具有织物层和3d打印层的矫形器
阅读说明：本技术 具有织物层和3d打印层的矫形器 (Orthosis with fabric layer and 3D printed layer ) 是由 拉斐尔·科赫 拉尔斯·博格纳尔 迈克·布罗达 于 2020-11-20 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种用于生产矫形器(10)的方法,尤其是用于生产作为辅助制造技术的手套(11)的矫形器(10)的方法,其中所述方法包括以下步骤：-提供(1a)3D打印机(1)；-通过将织物层(2)加载到3D打印机(1)而提供(2a)织物层(2)；-通过将3D打印材料(3)加载到3D打印机(1)而提供3D打印材料(3)；-执行至少一个3D打印操作(20、22),从而在3D打印机(1)中直接在织物层(2)上形成至少一个3D打印层(4)；-从3D打印机(1)中移除(23)印有3D打印层(4)的织物层(2)。本发明还涉及一种矫形器(10),尤其是作为辅助制造技术的手套(11)的矫形器(10),该矫形器(10)尤其以根据本发明所述的方法生产。(The invention relates to a method for producing an orthosis (10), in particular for producing an orthosis (10) of a glove (11) as an aid to manufacturing technology, wherein the method comprises the following steps: -providing (1a) a3D printer (1); -providing (2a) a fabric layer (2) by loading the fabric layer (2) into a3D printer (1); -providing a3D printed material (3) by loading the 3D printed material (3) into a3D printer (1); -performing at least one 3D printing operation (20, 22) so as to form at least one 3D printed layer (4) directly on the fabric layer (2) in the 3D printer (1); -removing (23) the fabric layer (2) printed with the 3D printed layer (4) from the 3D printer (1). The invention also relates to an orthosis (10), in particular an orthosis (10) of a glove (11) as an aid to manufacturing technology, which orthosis (10) is produced in particular in a method according to the invention.)
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1前序部分所述的用于生产矫形器的方法，尤其涉及一种用于生产作为辅助制造技术的手套的矫形器的方法。本发明还涉及一种根据权利要求5前序部分所述的矫形器，其具有由织物材料制成的织物层和由3D(三维)打印材料制成的3D打印层。
背景技术
矫形器总体上是一种辅助工具，其用于稳定、缓解、固定、引导或纠正肢体或躯干，并在工业上或由骨科技术人员生产，通常用于医疗处方。
熔融沉积模型(FDM)或熔融长丝制造(FFF)总体代表源自3D打印领域的制造方法，其中由可熔塑料或熔融金属逐层堆积形成工件。
可以借助3D打印来制造医用或用于制造技术(尤其是在汽车工业的连续生产中使用)的矫形器。在连续生产中使用的矫形器允许参与所述生产的工人减少例如在承受载荷区域(如手指关节)的机械应力。矫形器能够减少人体工程学的不利影响，尤其是在压入操作或提升重物期间的不利影响。然而，只有当矫形器完全适应用户的身体时，它才能以期望的方式发挥作用。否则，可能会出现水泡等形式的伤害。因此，大多数矫形器相当昂贵，因为它们必须人工地调整以适应每个用户。当大规模生产而非单独定制矫形器时，这对它们适合用户方面有不利影响。由3D打印生产的矫形器有助于为每个用户单独创建完美的形状。然而，用于获得矫形器的柔韧性通常所用的橡胶材料随着时间的推移特别容易变脆，从而导致矫形器的失效。
