DE112016007358T5 - 3D-Drucksystem auf der Basis der mehrachsigen Gelenksteuerung und der maschinellen Sichtmessung - Google Patents
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Abstract
3D-Drucksystem auf der Basis der mehrachsigen Gelenksteuerung und der maschinellen Sichtmessung, das ein Gerätegestell (10), einen Arbeitstisch, eine Druckvorrichtung (40), eine Materialfördereinrichtung, mehrere Bilderfassungskameras (50), einen Antriebsmechanismus und ein Steuersystem (70) auf. Auf dem Arbeitstisch ist die 6-Freiheitsgrad-Parallelplattform (30) montiert. Der Antriebsmechanismus ist ein sechsachsiger Roboter (20), an dem die Druckvorrichtung (40) angebracht ist. Durch die vorliegende Erfindung kann eine präzise Steuerung der räumlichen Druckdüsenposition der Druckvorrichtung (40) realisieren werden.
Description
- Die Erfindung betrifft einen 3D-Drucksystem, insbesondere ein 3D-Drucksystem auf der Basis der mehrachsigen Gelenksteuerung und der maschinellen Sichtmessung.
- Bei dem 3D-Druckverfahren zur Herstellung von künstlichen Knochen gibt es gegenwärtig vor allem ein Fotohärtungsverfahren, ein schichtfestes Herstellungsverfahren, ein Schmelzabscheidungs-Herstellungsverfahren, ein selektives Lasersinterverfahren, ein Tintenstrahl-Akkumulationsformverfahren. Das für das Fotohärtungsverfahren verwendete Material ist lichtempfindliches Harz oder dergleichen. Nach der Implantation in den Körper sind Biokompatibilität und Abbau nicht gut. In schlimmen Fällen können sogar toxische Nebenwirkungen hervorgerufen werden. Beim schichtfesten Herstellungsverfahren zur Herstellung von künstlichen Knochen müssen zuerst Hydroxyapatit und andere Materialien zu dünnen Kräuselungsschichten gemacht. Daraufhin werden die Schichten durch einen Heißpressmechanismus zusammengebunden. Aus der materiellen Sicht ist diese Methode schwer zu erreichen. Das Druckmaterial, das bei dem Schmelzabscheidungs-Herstellungsverfahren verwendet wird, muss einem Spinnverfahren unterworfen werden, um eine gewisse Festigkeit zu haben, so dass das Material stark eingeschränkt ist. Außerdem kann die komplizierte Form nicht leicht verarbeitet werden. Das Lasersystem, das bei dem selektiven Lasersinterverfahren verwendet wird, ist sehr teuer und weist hohe Wartungskosten, Verarbeitungskosten. Außerdem ist das nicht gesinterte Hydroxyapatitpulvers schwer zu entfernen. Durch das Tintenstrahl-Akkumulationsformverfahren können biokompatible wässrige Lösung und Hydroxyapatit-Pulver unmittelbar miteinander verbunden werden, wobei die bei den oben erwähnten Verfahren benötigten, anspruchsvollen Anforderungen an die Druckbedingungen und Temperaturumgebung vermieden werden.
- Bei der herkömmlichen 3D-Druckvorrichtung sind die Düsenstruktur und die Düsenantriebsmechanismus komplizierter, wobei die Druckgenauigkeit schwierig zu kontrollieren ist. Wie aus der
CN103948456 B befinden sich die Düsen endseitig auf einer gleichen Ebene, wobei diese gleichzeitig im Betrieb sind, wodurch die Düsen bei der Arbeit einen größeren Raum einnehmen. Daher ist diese herkömmliche 3D-Druckvorrichtung nicht für den 3D-Druck der Innenfläche der porösen Struktur geeignet. - Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein 3D-Drucksystem auf der Basis der mehrachsigen Gelenksteuerung und der maschinellen Sichtmessung zu schaffen, das eine einfache Struktur aufweist und in der Lage ist, die Druckgenauigkeit zu verbessern.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein 3D-Drucksystem auf der Basis der mehrachsigen Gelenksteuerung und der maschinellen Sichtmessung, das die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist. Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
- Gemäß der Erfindung wird ein 3D-Drucksystem auf der Basis der mehrachsigen Gelenksteuerung und der maschinellen Sichtmessung bereitgestellt, das ein Gerätegestell, einen der Ablage von künstlichen Knochengerüsten dienenden Arbeitstisch, eine auf dem Arbeitstisch angeordnete Druckvorrichtung, eine für den Transport von Druckmaterialien zuständige Materialfördereinrichtung, mehrere Bilderfassungskameras, einen zum Ausrichten der Druckvorrichtung dienenden Antriebsmechanismus und ein Steuersystem aufweist, wobei die Druckvorrichtung, die Materialfördereinrichtung, die Bilderfassungskameras und der Antriebsmechanismus alle mit dem Steuersystem verbunden sind. Der Arbeitstisch ist eine mit dem Gerätegestell verbundene 6-Freiheitsgrad-Parallelplattform, wobei es sich bei dem Antriebsmechanismus um einen sechsachsigen Roboter handelt. Die Druckvorrichtung ist mit dem sechsachsigen Roboter verbunden.
- Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst die Druckvorrichtung eine Montagehalterung, einen Motor, einen Zylinder, einen Drehflansch und eine Mehrzahl von Düsenmechanismen, wobei die Montagehalterung mit dem sechsachsigen Roboter verbunden ist. Der Motor ist an der Montagehalterung angebracht, wobei der Drehflansch mit der Ausgangswelle des Motors verbunden ist. Die Düsenmechanismen sind gleichmäßig auf dem Umfang des Drehflansches angeordnet, wobei die Düsenmechanismen entlang der Axialbewegung des Drehflansches an der Montagehalterung angebracht sind. Der Zylinder ist auf der Montagehalterung montiert, wobei der Zylinder an seiner Kolbenstange mit einem Antriebende versehen ist, das für den Antrieb zur Bewegung der Düsenmechanismen zuständig ist. Zwischen den Düsenmechanismen und dem Drehflansch ist ein Rückstellmechanismus zum Zurückführen der Düsenmechanismen vorgesehen.
- Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst die Montagehalterung eine Schutzabdeckung, eine erste Montageplatte und eine zweite Montageplatte. Die erste Montageplatte und die zweite Montageplatte sind an beiden Enden der axialen Richtung der Schutzabdeckung befestigt. Der Motor ist an der ersten Montageplatte befestigt. Die zweite Montageplatte ist mit einer Mehrzahl von Arbeitslöchern versehen, durch die sich die Düsenmechanismen hindurch erstrecken. Der Düsenmechanismus ist oberseitig über eine Verbindungsstange am Drehflansch angelenkt. Beim Rückstellmechanismus handelt es sich um eine erste Feder, die einerseits mit dem Drehflansch und andererseits mit dem oberen Ende des Düsenmechanismus verbunden ist. Auf der zweiten Montageplatte steht ein Befestigungspfosten. Es sind eine zweite Verbindungsstange und ein Führungszylinder vorgesehen, wobei die zweite Verbindungsstange einerseits am Befestigungspfosten und andererseits am Führungszylinder angelenkt ist, und wobei der Düsenmechanismus verschiebbar im Führungszylinder angeordnet ist.
- Gemäß der vorliegenden Erfindung weist der Düsenmechanismus einen zylindrischen Körper und einen in der Innerkammer des zylindrischen Körpers befindlichen Bewegungskolben auf, wobei mit dem Bewegungskolben die Innerkammer des zylindrischen Körpers in eine erste Kammer und eine zweite Kammer unterteilt ist. Am zylindrischen Körper ist eine Druckdüse angeordnet, die mit der zweiten Kammer kommuniziert. Der zylindrische Körper ist mit einer Lufteintrittsöffnung versehen, die einerseits mit der ersten Kammer und andererseits mit einer Luftquelle kommuniziert. Es ist ferner eine Zuführöffnung vorgesehen, die einerseits mit der zweiten Kammer und andererseits mit der Materialfördereinrichtung kommuniziert.
- Gemäß der Erfindung ist die zweite Kammer innen mit einem Kolbenstopfen versehen, der sich oberhalb der Zuführöffnung befindet.
- Gemäß der Erfindung sind fünf Düsenmechanismen vorgesehen, wobei die Druckdüsen der Düsenmechanismen einen jeweiligen Durchmesser von 120um, 100um, 80um, 50um und 30um aufweisen.
- Gemäß der Erfindung weist die Materialfördereinrichtung einen Luftkompressor und einen Materialspeicherzylinder auf, wobei der Luftauslass des Luftkompressors über einen Luftschlauch mit dem Lufteinlass des Materialspeicherzylinders kommuniziert. Das Abgabeende des Materialspeicherzylinders ist über einen Materialzufuhrschlauch mit der Zuführöffnung verbunden, wobei ein elektrisches Ventil auf dem Materialzufuhrschlauch vorgesehen ist.
- Gemäß der Erfindung weist das Gerätegestell einen Unterträger, einen Oberträger und zwei zwischen dem Unterträger und dem Oberträger vorgesehene Seitenständer auf, wobei der sechsachsige Roboter am Oberträger angebracht ist. Die 6-Freiheitsgrad-Parallelplattform ist auf dem Unterträger vorgesehen, wobei der sechsachsige Roboter und die 6-Freiheitsgrad-Parallelplattform beide mit dem Steuersystem verbunden sind.
- Gemäß der Erfindung sind die Bilderfassungskameras an dem ersten und/oder dem zweiten Seitenständer angeordnet.
