3DP prototyping voor tooling in ROBOTICA
Whitepaper:
Bart de Kiefte, Tim de Roo en Jan Willem van der Windt
LIVIT ORTHOPEDIE
Frezen voor de orthopedie vergt skills die zich niet laten vergelijken met het frezen voor niet medische toepassingen. Afhankelijk van het materiaal kunnen wij binnen toleranties van 0,05 mm werken. Door de jaren heen heeft Livit het frezen van schuimmodellen tot een kunst verheven. Dit jaar hebben wij onze toepassing van freestechniek uitgebreid naar het frezen van modellen voor polshandorthesen. Aan de basis aan deze verbreding stond de in eigen huis ontwikkelde robot basiscomponent: een fixatiesysteem voor het freesblok. In deze whitepaper delen we graag hoe we gebruik hebben gemaakt van 3D-printing (3DP) voor prototyping in de ontwikkeling van deze unieke robotonderdelen.
nieuw
Figuur 1: foto's van onze tweede roboticom robot die in 2020 in gebruik zijn genomen
nieuwe robot voor uitbreiding toepassing van robotica
Juli, 2020 [Editie 13, Volume 3]
Voor een uitbreiding van de toepassing van freestechniek in plaats van gips voor siliconen polshandorthesen is extra capaciteit nodig Hiervoor is een tweede robot geinstalleerd en in 2020 operationeel geworden
cad/cam schuimodellen freezen met nauwkeurigheid die medische hulpmiddelen vereisen
3DP prototyping voor robotica, Livit ontwikkelde een robot fixatiesysteem voor het behalen van nauwkeurigheid in freestechniek die medische hulpmiddelen vereisen.
Achtergrond: Livit voldoet aan alle randvoorwaarden om robotica toe te passen in haar orthopedische hulpmiddelenzorg: Centrale productielocatie. Waar de orthopedische hulpmiddelenbranche nog steeds wordt gekenmerkt door kleine lokale werkplaatsen met sterk ambachtelijk karakter, heeft Livit de afgelopen decennia geïnvesteerd in een uniform aanmeetproces en centrale productie. Digitalisering is structureel onderdeel van het Livit aanmeetproces. Al in 2013 zijn wij gestart met het digitaal aanmeten van voorzieningen en ondertussen worden 95% van onze prothesen digitaal aangemeten en verwerkt. Introductie van en toepassing van CadCam techniek. Om de uitdagingen in de zorgverlening met schaarste aan goed gekwalificeerd personeel en continue druk op efficiency vanwege prijsdruk vanuit de vergoedingssfeer het hoofd te bieden, zijn wij reeds 6 jaar geleden gestart met het verkennen van de mogelijkheden van robotica. Schuim frezen in ieder gewenst model Met behulp van de nieuwste CAD/CAM-technologie in combinatie met onze 7-assige robotcarvers hebben wij bewezen hoogwaardig en zeer nauwkeurig werk voor de productie van prothesen en orthesen te kunnen maken. Of het nu gaat om lijnen, technische assen, rondes of diepere reliëfs in het schuim. Zeker als het gaat om schuim dat gebruikt wordt als model voor een medisch hulpmiddel, is het belangrijk dat het perfect overeenkomt met het beoogde lichaamsdeel. En het zijn precies die complexe modellen waar wij ons in hebben gespecialiseerd. eigen besturingssysteem Een robot kan heel goed gebruikt worden om freesbewerkingen uit te voeren. Maar omdat robots hier in de eerste plaats niet voor gemaakt zijn, vereist dit wel de ontwikkeling van een eigen besturingssysteem. Freesprogramma’s bevatten enorm veel regels die - om vloeiend te kunnen frezen - met een bepaalde snelheid verwerkt moeten worden door de besturing. Een standaard robotbesturing heeft naarmate de freesprogramma’s complexer worden moeite deze verwerkingssnelheid te halen. De robot onderbreekt dan het frezen totdat alle informatie vanuit de besturing weer verwerkt is. Een onwenselijke situatie. Daarom heeft Livit voor deze toepassing een speciale besturing ontwikkeld, waardoor de robot constant in een vloeiende route freest, waardoor de kwaliteit gewaarborgd is. De besturing werkt in tegenstelling tot een standaard robotbesturing gewoon met G-codes. Een G-code