为了满足多种要求，矫形器通常由不同的材料制造。在骨科领域，例如在医学：加医疗OT-生产矫形器中最大灵活性和设计自由(于2019年2月22日检索)，生产矫形器的方法是已知的方法，其中病人的石膏印模利用三维扫描仪进行数字化。然后将数据传输到3D打印机，该打印机借助激光束由细粉材料逐层生产矫形器。所使用的材料是基于尼龙的聚合物。原则上，还规定设计不同强度和/或不同材料的各个区域。如关节连接部位的标准部件也可以集成在矫形器中。
专利文献US 9,610,731 B2同样涉及矫形器的生产，其中首先建立了矫形器的数字模型。借助3D打印，矫形器的不同区域可以配置特定的属性。因此，矫形器的个别区域可以是硬的，而其他区域可以是柔性的。在制造过程中，另外的部件可以集成在矫形器中。在专利文献US 2016/0374431 A1中，使用了一种类似的方法来配置材料属性，以使例如在某些区域特别允许纵向扩展。
专利文献US 9,676,159 B2公开了一种打印装置，该装置可以利用不同的材料生产三维部件。各个材料可以直接应用于例如天然或合成纤维的织物的表面。
专利文献US 10,016,941 B2涉及一种方法，在这种方法中，利用FDM 3D打印机制造鞋的部件，最初不需要辅助材料。这样制造的部件然后借助插头系统连接到鞋的另外的部件上。
在专利文献US 2017/0318900 A1中，同样借助于FDM 3D打印机制造矫形器。为了改善穿着舒适性，与用户形成接触的表面具有基本连续的区域。在这种情况下，可以由单一材料制造矫形器，并且除了通过3D打印制造外，还将织物层放置在矫形器的表面上。
在现有技术中公开的解决方案中，无法提供在连续制造中以成本效益高的方式生产并且在生产过程中仍可单独调整以适应用户的矫形器。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有成本效益的矫形器和一种连续生产且在生产过程中可以单独调整以适应用户的这种矫形器的方法。
根据本发明，该目的通过具有权利要求1的特征的用于生产矫形器的方法和具有权利要求5的特征的矫形器来实现。本发明的另外尤其有利的实施例在从属权利要求中公开。
需要注意的是，以下说明书中单独说明的特征和措施可以以任何期望的技术上有意义的方式相互结合，并公开本发明的另外的改进。该说明书还尤其结合附图描述和说明了本发明。当在下面的描述中提到用户时，这既包括使用矫形器的工人，例如作为汽车工业连续生产中装配工作的辅助工具，也包括将矫形器用于医疗目的的病人。“内”或“内侧”是指手套或矫形器的朝向用户的这一侧，而“外”或“外侧”则朝向矫形器的环境。
本发明涉及一种用于生产矫形器的方法，尤其是用于生产作为辅助制造技术的手套的矫形器的方法，该方法包括以下步骤：
-提供3D打印机；
-通过将织物层加载到3D打印机而提供织物层；
-通过将3D打印材料加载到3D打印机而提供3D打印材料；
-执行至少一个3D打印操作，从而在3D打印机中直接在织物层上形成至少一个3D打印层；
-从3D打印机中移除印有3D打印层的织物层。
上述步骤优选地按所表明的顺序执行。为了生产矫形器，也可以多次执行单独的方法步骤。具有优选地由例如有机织物等纺织织物组成的织物层和特别适合用户的3D打印层的矫形器十分适合尤其用作汽车工业连续生产或装配工作中的工作手套。织物层吸收由于体力工作期间的活动而引起的用户的汗水。此外，织物层赋予了矫形器工作所需的柔性。同时，3D打印层允许矫形器完全裁剪到适合预期的使用领域。FFF/FDM 3D打印机适于用作根据本发明的方法的3D打印机，但本发明显然不限于此类3D打印机。例如，其他方法也是合适的，例如名称为团粒打印或颗粒打印的这两个，但这些并不是为了限制。通过织物层加载到3D打印机意思是在3D打印操作之前或在两个3D打印操作之间将织物层插入、拉入或放置到3D打印机中。例如通过具有相应使用的起始材料的丝线轴/插入到3D打印机中的3D打印材料使用于3D打印层的3D打印材料可供使用。根据所使用的起始材料，由此产生的3D打印材料具有不同的力学性能和颜色。通过直接在织物层上生成3D打印层，可以简化生产方法，降低生产矫形器的成本。生成的3D打印层可以在多个区域于织物层上形成，和/或可以完全覆盖织物层。这样，可以在手套的织物上提供增强材料、裁剪装置、减震器、夹持辅助装置或其他特殊设计的区域。同样，也可以提供裁剪装置或其他连接元件，如弹性带、卡合闭合件、卡合连接件或外壳元件，以便将3D打印的混合矫形器与另外的织物元件或其他部件结合起来。
