-
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 Ausschnitt A aus 4; und
- 6 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Druckdüse.
-
Wie aus den
1 bis
6 ersichtlich, weist ein erfindungsgemäßes 3D-Drucksystem auf der Basis der mehrachsigen Gelenksteuerung und der maschinellen Sichtmessung 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 auf. Die Druckvorrichtung
40, die Materialfördereinrichtung, die Bilderfassungskameras
50 und der Antriebsmechanismus sind alle mit dem Steuersystem
70 verbunden. Durch das Steuersystem
70 wird der Betrieb der Geräte gesteuert. Der Arbeitstisch ist eine mit dem Gerätegestell
10 verbundene 6-Freiheitsgrad-Parallelplattform
30. Bei dem Antriebsmechanismus handelt es sich um einen sechsachsigen Roboter
20. Die Druckvorrichtung
40 ist mit dem sechsachsigen Roboter
20 verbunden. Beim Steuersystem
70 handelt es sich um ein Steuer- und Datenverarbeitungssystem, das in der
CN 103948456 B beschrieben ist. Das Steuersystem
70 weist einen Computer und ein Steuergerät auf. Beim sechsachsigen Roboter
20 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. Die
6-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 der
CN 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 Zylinder 404, einen Drehflansch 411 und eine Mehrzahl von Düsenmechanismen 405. Die Montagehalterung ist mit dem sechsachsigen Roboter 20 verbunden. Der Motor 403 ist an der Montagehalterung angebracht. Der Drehflansch 411 ist mit der Ausgangswelle des Motors 403 verbunden. Die Düsenmechanismen 405 sind gleichmäßig auf dem Umfang des Drehflansches 411 angeordnet. Die Düsenmechanismen 405 sind entlang der Axialbewegung des Drehflansches 411 an der Montagehalterung angebracht. Der Zylinder 404 ist auf der Montagehalterung montiert, wobei der Zylinder 404 an seiner Kolbenstange mit einem Antriebende versehen ist, der für den Antrieb zur Bewegung der Düsenmechanismen 405 zuständig ist. Zwischen den Düsenmechanismen 405 und dem Drehflansch 411 ist ein Rückstellmechanismus zum Zurückführen der Düsenmechanismen 405 vorgesehen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Ausgangswelle des Motors 403, der Zylinder 404 und die Düsenmechanismen 405 parallel zueinander angeordnet. Durch den Motor 403 wird der Drehflansch 411 in Rotation versetzt. Nachdem sich einer der Düsenmechanismen 405 in eine vorgegebene Position dreht, wird der Düsenmechanismus 405 durch den Zylinder 404 zur Axialverschiebung so angetrieben, dass sich dieser erstreckt, um den 3D-Druckvorgang durchzuführen. Nach dem Abschluss des Druckvorgangs des Düsenmechanismus 405 kehrt dieser durch den Zylinder 404 und den Rückstellmechanismus in seine Ausgangslage zurück. Daraufhin wird der Drehflansch 411 durch den Motor 403 in Rotation so versetzt, dass sich ein weiterer Düsenmechanismus 405 zur dem Zylinder 404 entsprechenden Stelle dreht. Durch den Zylinder 404 wird der Düsenmechanismus 405 so angetrieben, dass sich dieser erstreckt. Bei Durchführung des 3D-Druckvorgangs befindet sich der Düsenmechanismus 405 im Arbeitszustand nicht in der gleichen Ebene wie der andere Düsenmechanismus 405. Dadurch ist es möglich, die Interferenz des anderen Düsenmechanismus 405 mit dem künstlichen Knochengerüst zu vermeiden. Als bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst die Montagehalterung eine Schutzabdeckung 401, eine erste Montageplatte 415 und eine zweite Montageplatte 402. Die Schutzabdeckung 401 ist zylindrisch ausgebildet, wobei die erste Montageplatte 415 und die zweite Montageplatte 402 an beiden Enden der axialer Richtung der Schutzabdeckung 401 befestigt sind. Der Motor 403 ist an der ersten Montageplatte 415 befestigt und seine Ausgangswelle erstreckt sich durch die erste Montageplatte 415 hindurch in die Schutzabdeckung 401. Die zweite Montageplatte 402 ist mit einer Mehrzahl von Arbeitslöchern 414 versehen, durch die sich die Düsenmechanismen 405 hindurch erstrecken. Dreht sich einer der Düsenmechanismen 405 zu einem entsprechenden Arbeitsloch 414, wird der Düsenmechanismus 405 durch den Zylinder 404 so angetrieben, dass dieser aus dem Arbeitsloch 414 herausragt, um den Druckvorgang durchzuführen. Der Düsenmechanismus 405 ist oberseitig über eine Verbindungsstange 406 am Drehflansch 411 angelenkt. Beim Rückstellmechanismus handelt es sich um eine erste Feder 407, die einerseits mit dem Drehflansch 411 und andererseits mit dem oberen Ende des Düsenmechanismus 405 verbunden ist. Auf der zweiten Montageplatte 402 steht ein Befestigungspfosten 408. Ferner sind eine zweite Verbindungsstange 409 und ein Führungszylinder 410 vorgesehen. Die zweite Verbindungsstange 409 ist einerseits am Befestigungspfosten 408 und andererseits am Führungszylinder 410 angelenkt. Der Düsenmechanismus 405 ist verschiebbar im Führungszylinder 410 angeordnet. Vorzugsweise ist der Zylinder 404 an seiner Kolbenstange mit einer Rastnut 412 versehen, wobei die Verbindungsstange 406 einen an die Rastnut 412 angepassten Rastabschnitt 413 aufweist. Erstreckt sich die Kolbenstange des Zylinders 404 in eine bestimmte Position, rastet der Rastabschnitt 413 in die Rastnut 412 ein, wobei der entsprechende Düsenmechanismus 405 zur Axialbewegung entlang dem Führungszylinder 410 mitgenommen wird. Wandert der Rastabschnitt 413 aus der Rastnut 412 heraus, kehrt der Düsenmechanismus 405 unter Einwirkung der ersten Feder 407 entlang dem Führungszylinder 410 in seine Ausgangslage zurück.
-
Der Düsenmechanismus 405 der 3D-Druckvorrichtung weist einen zylindrischen Körper 4050 und einen in der Innerkammer des zylindrischen Körpers 4050 befindlichen Bewegungskolben 4053 auf. Mit dem Bewegungskolben 4053 ist die Innerkammer des zylindrischen Körpers 4050 in eine erste Kammer 4051 und eine zweite Kammer 4052 unterteilt. Endseitig am zylindrischen Körper 4050 ist eine Druckdüse 4057 angeordnet, die mit der zweiten Kammer 4052 kommuniziert. Der zylindrische Körper 4050 ist mit einer Lufteintrittsöffnung 4058 versehen, die einerseits mit der ersten Kammer 4051 und andererseits mit einer Luftquelle kommuniziert. Ferner ist eine Zuführöffnung 4059 vorgesehen, die einerseits mit der zweiten Kammer 4052 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 Zuführöffnung 4059 an die zweite Kammer 4052 geliefert. Der Bewegungskolben 4053 wird durch Luftquelle in Betrieb gesetzt, wobei das Druckmaterial durch den Bewegungskolben 4053 aus der Druckdüse 4057 herausgedrückt wird. Als Luftquelle dient ein nachfolgend beschriebener Luftkompressor. Die Rückführung des Bewegungskolbens 4053 wird durch Nachfüllen von Materialien über die Zuführöffnung 4059 erreicht.