- Im Gebrauch des erfindungsgemäßen 3D-Drucksystems wird das künstliche Knochengerüst auf eine 6-Freiheitsgrad-Parallelplattform gesetzt. Durch den sechsachsigen Roboter wird die Position der Druckvorrichtung gesteuert. Die präzise Steuerung der räumlichen Druckdüsenposition der Druckvorrichtung wird durch das Zusammenwirken der 6-Freiheitsgrad-Parallelplattform mit dem sechsachsigen Roboter erreicht. Gleichzeitig wird der komplexe, feine dreidimensionale Musterdruck auf der künstlichen Knochenoberfläche und der porösen Innenfläche realisiert. Das erfindungsgemäße Drucksystem hat die Vorteile einer einfachen Struktur und einer erhöhten Druckgenauigkeit. Bei dem erfindungsgemäßen Drucksystem wird die 3D-Drucktechnologie auf der Grundlage des Tintenstrahl-Akkumulationsformverfahrens genutzt, wobei die Nano-Hydroxyapatit-Lösung als Druckmaterial verwendet wird, um den dreidimensionalen Mehrfachwinkeldruck des Materialraummusters unter Verwendung der Bewegungsredundanz des Roboters zu verwirklichen. Gleichzeitig wird der komplexe, feine und hochpräzise 3D-Musterdruck auf der künstlichen Knochenoberfläche und der porösen Innenfläche realisiert. Durch die präzise mechanische Bewegungssteuerung des sechsachsigen Roboters und der 6-Freiheitsgrad-Parallelplattform, die Tröpfchenbildung und die Diffusionskontrolle kann die Druckgenauigkeit des erfindungsgemäßen Drucksystems eine Druckebenenauflösung ≤ 200µm und eine Zwischenschichtauflösung ≤ 2µm erreichen.
- Im Folgenden werden die Erfindung und ihre Ausgestaltungen anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:
-
1 eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung; -
2 ein Blockdiagramm der erfindungsgemäßen Steuerung; -
3 eine perspektivische Darstellung einer erfindungsgemäßen Druckvorrichtung; -
4 eine perspektivische Darstellung der erfindungsgemäßen Druckvorrichtung (unter Weglassen der ersten Montageplatte und der Schutzabdeckung); -
5 in vergrößerter Darstellung einen AusschnittA aus4 ; und -
6 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Druckdüse. - Wie aus den
1 bis6 ersichtlich, weist ein erfindungsgemäßes 3D-Drucksystem auf der Basis der mehrachsigen Gelenksteuerung und der maschinellen Sichtmessung ein Gerätegestell10 , einen der Ablage von künstlichen Knochengerüsten dienenden Arbeitstisch, eine auf dem Arbeitstisch angeordnete Druckvorrichtung40 , eine für den Transport von Druckmaterialien zuständige Materialfördereinrichtung, mehrere Bilderfassungskameras50 , einen zum Ausrichten der Druckvorrichtung40 dienenden Antriebsmechanismus und ein Steuersystem70 auf. Die Druckvorrichtung40 , die Materialfördereinrichtung, die Bilderfassungskameras50 und der Antriebsmechanismus sind alle mit dem Steuersystem70 verbunden. Durch das Steuersystem70 wird der Betrieb der Geräte gesteuert. Der Arbeitstisch ist eine mit dem Gerätegestell10 verbundene 6-Freiheitsgrad-Parallelplattform30 . Bei dem Antriebsmechanismus handelt es sich um einen sechsachsigen Roboter20 . Die Druckvorrichtung40 ist mit dem sechsachsigen Roboter20 verbunden. Beim Steuersystem70 handelt es sich um ein Steuer- und Datenverarbeitungssystem, das in derCN 103948456 B beschrieben ist. Das Steuersystem70 weist einen Computer und ein Steuergerät auf. Beim sechsachsigen Roboter20 handelt es sich um einen sechsachsigen Manipulator, der in der Lage ist, die Materialförderung in einem beliebigen Raumwinkel zu ermöglichen. Dieser ist im Handel erhältlich. Die6 -Freiheitsgrad-Parallelplattform 30 kann die sechs Freiheitsgrade hinsichtlich der räumlichen Lage einstellen. Bei der 6-Freiheitsgrad-Parallelplattform 30 handelt es sich um eine Konstruktion, die in derCN 104002299 B offenbart ist. Diese ist an sich bekannt und wird hier nicht näher erläutert. - Die 3D-Druckvorrichtung 40 umfasst eine Montagehalterung, einen Motor