用于生产混合矫形器(即带有织物层和3D打印层的矫形器)的这样的方法在现有技术中是未知的。利用根据本发明的方法生产的矫形器也可用于病人的医疗和/或治疗应用中。
在该方法的优选实施例中，通过将织物层加载到3D打印机而提供织物层发生在执行第一次3D打印操作之后，并且发生在在3D打印机中执行第二次3D打印操作之前。
凭借矫形器的多层设计，后者可以更好地适应特定的要求。例如，在生产方法中，在第一次3D打印操作之后，可以停止3D打印机。在方法的暂停中，织物层然后可以插入到3D打印机中位于第一次3D打印操作中产生的第一个3D打印层上。此后，在第二次3D打印操作中，直接在织物层上生成第二个3D打印层。原则上可以在每次需要时重复这种操作。
在从3D打印机中移除印有3D打印层的织物层之后或之前，优选地沿轮廓件裁剪织物层。
因此，生产或制造矫形器所需的织物层的裁剪(例如冲孔)在3D打印机中进行，或者在从3D打印机中移除之后进行。然后，可以通过使得3D打印层精确地布置在所需的位置(例如在手指关节上)的方式将织物层缝制成手套。也可以以这种方式生产不同的尺寸。
在该方法的可选改进中，当执行3D打印操作时以及在3D打印机中直接在织物层上形成3D打印层时，在3D打印层中形成电子部件。
这样，电子部件(即例如开关装置、控制旋钮、传感器的有源元件，或者如天线或RFID元件的接收数据的无源元件)可以在一个方法步骤中直接打印在3D打印层中。这允许生产数字手套。为了在矫形器中获得更复杂的电子部件，可以停止或暂停3D打印操作，使得电子部件(可选择地实施在单独的外壳中)可以放置在3D打印机中。然后可以进行进一步的3D打印操作。
要求对矫形器提供独立的保护，尤其是作为辅助制造技术的手套的矫形器，该矫形器尤其是根据已经描述的方法之一所生产，该矫形器具有由织物材料制成的织物层和由3D打印材料制成的3D打印层，其中矫形器是通过在3D打印机中执行至少一个3D打印操作来产生的，以便直接在织物层上形成至少一个3D打印层。
矫形器的3D打印层优选地能被分割成至少两个区域，其中第一个区域是柔性的和/或可弯曲的，例如使用如热塑性聚氨酯(TPU)或聚酰胺(PA)等柔性材料，第二个区域相对于第一个区域是硬化的和/或增强的，例如通过使用如聚乳酸(PLA)或聚酰胺/碳纤维(PA-CF)的纤维增强材料。
通过形成具有不同3D打印起始材料的3D打印层，可以在织物层上实现不同的区域。从而可以在织物上实现柔性区域和与柔性区域分隔的硬化区域。具有抗菌作用的材料也可以印在织物层上。
在所述矫形器的优选实施例中，3D打印层具有多个纵长的打印层元件，其中打印层元件之间形成或可形成间隔，使得打印层元件可相对于彼此移动。
通过在各个打印层元件之间形成间隔，可以调整各个打印层元件的自由度，从而允许或不允许打印层元件相对于相邻打印层元件和织物层的不同平移运动或旋转运动。这确保了用户的运动是以符合人体工程学的精确方式进行的，从而防止了用户的关节或肌腱的不期望的机械载荷。具有纵长设计的打印层元件通常具有纵向轴线，其中纵向轴线在连接元件的区域垂直于织物层，连接元件将打印层元件连接到织物元件。两个相邻打印层元件的两个纵向轴线可以例如相互平行延伸，或者可以围成与织物层的曲率相对应的角度。如果允许织物层的限定移动，则打印层元件的取向可以发生变化，打印层元件的纵向轴线相互围成的角度也发生变化。
优选地，矫形器的3D打印层的打印层元件具有纵向轴线、分配给织物层的连接元件以及分配给矫形器的环境的表面元件和/或矫形器的另外的层，其中打印层元件从连接元件开始至表面元件沿纵向轴线逐渐变窄。
换句话说，打印层元件具有金字塔、锥形、锥棱镜等的几何形状，该形状从连接元件区域的基部开始直到在表面元件区域的基部逐渐变窄。逐渐变窄也可以意味着垂直于打印层元件的纵向轴线的横截面积从连接元件到表面元件逐渐变窄。然而，逐渐变窄也可以配置为其他的方式，即与表面元件的横截面积相比，连接元件的横截面积较小。