-
Als bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist die zweite Kammer 4052 innen mit einem Kolbenstopfen 4056 versehen, der sich oberhalb der Zuführöffnung 4059 befindet. Vorzugsweise bildet das untere Ende des zylindrischen Körpers 4050 einen konischen Führungsabschnitt 4055. Die Druckdüse 4057 ist am konischen Führungsabschnitt 4055 angebracht, wobei die Zuführöffnung 4059 zwischen dem Bewegungskolben 4053 und der Druckdüse 4057 angeordnet ist. Vorzugsweise ist die Kontaktfläche zwischen dem Bewegungskolben 4053 und dem zylindrischen Körper 4050 mit einer Ringnut versehen, in der sich eine Dichtring 4054 befindet.
-
Als bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sind fünf Düsenmechanismen 405 vorhanden. Die Druckdüsen 4057 der Düsenmechanismen 405 weisen einen jeweiligen Durchmesser von 120um, 100um, 80um, 50um und 30um auf. Der Durchmesser der Druckdüse 4057 beeinflusst die Druckgenauigkeit und die Druckgeschwindigkeit. Die Druckdüsen 4057 mit unterschiedlichen Druckdüsendurchmessern können entsprechend den Druckanforderungen ausgewählt werden. Erfindungsgemäß wird das Umschalten der Druckdüsen 4057 durch den Motor 403, den Drehflansch 411 und den Zylinder 404 realisiert. Es ist möglich, die Druckeffizienz zu verbessern, indem die Druckdüsen 4057 einfach umzuschalten sind.
-
Als bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist die Materialfördereinrichtung einen Luftkompressor 60 und einen Materialspeicherzylinder 61 auf. Der Luftauslass des Luftkompressors 60 kommuniziert über einen Luftschlauch 62 mit dem Lufteinlass des Materialspeicherzylinders 61. Das Abgabeende des Materialspeicherzylinders 61 ist über einen Materialzufuhrschlauch 63 mit der Zuführöffnung 4059 verbunden. Ein elektrisches Ventil 4060 ist auf dem Materialzufuhrschlauch 63 vorgesehen. Mit dieser Struktur wird das Druckmaterial in dem Materialspeicherzylinder 61 durch Luftdruck zu den Düsenmechanismen 405 befördert.
-
Als bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist das Gerätegestell 10 einen Unterträger 12, einen Oberträger 11 und zwei zwischen dem Unterträger 12 und dem Oberträger 11 vorgesehene Seitenständer 13, 14 auf. Der sechsachsige Roboter 20 ist am Oberträger 11 angebracht. Die 6-Freiheitsgrad-Parallelplattform 30 ist auf dem Unterträger 12 vorgesehen. Der sechsachsige Roboter 20 und die 6-Freiheitsgrad-Parallelplattform 30 sind beide mit dem Steuersystem 70 verbunden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind der erste Seitenständer 13 und der zweite Seitenständer 14 beide mit den Bilderfassungskameras 50 versehen.
-
Gemäß der technischen Lösung der vorliegenden Erfindung wird durch den Luftkompressor 60 gesteuert, dass das Druckmaterial aus der Druckdüse 4057 ausgestoßen wird, wodurch der 3D-Druck realisiert wird. Beim Drucken erzeugt der Luftkompressor 60 die Hochdruckluft, die über den Luftschlauch 62 an die Lufteintrittsöffnung 4058 des Düsenmechanismus 405 geliefert wird. Mit dem Dichtring 4054 wird vermieden, dass Luft ins Druckmaterial eintritt. Gleichzeitig ist das mit der Zuführöffnung 4059 verbundene, elektrische Ventil 4060 ausgeschaltet. Damit wird vermieden, dass das Druckmaterial aus der Zuführöffnung 4059 ausgestoßen wird. Durch die Hochdruckluft bewegt sich der Bewegungskolben 4053 nach unten, sodass das Druckmaterial aus der Druckdüse 4057 kontinuierlich und stabil ausgestoßen wird. Hierdurch wird der 3D-Druck erzielt. Bewegt sich der Bewegungskolben 4053 zu dem Kolbenstopfen 4056, wird der