403 , einen Zylinder404 , einen Drehflansch411 und eine Mehrzahl von Düsenmechanismen405 . Die Montagehalterung ist mit dem sechsachsigen Roboter20 verbunden. Der Motor403 ist an der Montagehalterung angebracht. Der Drehflansch411 ist mit der Ausgangswelle des Motors403 verbunden. Die Düsenmechanismen405 sind gleichmäßig auf dem Umfang des Drehflansches411 angeordnet. Die Düsenmechanismen405 sind entlang der Axialbewegung des Drehflansches411 an der Montagehalterung angebracht. Der Zylinder404 ist auf der Montagehalterung montiert, wobei der Zylinder404 an seiner Kolbenstange mit einem Antriebende versehen ist, der für den Antrieb zur Bewegung der Düsenmechanismen405 zuständig ist. Zwischen den Düsenmechanismen405 und dem Drehflansch411 ist ein Rückstellmechanismus zum Zurückführen der Düsenmechanismen405 vorgesehen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Ausgangswelle des Motors403 , der Zylinder404 und die Düsenmechanismen405 parallel zueinander angeordnet. Durch den Motor403 wird der Drehflansch411 in Rotation versetzt. Nachdem sich einer der Düsenmechanismen405 in eine vorgegebene Position dreht, wird der Düsenmechanismus405 durch den Zylinder404 zur Axialverschiebung so angetrieben, dass sich dieser erstreckt, um den 3D-Druckvorgang durchzuführen. Nach dem Abschluss des Druckvorgangs des Düsenmechanismus405 kehrt dieser durch den Zylinder404 und den Rückstellmechanismus in seine Ausgangslage zurück. Daraufhin wird der Drehflansch411 durch den Motor403 in Rotation so versetzt, dass sich ein weiterer Düsenmechanismus405 zur dem Zylinder404 entsprechenden Stelle dreht. Durch den Zylinder404 wird der Düsenmechanismus405 so angetrieben, dass sich dieser erstreckt. Bei Durchführung des 3D-Druckvorgangs befindet sich der Düsenmechanismus405 im Arbeitszustand nicht in der gleichen Ebene wie der andere Düsenmechanismus405 . Dadurch ist es möglich, die Interferenz des anderen Düsenmechanismus405 mit dem künstlichen Knochengerüst zu vermeiden. Als bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst die Montagehalterung eine Schutzabdeckung401 , eine erste Montageplatte415 und eine zweite Montageplatte402 . Die Schutzabdeckung401 ist zylindrisch ausgebildet, wobei die erste Montageplatte415 und die zweite Montageplatte402 an beiden Enden der axialer Richtung der Schutzabdeckung401 befestigt sind. Der Motor403 ist an der ersten Montageplatte415 befestigt und seine Ausgangswelle erstreckt sich durch die erste Montageplatte415 hindurch in die Schutzabdeckung401 . Die zweite Montageplatte402 ist mit einer Mehrzahl von Arbeitslöchern414 versehen, durch die sich die Düsenmechanismen405 hindurch erstrecken. Dreht sich einer der Düsenmechanismen405 zu einem entsprechenden Arbeitsloch414 , wird der Düsenmechanismus405 durch den Zylinder404 so angetrieben, dass dieser aus dem Arbeitsloch414 herausragt, um den Druckvorgang durchzuführen. Der Düsenmechanismus405 ist oberseitig über eine Verbindungsstange406 am Drehflansch411 angelenkt. Beim Rückstellmechanismus handelt es sich um eine erste Feder407 , die einerseits mit dem Drehflansch411 und andererseits mit dem oberen Ende des Düsenmechanismus405 verbunden ist. Auf der zweiten Montageplatte402 steht ein Befestigungspfosten408 . Ferner sind eine zweite Verbindungsstange409 und ein Führungszylinder410 vorgesehen. Die zweite Verbindungsstange409 ist einerseits am Befestigungspfosten408 und andererseits am Führungszylinder410 angelenkt. Der Düsenmechanismus405 ist verschiebbar im Führungszylinder410 angeordnet. Vorzugsweise ist der Zylinder404 an seiner Kolbenstange mit einer Rastnut412 versehen, wobei die Verbindungsstange406 einen an die Rastnut412 angepassten Rastabschnitt413 aufweist. Erstreckt sich die Kolbenstange des Zylinders404 in eine bestimmte Position, rastet der Rastabschnitt413 in die Rastnut412 ein, wobei der entsprechende Düsenmechanismus405 zur Axialbewegung entlang dem Führungszylinder410 mitgenommen wird. Wandert der Rastabschnitt413 aus der Rastnut412 heraus, kehrt der Düsenmechanismus405 unter Einwirkung der ersten Feder407 entlang dem Führungszylinder410 in seine Ausgangslage zurück. - Der Düsenmechanismus
405 der 3D-Druckvorrichtung weist einen zylindrischen Körper4050 und einen in der Innerkammer des zylindrischen Körpers4050 befindlichen Bewegungskolben4053 auf. Mit dem Bewegungskolben4053 ist die Innerkammer des zylindrischen Körpers4050 in eine erste Kammer4051 und eine zweite Kammer4052 unterteilt. Endseitig am zylindrischen Körper4050 ist eine Druckdüse4057 angeordnet, die mit der zweiten Kammer4052 kommuniziert. Der zylindrische Körper4050 ist mit einer Lufteintrittsöffnung4058 versehen, die einerseits mit der ersten Kammer4051 und andererseits mit einer Luftquelle kommuniziert. Ferner ist eine Zuführöffnung4059 vorgesehen, die einerseits mit der zweiten Kammer4052 und andererseits mit der Materialfördereinrichtung kommuniziert. Die Erfindung nimmt das Tintenstrahl-Akkumulationsformverfahren an, wobei das Druckmaterial hauptsächlich Nano-Hydroxyapatit ist und das Druckmaterial durch Zugabe der Hilfsmaterialien wie Kollagen und Chitin hergestellt wird. Das Druckmaterial wird über die Zuführöffnung4059 an die zweite Kammer4052 geliefert. Der Bewegungskolben4053 wird durch Luftquelle in Betrieb gesetzt, wobei das Druckmaterial durch den Bewegungskolben4053 aus der Druckdüse4057 herausgedrückt wird. Als Luftquelle dient ein nachfolgend beschriebener Luftkompressor. Die Rückführung des Bewegungskolbens4053 wird durch Nachfüllen von Materialien über die Zuführöffnung4059 erreicht. - Als bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist die zweite Kammer