在可选的改进中，矫形器的3D打印层具有超材料结构，其中超材料结构在第一方向的拉力作用下在第二方向上扩展，其中第一方向与第二方向不同，且优选地垂直于第二方向。超材料通常是与传统材料相比具有意想不到的性能的材料。
此外，矫形器，尤其是矫形器的3D打印层，可以具有集成的电子部件，电子部件作为传输、接收、处理和/或存储数据的通信或计算装置。
因此，电子部件可以直接集成在3D打印层中。例如，它们包括如开关装置、按钮或传感器的有源元件，或者如印刷天线或RFID元件的无源元件。通过印刷电子部件，可以生产数字手套。例如，可以生产具有扫描装置的手套，其中扫描装置可以扫描例如条形码，由此工作人员能够识别正确的部件。手套同样可以包括用于操作扫描装置的开关装置。为了将复杂的部件实施到矫形器中，可以中断或暂停3D打印操作，以使电子部件(可选地具有另外的外壳)放置在3D打印机中的要打印的两层之间。还可以想到，利用矫形器中的通信或计算装置，可以指示和防止用户和工业机器人之间潜在的碰撞。除了电子部件外，还可以将另外的部件集成到矫形器中，以便将矫形器与另外的部件连接。
附图说明
本发明的另外有利的实施例在从属权利要求和下列附图的描述中公开，在附图中在各自的情况下以示例方式说明。
图1a和图1b分别示出了来源于现有技术的矫形器的示例的透视图；
图2示出了根据本发明的矫形器的说明性实施例的布局的示意图；
图3a-3b示出了3D打印层的设计或布置的示例的示意图；
图4示出了3D打印层的第一可选设计或布置的示意图；
图5a-5b示出了3D打印层的第二可选设计或布置的示意图；
图6以透视图示出了根据本发明的矫形器的示例；
图7示出了根据本发明的生产方法的示例的说明；以及
图8示出了根据本发明的生产方法的示例的流程图。
具体实施方式
在各个附图中，相同的部分总是设有相同的附图标记，因此，它们通常也只被描述一次。尤其地，这些附图应被理解为为了更清楚而代表各种部件或以简化的形式显示它们。
图1a示出了来源于现有技术的矫形器10，其设计为拇指矫形器。矫形器10集成在手套11中。拇指矫形器例如在非常频繁地进行并且需要拇指的按压运动的装配操作中保护用户19的拇指关节。这减少了拇指关节上的压力。图1b示出了来源于现有技术的矫形器10，其设计为前臂和手掌的外骨骼12。这种矫形器10也可用于医疗目的，也可用于协助尤其是在装配操作中(例如在汽车工业的装配线上连续制造期间)经常进行的运动的辅助工具。
图2示出了根据本发明的矫形器10(参考图6)的示例的层的基本布局。提供第一层或织物层2，第一层或织物层2在矫形器10使用期间与用户19的皮肤形成接触(参考图6)，因此当工作强度大导致出汗时也允许舒适的感觉。第二层或3D打印层4应用于织物层2上。3D打印层4具有多个打印层元件13，其中打印层元件13被设计为多个纵长的部件，即销形或钉形部件。打印层元件13具有例如用于与其他物体形成接触的至少一个表面元件14以及用于将打印层元件13连接到织物层2的连接元件15。通过几何形成打印层元件13，用户19(参考图6)利用矫形器10的某些运动可以根据需求变得更难或更容易。通过将表面元件14设置为彼此齐平，打印层元件13相对于彼此的横向移动会变得困难。通过逐渐变窄，即从表面元件14开始至连接元件15横截面的减少，在3D打印层4内部形成了间隔16，其中间隔16允许用户19(参考图6)所需的移动自由。换句话说，织物层2优选地朝向用户(参考图6)，而3D打印层4(尤其是其表面元件14)朝向矫形器10的环境25，并形成矫形器10的外侧27。从以示例方式示出的说明性实施例中可以看出，表面元件14可以是多边形的，优选地像蜂窝，更优选地是六边形的。
图3a示出了织物层2上的3D打印层4的特定区域布置。可选地，3D打印层4也可以在整个表面上应用于织物层2。为了生产矫形器10(参考图6)，轮廓件5可以应用于织物层2。可以沿着轮廓件5裁剪织物层2。在应用3D打印层4之后通过随后沿最终轮廓件5裁剪织物层2，可以消除在生产方法期间织物层2出现的磨损。图3b示出了织物层2上的3D打印层4的另一特定区域的布置，其中3D打印层4至少部分地由超材料(metamaterial)6形成。这样的超材料6例如在3D打印层4沿y方向扩展期间也可以使织物层2在x方向延长。