Bewegungskolben 4053 gestoppt, wobei der Luftkompressor 60 durch das Steuersystem 70 gesteuert wird, um die Luftzufuhr zum Düsenmechanismus 405 zu unterbrechen. Das Steuersystem 70 veranlasst das mit der Zuführöffnung 4059 verbundene, elektrische Ventil 4060 zum Öffnen. Außerdem veranlasst das Steuersystem 70 den Luftkompressor 60 zur Luftzufuhr zum Materialspeicherzylinder 61, sodass der Druckmaterial über den Materialzufuhrschlauch 63 in den Düsenmechanismus 405 eintritt. Gleichzeitig bewegt sich der Bewegungskolben 4053 zur Lufteintrittsöffnung 4058. Ist der Düsenmechanismus 405 mit Druckmaterial gefüllt, wird das elektrische Ventil 4060 geschlossen. Der Düsenmechanismus 405 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 Roboter 20 und die 6-Freiheitsgrad-Parallelplattform 30 zur koordinierten Bewegung, um den komplexen, feinen dreidimensionalen Musterdruck auf der künstlichen Knochenoberfläche und der porösen Innenfläche zu erreichen. Ein kinematisches Modell des sechsachsigen Roboters 20 und der 6-Freiheitsgrad-Parallelplattform 30 wird durch den Computer zur Optimierung der Trajektorie hergestellt. Durch das Steuersystem 70 in mehrachsiger Gelenksteuerungssweise werden der sechsachsige Roboter 20 und die 6-Freiheitsgrad-Parallelplattform 30 zur koordinierten Bewegung veranlasst. Die Form- und Diffusionskontrolle der Drucktröpfchen wird entsprechend der Gesamtlaufgeschwindigkeit des sechsachsigen Roboters 20 erreicht. Außerdem wird die 6-Freiheitsgrad-Parallelplattform 30 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 Roboter 20 und die 6-Freiheitsgrad-Parallelplattform 30 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 Roboters 20 und der 6-Freiheitsgrad-Parallelplattform 30 wird jeweils aufgebaut. Basierend auf dem linearen quadratischen optimalen Steuerungsverfahren ist das lineare quadratische Steuerungsmodell sowohl für den sechsachsigen Roboter 20 als auch für die 6-Freiheitsgrad-Parallelplattform 30 ausgelegt. Die während des Betriebs des Systems erzeugten Schwingungen werden so gesteuert, dass die während der Bewegung des sechsachsigen Roboters 20 und der 6-Freiheitsgrad-Parallelplattform 30 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 Seitenständer 13 und dem zweiten Seitenständer 14 sind je zwei hochpräzise Bilderfassungskameras 50 angeordnet. Die Echtzeitposition des Endes der Druckdüse 4057 wird unter Verwendung eines binokularen stereoskopischen Messverfahrens ermittelt, um eine räumliche Position am Ende der Druckdüse 4057 zu erhalten. Die ermittelte Echtzeitposition der Druckdüse 4057 wird mit ihrer theoretischen Position verglichen, woraufhin die Echtzeit-Rückkoppelungssteuerung der Endposition der Druckdüse 4057 durchgeführt wird. Zwei hochpräzise Bilderfassungskameras 50 erhalten zwei Bilder der Endposition der Druckdüse 4057 aus verschiedenen Positionen. Die räumliche Position des Endes der Druckdüse 4057 wird durch Berechnen der Positionsabweichung der Endpunkte der Druckdüsen 4057 in den beiden Bildern erhalten. Die Genauigkeit der räumlichen Lage des Endes der Druckdüse 4057, die von den hochpräzisen Bilderfassungskameras 50 erfasst wird, erreicht bis zu um. Die Endposition der Druckdüse 4057 wird einer Echtzeit-Rückkoppelungssteuerung in Übereinstimmung mit der für das Ende der Druckdüse 4057 ermittelten Echtzeitposition unterworfen, wobei die Bewegung des sechsachsigen Roboter 20 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
-
- CN 103948456 B [0003, 0017]
- CN 104002299 B [0017]