4052 innen mit einem Kolbenstopfen4056 versehen, der sich oberhalb der Zuführöffnung4059 befindet. Vorzugsweise bildet das untere Ende des zylindrischen Körpers4050 einen konischen Führungsabschnitt4055 . Die Druckdüse4057 ist am konischen Führungsabschnitt4055 angebracht, wobei die Zuführöffnung4059 zwischen dem Bewegungskolben4053 und der Druckdüse4057 angeordnet ist. Vorzugsweise ist die Kontaktfläche zwischen dem Bewegungskolben4053 und dem zylindrischen Körper4050 mit einer Ringnut versehen, in der sich eine Dichtring4054 befindet. - Als bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sind fünf Düsenmechanismen
405 vorhanden. Die Druckdüsen4057 der Düsenmechanismen405 weisen einen jeweiligen Durchmesser von 120um, 100um, 80um, 50um und 30um auf. Der Durchmesser der Druckdüse4057 beeinflusst die Druckgenauigkeit und die Druckgeschwindigkeit. Die Druckdüsen4057 mit unterschiedlichen Druckdüsendurchmessern können entsprechend den Druckanforderungen ausgewählt werden. Erfindungsgemäß wird das Umschalten der Druckdüsen4057 durch den Motor403 , den Drehflansch411 und den Zylinder404 realisiert. Es ist möglich, die Druckeffizienz zu verbessern, indem die Druckdüsen4057 einfach umzuschalten sind. - Als bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist die Materialfördereinrichtung einen Luftkompressor
60 und einen Materialspeicherzylinder61 auf. Der Luftauslass des Luftkompressors60 kommuniziert über einen Luftschlauch62 mit dem Lufteinlass des Materialspeicherzylinders61 . Das Abgabeende des Materialspeicherzylinders61 ist über einen Materialzufuhrschlauch63 mit der Zuführöffnung4059 verbunden. Ein elektrisches Ventil4060 ist auf dem Materialzufuhrschlauch63 vorgesehen. Mit dieser Struktur wird das Druckmaterial in dem Materialspeicherzylinder61 durch Luftdruck zu den Düsenmechanismen405 befördert. - Als bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist das Gerätegestell
10 einen Unterträger12 , einen Oberträger11 und zwei zwischen dem Unterträger12 und dem Oberträger11 vorgesehene Seitenständer13 ,14 auf. Der sechsachsige Roboter20 ist am Oberträger11 angebracht. Die 6-Freiheitsgrad-Parallelplattform30 ist auf dem Unterträger12 vorgesehen. Der sechsachsige Roboter20 und die 6-Freiheitsgrad-Parallelplattform30 sind beide mit dem Steuersystem70 verbunden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind der erste Seitenständer13 und der zweite Seitenständer14 beide mit den Bilderfassungskameras50 versehen. - Gemäß der technischen Lösung der vorliegenden Erfindung wird durch den Luftkompressor
60 gesteuert, dass das Druckmaterial aus der Druckdüse4057 ausgestoßen wird, wodurch der 3D-Druck realisiert wird. Beim Drucken erzeugt der Luftkompressor60 die Hochdruckluft, die über den Luftschlauch62 an die Lufteintrittsöffnung4058 des Düsenmechanismus405 geliefert wird. Mit dem Dichtring4054 wird vermieden, dass Luft ins Druckmaterial eintritt. Gleichzeitig ist das mit der Zuführöffnung4059 verbundene, elektrische Ventil4060 ausgeschaltet. Damit wird vermieden, dass das Druckmaterial aus der Zuführöffnung4059 ausgestoßen wird. Durch die Hochdruckluft bewegt sich der Bewegungskolben4053 nach unten, sodass das Druckmaterial aus der Druckdüse4057 kontinuierlich und stabil ausgestoßen wird. Hierdurch wird der 3D-Druck erzielt. Bewegt sich der Bewegungskolben4053 zu dem Kolbenstopfen4056 , wird der Bewegungskolben4053 gestoppt, wobei der Luftkompressor60 durch das Steuersystem70 gesteuert wird, um die Luftzufuhr zum Düsenmechanismus405 zu unterbrechen. Das Steuersystem70 veranlasst das mit der Zuführöffnung4059 verbundene, elektrische Ventil4060 zum Öffnen. Außerdem veranlasst das Steuersystem70 den Luftkompressor60 zur Luftzufuhr zum Materialspeicherzylinder61 , sodass der Druckmaterial über den Materialzufuhrschlauch63 in den Düsenmechanismus405 eintritt. Gleichzeitig bewegt sich der Bewegungskolben4053 zur Lufteintrittsöffnung4058 . Ist der Düsenmechanismus405 mit Druckmaterial gefüllt, wird das elektrische Ventil4060 geschlossen. Der Düsenmechanismus405 setzt den Druckvorgang fort. Während des Druckvorgangs wird die Einspritzgeschwindigkeit des Druckmaterials durch Steuern der Größe des Luftdrucks gesteuert, um den Zweck der Steuergenauigkeit zu erreichen. - Erfindungsgemäß gibt der Computer ein Modell aus, das ein hochpräzises Drucken vor dem 3D-Drucken erfordert. Das Modell ist in STL-Dateiformat. Nachdem der Druckpfad geplant ist, veranlasst das Steuersystem