is een commando dat gebruikt wordt bij het programmeren van een CNC-programma. Deze G-code is een instructie voor de machine. De code heeft een vaste betekenis die vastgelegd is in een ISO-standaard. Een G-code vertelt de machine wat hij moet doen in welke volgorde, met welk gereedschap en op welke plek. Daarnaast zijn er in de besturing nog een aantal aanpassingen gedaan, zodat de besturing van een standaard robot een 6 of in ons geval zelfs een 7 assige CNC freesmachine maakt. Reden temeer om een robot te verkiezen boven een 5-assig bewerkingscentrum. Frezen met een robot vraagt echter wel een heel andere benadering dan frezen met een CNC freesmachine. Maar door onze eigen besturing te ontwikkelen, sluit deze meer aan bij de denkwijze van een CNC programmeur en is de afstand tussen het werken met een robot en het werken met een CNC freesmachine aanmerkelijk verkleind. Belemmering in de robot basis-componenten voor nauwkeurige freestechniek Voor een nauwkeurige freestechniek voor medische hulpmiddelen liepen wij aan tegen de grenzen van de Robot basiscomponenten. Het belangrijkste basiscomponent van de robot freesmachine is uiteraard de robot zelf. Wij hebben als als partner gekozen voor Roboticom, omdat deze partij ervaring heeft met anatomie icm robotica (beeldhouwen). Daarnaast zijn alle kabels weggewerkt in de robot, waardoor deze goed bestand zijn tegen een stofrijke omgeving. Tweede basiscomponent is de freesmotor. De grootte van de freesmotor is aangepast aan de maat van de robot. en is leverbaar met manuele spantang of met gereedschapswisselaar. Gereedschapswisselaar is essentieel in ons geval, vanwege de vele complexe anatomische vormen die wij frezen. Hierdoor moet vaak van gereedschap gewisseld worden en is een wisselaar een must. De Livit robot wisselt automatisch van tool en kan zo altijd autonoom doorwerken. Het toevoegen van een draaiende werktafel maakt het mogelijk om modellen van alle zijden te bewerken. De tafel kan simultaan draaien met de werkende robot en is dus de 7e as van de robot. De grenzen voor deze toepassing werden echter bepaald door de fixatie van het model in de houder (fixatiesysteem). De uitslag en daarmee onnauwkeurigheid werd groter bij het freezen van complexe modellen en beperkte daarmee de toepassing van robotica voor bijvoorbeeld pols-handorthesen. Er moest gezocht worden naar een oplossing in zowel hardware als software om het resoneren te vermijden. In eigen beheer ontwikkelderobot fixatie systeem De oplossing is gevonden in een in eigen beheer ontwikkeld robot fixatiesysteem, waarbij 3D printen (3DP) zeer van toegevoegde waarde bleek. Juist voor het produceren van onderdelen voor robotica biedt de 3DP-techniek kansen. Zo hebben goedkopere mallen voor ons het risico van productontwikkeling beperkt en daarmee mogelijk gemaakt. Met 3DP kon sneller een prototype gemaakt worden, waarmee kinderziektes van het ontwerp sneller werden gedetecteerd en konden worden verholpen. Met een eerste 3DP protype kon zelfs al de eerste serie geproduceerd worden om de technische haalbaarheid te toetsen. Normaliter moet er rond de tien weken gewacht worden op een prototype, in dit geval is de levertijd 'slechts' afhankelijk van de grootte van het prototype en de snelheid van de printer. De ontwerpvrijheid van 3D-printen maakt het mogelijk het complexe systeem te vervaardigen die normaliter niet zo snel en makkelijke vervaardigd kon worden. Wat ons betreft is de toekomst van het ontwikkelen en vervaardigen van orthopedische hulpmiddelen dan ook onbegrensd! Meer informatie Voor meer informatie over de Robotica in de Orthopedie dan kunt u contact opnemen met Bart de KIefte (CTO) bkiefte@livit.nl of Tim de Roo (technisch CAD/CAM manager) troo@livit.nl
Bart de Kiefte (CTO), Tim de Roo (Technisch Cad/Cam en Team manager), Jan Willem van der Windt (CEO)