstante, Verteilung des austretenden Fertigungsmaterials zu gewährleisten.
Eine alternative Ausgestaltung ist in 7 dargestellt. Die Einbringlinie 6 erstreckt sich auch hier zwischen dem ersten Ende 8 und dem zweiten Ende 10, wird in dieser Ausgestaltung jedoch aus mehreren, insbesondere vier Einbringöffnungen 4 gebildet, die entlang der Einbringlinie 6 aneinander angrenzend angeordnet sind. Die Schnittdarstellung im rechten Teil der 7 zeigt, dass über einen Zuführkanal 24 das Fertigungsmaterial in diesem Bereich der Einbringnadel 2 gelangt. Dort wird das Material in einem Ventilblock 26 auf mehrere Kanäle 28 verteilt, die jeweils zu einer der Einbringöffnungen 4 führen. Der Ventilblock 26 verfügt für jeden Kanal 28 über ein einzelnes Ventil 30, die vorzugsweise separat voneinander ansteuerbar sind. Die einzelnen Ventile 30 können vorzugsweise einzeln geöffnet und geschlossen werden. Besonders bevorzugt handelt es sich bei den Ventilen 30 nicht um Schaltventile, die entweder geöffnet oder geschlossen sind. Vorzugsweise können die Ventile 30 auch den Durchgang vom Zuführkanal 24 zu den einzelnen Kanälen 28 beschränkten oder erweitern. Auf diese Weise kann die Menge des pro Zeiteinheit aus den jeweiligen Einbringöffnungen 4 austretenden Fertigungsmaterials individuell gesteuert und an die gewünschten Werte angepasst werden.
Bezugszeichenliste

2: Einbringnadel
4: Einbringöffnung
6: Einbringlinie
8: erstes Ende
10: zweites Ende
12: Bahnpfeil
14: Zylinder
16: erste Öffnung
18: zweite Öffnung
20: Knick
22: Pfeil
24: Zuführkanal
26: Ventilblock
28: Kanal
30: Ventil

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2018281295 A1 [0003]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines 3-dimensionalen Objektes mittels eines additiven Fertigungsverfahrens, bei dem ein Fertigungsmaterial durch wenigstens eine Einbringöffnung wenigstens einer Einbringnadel in einem fließfähigen Zustand in ein Stützmaterial eingebracht wird und danach aushärtet, dadurch gekennzeichnet, dass die Einbringöffnung derart eingerichtet ist, das durch sie entlang einer Einbringlinie Fertigungsmaterial in das Stützmaterial einbringbar ist und dass die Einbringnadel von einer Startposition zu einer Endposition bewegt wird, die so nah beieinander liegen, dass die Einbringnadel entlang einer zumindest nahezu geschlossenen Bahn bewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einbringnadel beim Bewegen von der Startposition zu der Endposition derart bewegt wird, dass die Einbringöffnung eine definierte, bevorzugt zeitlich feste Ausrichtung relativ zu der Bewegungsrichtung der Einbringnadel aufweist, wobei die Einbringöffnung vorzugsweise in Bewegungsrichtung nach hinten oder senkrecht zu der Bewegungsrichtung weist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einbringnadel ein Strömungsprofil aufweist, welches die Einbringnadel entlang der Bewegungsrichtung der Einbringnadel ausrichtet, wobei das Strömungsprofil bevorzugt zumindest ein Ausrichteelement aufweist, das von der Einbringnadel hervorsteht und beim Bewegen der Einbringnadel diese um ihre Längsachse dreht.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen Startposition und Endposition dem Außendurchmesser der Einbringnadel entspricht oder kleiner ist als dieser.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einbringnadel die Startposition auf dem Weg zu der Endposition erneut passiert.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Startposition und die Endposition identisch sind.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Einbringnadel entlang der Einbringlinie wenigstens eine längliche Einbringöffnung und/oder mehrere Einbringöffnungen aufweist, die vorzugsweise durch mehrere Zuführleitungen, besonders bevorzugt unabhängig voneinander, mit Fertigungsmaterial versorgt werden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass durch die mehreren Einbringöffnungen unterschiedliche Mengen Fertigungsmaterial pro Zeiteinheit in das Stützmaterial eingebracht werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bahn kreisförmig oder kreisbogenförmig verläuft.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Teil des 3-dimensionalen Objektes ein offenes und ein geschlossenes Ende aufweist und insbesondere behälterförmig, besonders bevorzugt becherförmig ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das 3-dimensionale Objekt rotationssymmetrisch ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das 3-dimensionale Objekt eine orthopädietechnische Einrichtung oder ein Teil einer orthopädietechnischen Einrichtung, bevorzugt ein Prothesenliner, ist.
Vorrichtung zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Einbringnadel um eine Drehachse, die bevorzugt ihre Längsachse ist, drehbar gelagert ist, wobei die Vorrichtung vorzugsweise wenigstens einen Antrieb zum Drehen der Einbringnadel aufweist.