70 in mehrachsiger Kopplungsweise den sechsachsigen Roboter20 und die 6-Freiheitsgrad-Parallelplattform30 zur koordinierten Bewegung, um den komplexen, feinen dreidimensionalen Musterdruck auf der künstlichen Knochenoberfläche und der porösen Innenfläche zu erreichen. Ein kinematisches Modell des sechsachsigen Roboters20 und der 6-Freiheitsgrad-Parallelplattform30 wird durch den Computer zur Optimierung der Trajektorie hergestellt. Durch das Steuersystem70 in mehrachsiger Gelenksteuerungssweise werden der sechsachsige Roboter20 und die 6-Freiheitsgrad-Parallelplattform30 zur koordinierten Bewegung veranlasst. Die Form- und Diffusionskontrolle der Drucktröpfchen wird entsprechend der Gesamtlaufgeschwindigkeit des sechsachsigen Roboters20 erreicht. Außerdem wird die 6-Freiheitsgrad-Parallelplattform30 so gesteuert, dass der 3D-Druck auf der komplizierten Oberfläche in koordinierter Weise durchgeführt wird. Durch die mehrachsige Gelenksteuerung wird der hochpräzise, dreidimensionale Musterdruck auf der künstlichen Knochenoberfläche und der porösen Innenfläche realisiert. Außerdem wird die Druckeffizienz erhöht. Da der sechsachsige Roboter20 und die 6-Freiheitsgrad-Parallelplattform30 während der Bewegung vibriert werden, können Fehler entstehen, die die Druckgenauigkeit beeinflusst. Daher wird erfindungsgemäß eine Schwingungsunterdrückungssteuerung während der Bewegung zusätzlich durchgeführt. Das kinetische Modell des sechsachsigen Roboters20 und der 6-Freiheitsgrad-Parallelplattform30 wird jeweils aufgebaut. Basierend auf dem linearen quadratischen optimalen Steuerungsverfahren ist das lineare quadratische Steuerungsmodell sowohl für den sechsachsigen Roboter20 als auch für die 6-Freiheitsgrad-Parallelplattform30 ausgelegt. Die während des Betriebs des Systems erzeugten Schwingungen werden so gesteuert, dass die während der Bewegung des sechsachsigen Roboters20 und der 6-Freiheitsgrad-Parallelplattform30 erzeugte Schwingung wird reduziert. Dadurch verringert sich der durch Vibration auftretende Druckfehler, um ein reibungsloses Drucken zu gewährleisten und die Druckgenauigkeit zu verbessern. An dem ersten Seitenständer13 und dem zweiten Seitenständer14 sind je zwei hochpräzise Bilderfassungskameras50 angeordnet. Die Echtzeitposition des Endes der Druckdüse4057 wird unter Verwendung eines binokularen stereoskopischen Messverfahrens ermittelt, um eine räumliche Position am Ende der Druckdüse4057 zu erhalten. Die ermittelte Echtzeitposition der Druckdüse4057 wird mit ihrer theoretischen Position verglichen, woraufhin die Echtzeit-Rückkoppelungssteuerung der Endposition der Druckdüse4057 durchgeführt wird. Zwei hochpräzise Bilderfassungskameras50 erhalten zwei Bilder der Endposition der Druckdüse4057 aus verschiedenen Positionen. Die räumliche Position des Endes der Druckdüse4057 wird durch Berechnen der Positionsabweichung der Endpunkte der Druckdüsen4057 in den beiden Bildern erhalten. Die Genauigkeit der räumlichen Lage des Endes der Druckdüse4057 , die von den hochpräzisen Bilderfassungskameras50 erfasst wird, erreicht bis zu um. Die Endposition der Druckdüse4057 wird einer Echtzeit-Rückkoppelungssteuerung in Übereinstimmung mit der für das Ende der Druckdüse4057 ermittelten Echtzeitposition unterworfen, wobei die Bewegung des sechsachsigen Roboter20 durch den Computer eingestellt wird, um ein hochpräzises Drucken zu gewährleisten. - Die vorliegende Erfindung macht Verbesserungen an dem 3D-Drucksystem, der 3D-Druckvorrichtung und dem Düsenmechanismus der 3D-Druckvorrichtung. Die vorstehende Beschreibung stellt die Ausführungsbeispiele der Erfindung dar und soll nicht die Ansprüche beschränken. Alle gleichwertigen Änderungen und Modifikationen, die gemäß der Beschreibung und den Zeichnungen der Erfindung von einem Fachmann vorgenommen werden können, gehören zum Schutzbereich der vorliegenden Erfindung.