图4示出了在织物层2上的3D打印层4和单个的打印层元件13的可行设计的布置的另一可行实施例。根据单个打印层元件13的设计，例如设计为钉、小棒或金字塔，可以实现在矫形器10使用期间的织物层2以及由此的矫形器10的不同的自由度(DOF)。打印层元件13被设计成具有从它们的表面元件14开始直到它们的连接元件15(例如相对于绘制的y方向)的不变的矩形截面。由于打印层元件13的不变的截面和齐平的布置，各个打印层元件13在其起始位置(即在他们的非承载位置)之间没有间隔16。通过这种设计，织物层2存在容许曲率17，即织物层2向外朝向远离用户19(参见图6)凸起，即在朝向矫形器10的环境25的方向。因此，各个打印层元件13的表面元件14之间的距离增加，打印层元件13之间形成间隔16。相对地，在相反的方向上朝向内侧26的凸起运动构成不容许的曲率18，其中织物层2朝向内侧(即朝向用户19)的不容许的曲率18以虚线由横杠示出。由于打印层元件13在其起始位置之间没有间隔16，因此对于不需要的或不容许的曲率18而言也没有移动自由。
图5a和图5b示出了在织物层2上的3D打印层4的布置的另一可行实施例，其中利用各个打印层元件13的圆锥形、金字塔形和/或锥形设计，原则上允许织物层2围绕z方向在两个方向上的凸起运动，即朝向内侧26和朝向外侧27。打印层元件13从它们的连接元件15开始至其表面元件14(例如相对于绘制的y的正方向)逐渐变窄。因此在打印层元件13之间形成间隔16。在织物层2绕z方向向外凸起(即在矫形器10的环境25(参考图6)的方向上)的运动期间，间隔16由于各个表面元件14之间的距离的增加而扩大。在织物层2绕z方向向内凸起的运动期间，各个表面元件14之间的距离减小，因此间隔16也变小。这种凸起运动可以继续，直到打印层元件13相互连接或彼此齐平地支撑。可以通过打印层元件13的几何设计来设置织物层2的最大凸起。根据图5b，打印层元件13也可以设计成只相对于y方向而不是相对于z方向逐渐变窄的形状。如同图4和图5a的实施例相结合。这样，各个打印层元件13相对于z方向已经彼此齐平或平的，并且由此抑制了朝向内侧26的凸起运动而引起的相对于x方向的不容许的曲率18。然而，仍可以实现由于朝向外侧27的凸起运动以形成间隔16的相对于x方向的曲率。这样，各个自由度DOF可以根据方向不同而有所不同。
图6示出了戴在用户19上的设计为手套11的矫形器10。手套11或矫形器10具有朝向用户19的内侧26(参考图4)和朝向环境25的外侧27。为了将手套11形成为数字化手套11，已经在通过3D打印的生产中结合了相应的应用。为此，手套11可以具有各种电子部件7。例如，可以在手套11中设置例如用于扫描条形码的扫描装置9，其中也可以通过集成在手套11中的开关装置8操作扫描装置9。
图7示出了根据本发明的用于生产矫形器10(参考图6)的生产方法的示例。通过将织物层2固定在3D打印机1的平台中来在FFF/FDM 3D打印机1中设置2a织物层2，从而在打印操作20、22(参考图8)期间阻止织物层2的滑动。通过将丝线轴3插入到3D打印机1中还设置3a3D打印材料3。
图8示出了与根据本发明的生产矫形器10(参考图6)的生产方法的示例有关的方法的流程图。最初提供1a、2a、3a、7a3D打印机1、织物层2、3D打印材料3，以及在适当情况下提供另外的插入件，尤其是非3D打印电子插入件7。在将织物层2插入3D打印机1之后，在第一次打印操作20中，将3D打印材料应用到织物层2以形成3D打印层4(参考图2)。在适当的情况下，可以通过暂停21中断该第一次打印操作20，从而可以插入例如电子插入件7、开关装置8、扫描装置9、以及适当情况下的另外的织物层2。然后在第二次3D打印操作22中继续3D打印。完成3D打印操作20、22之后，可以移除23矫形器10，精加工24矫形器10，例如将织物层2裁剪到沿轮廓件5(参考图3a)的尺寸，然后通过后续的缝纫做好准备。
附图标记列表：
1 3D打印机，尤其是FFF3D打印机
1a 提供3D打印机
2 第一层，尤其是织物层
2a 提供织物层
3 3D打印材料，尤其是丝线轴
3a 提供3D打印材料
4 第二层或3D打印层
5 轮廓件
6 超材料
7 电子部件
7a 提供电子插入件
8 开关装置
9 扫描装置
10 矫形器
11 手套
12 外骨骼
13 打印层元件
13a 打印层元件的纵向轴线
14 表面元件
15 连接元件
16 间隔
17 容许的曲率
18 不容许的曲率
19 用户
20 第一次3D打印操作
21 暂停
22 第二次3D打印操作
23 移除
24 精加工
25 矫形器的环境
26 内侧
27 外侧
x方向 x轴线，具体是第二方向
y方向 y轴线，具体是第一方向
z方向 z轴线