- Bezugszeichenliste
-
- 10
- Gerätegestell
- 11
- Oberträger
- 12
- Unterträger
- 13
- erster Seitenständer
- 14
- zweiter Seitenständer
- 20
- sechsachsiger Roboter
- 30
- 6-Freiheitsgrad-Parallelplattform
- 40
- Druckvorrichtung
- 401
- Schutzabdeckung
- 402
- zweite Montageplatte
- 403
- Motor
- 404
- Zylinder
- 405
- Düsenmechanismus
- 406
- Verbindungsstange
- 407
- erste Feder
- 408
- Befestigungspfosten
- 409
- zweite Verbindungsstange
- 410
- Führungszylinder
- 411
- Drehflansch
- 412
- Rastnut
- 413
- Rastabschnitt
- 414
- Arbeitsloch
- 415
- erste Montageplatte
- 4050
- zylindrischer Körper
- 4051
- erste Kammer
- 4052
- zweite Kammer
- 4053
- Bewegungskolben
- 4054
- Dichtring
- 4055
- konischer Führungsabschnitt
- 4056
- Kolbenstopfen
- 4057
- Druckdüse
- 4058
- Lufteintrittsöffnung
- 4059
- Zuführöffnung
- 4060
- elektrisches Ventil
- 50
- Bilderfassungskamera
- 60
- Luftkompressor
- 61
- Materialspeicherzylinder
- 62
- Luftschlauch
- 63
- Materialzufuhrschlauch
- 70
- Steuersystem
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
-
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Claims (8)
- 3D-Drucksystem auf der Basis der mehrachsigen Gelenksteuerung und der maschinellen Sichtmessung, das ein Gerätegestell (10), einen der Ablage von künstlichen Knochengerüsten dienenden Arbeitstisch, eine auf dem Arbeitstisch angeordnete Druckvorrichtung (40), eine für den Transport von Druckmaterialien zuständige Materialfördereinrichtung, mehrere Bilderfassungskameras (50), einen zum Ausrichten der Druckvorrichtung (40) dienenden Antriebsmechanismus und ein Steuersystem (70) aufweist, wobei die Druckvorrichtung (40), die Materialfördereinrichtung, die Bilderfassungskameras (50) und der Antriebsmechanismus alle mit dem Steuersystem (70) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitstisch eine mit dem Gerätegestell (10) verbundene 6-Freiheitsgrad-Parallelplattform (30) ist, wobei es sich bei dem Antriebsmechanismus um einen sechsachsigen Roboter (20) handelt, und wobei die Druckvorrichtung (40) mit dem sechsachsigen Roboter (20) verbunden ist, und wobei die Druckvorrichtung (40) eine Montagehalterung, einen Motor (403), einen Zylinder (404), einen Drehflansch (411) und eine Mehrzahl von Düsenmechanismen (405) umfasst, wobei die Montagehalterung mit dem sechsachsigen Roboter (20) verbunden ist, wobei der Motor (403) an der Montagehalterung angebracht ist, wobei der Drehflansch (411) mit der Ausgangswelle des Motors (403) verbunden ist, wobei die Düsenmechanismen (405) gleichmäßig auf dem Umfang des Drehflansches (411) angeordnet sind, wobei die Düsenmechanismen (405) entlang der Axialbewegung des Drehflansches (411) an der Montagehalterung angebracht sind, wobei der Zylinder (404) auf der Montagehalterung montiert ist, wobei der Zylinder (404) an seiner Kolbenstange mit einem Antriebende versehen ist, das für den Antrieb zur Bewegung der Düsenmechanismen (405) zuständig ist, und wobei zwischen den Düsenmechanismen (405) und dem Drehflansch (411) ein Rückstellmechanismus zum Zurückführen der Düsenmechanismen (405) vorgesehen ist.
- 3D-Drucksystem auf der Basis der mehrachsigen Gelenksteuerung und der maschinellen Sichtmessung nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Montagehalterung eine Schutzabdeckung (401), eine erste Montageplatte (415) und eine zweite Montageplatte (402) aufweist, wobei die erste Montageplatte (415) und die zweite Montageplatte (402) an beiden Enden der axialer Richtung der Schutzabdeckung (401) befestigt sind, wobei der Motor (403) an der ersten Montageplatte (415) befestigt ist, und wobei die zweite Montageplatte (402) mit einer Mehrzahl von Arbeitslöchern (414) versehen ist, durch die sich die Düsenmechanismen (405) hindurch erstrecken, und wobei der Düsenmechanismus (405) oberseitig über eine Verbindungsstange (406) am Drehflansch (411) angelenkt ist, und wobei es sich beim Rückstellmechanismus um eine erste Feder (407) handelt, die einerseits mit dem Drehflansch (411) und andererseits mit dem oberen Ende des Düsenmechanismus (405) verbunden ist, und wobei auf der zweiten Montageplatte (402) ein Befestigungspfosten (408) steht, und wobei eine zweite Verbindungsstange (409) und ein Führungszylinder (410) vorgesehen sind, wobei die zweite Verbindungsstange (409) einerseits am Befestigungspfosten (408) und andererseits am Führungszylinder (410) angelenkt ist, und wobei der Düsenmechanismus (405) verschiebbar im Führungszylinder (410) angeordnet ist. - 3D-Drucksystem auf der Basis der mehrachsigen Gelenksteuerung und der maschinellen Sichtmessung nach
Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenmechanismus (405) einen zylindrischen Körper (4050) und einen in der Innerkammer des zylindrischen Körpers (4050) befindlichen Bewegungskolben (4053) aufweist, wobei mit dem Bewegungskolben (4053) die Innerkammer des zylindrischen Körpers (4050) in eine erste Kammer (4051) und eine zweite Kammer (4052) unterteilt ist, und wobei am zylindrischen Körper (4050) eine Druckdüse (4057) angeordnet ist, die mit der zweiten Kammer (4052) kommuniziert, und wobei der zylindrische Körper (4050) mit einer Lufteintrittsöffnung (4058) versehen ist, die einerseits mit der ersten Kammer (4051) und andererseits mit einer Luftquelle kommuniziert, und wobei ferner eine Zuführöffnung (4059) vorgesehen ist, die einerseits mit der zweiten Kammer (4052) und andererseits mit der Materialfördereinrichtung kommuniziert. - 3D-Drucksystem auf der Basis der mehrachsigen Gelenksteuerung und der maschinellen Sichtmessung nach
Anspruch 3 , dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Kammer (4052) innen mit einem Kolbenstopfen (4056) versehen ist, der sich oberhalb der Zuführöffnung (4059) befindet. - 3D-Drucksystem auf der Basis der mehrachsigen Gelenksteuerung und der maschinellen Sichtmessung nach
Anspruch 4 , dadurch gekennzeichnet, dass fünf Düsenmechanismen (405) vorgesehen sind, wobei die Druckdüsen (4057) der Düsenmechanismen (405) einen jeweiligen Durchmesser von 120um, 100um, 80um, 50um und 30um aufweisen. - 3D-Drucksystem auf der Basis der mehrachsigen Gelenksteuerung und der maschinellen Sichtmessung nach
Anspruch 5 , dadurch gekennzeichnet, dass die Materialfördereinrichtung einen Luftkompressor (60) und einen Materialspeicherzylinder (61) aufweist, wobei der Luftauslass des Luftkompressors (60) über einen Luftschlauch (62) mit dem Lufteinlass des Materialspeicherzylinders (61) kommuniziert, und wobei das Abgabeende des Materialspeicherzylinders (61) über einen Materialzufuhrschlauch (63) mit der Zuführöffnung (4059) verbunden ist, und wobei ein elektrisches Ventil (4060) auf dem Materialzufuhrschlauch (63) vorgesehen ist. - 3D-Drucksystem auf der Basis der mehrachsigen Gelenksteuerung und der maschinellen Sichtmessung nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Gerätegestell (10) einen Unterträger (12), einen Oberträger (11) und zwei zwischen dem Unterträger (12) und dem Oberträger (11) vorgesehene Seitenständer (13, 14) aufweist, wobei der sechsachsige Roboter (20) am Oberträger (11) angebracht ist, und wobei die 6-Freiheitsgrad-Parallelplattform (30) auf dem Unterträger (12) vorgesehen ist, und wobei der sechsachsige Roboter (20) und die 6-Freiheitsgrad-Parallelplattform (30) beide mit dem Steuersystem (70) verbunden sind. - 3D-Drucksystem auf der Basis der mehrachsigen Gelenksteuerung und der maschinellen Sichtmessung nach
Anspruch 7 , dadurch gekennzeichnet, dass die Bilderfassungskameras (50) an dem ersten und/oder dem zweiten Seitenständer (14) angeordnet sind.
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