„3Dprint2Fiber“ – kohle­faserverstärkter 3D-Druck in der Orthopädie-Technik

C. Rieth, B. Els
Das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderte­ Projekt „3Dprint2Fiber“ befasst sich mit kohlefaserverstärktem 3D-Druck in der Orthopädie-Technik.

Der Grund­ge­dan­ke besteht dar­in, die Passge­nauigkeit des 3D-Drucks mit der Sta­bi­li­tät von Koh­le­fa­sern zu ver­bin­den, um Orthe­sen zu fer­ti­gen, die leicht, sta­bil und kom­for­ta­bel zu tra­gen sind. Die wesent­li­chen Prin­zi­pi­en die­ser Metho­de wer­den anhand der Erstel­lung einer 3D-gedruck­ten maß­ge­fer­tig­ten Unter­schen­kel­orthe­se (AFO) auf­ge­zeigt, die durch ein Hand­ab­la­ge­ge­rät nach­träg­lich mit Koh­le­fa­sern ver­stärkt wird.

Anzei­ge

Ein­lei­tung

Die Ortho­pä­die-Tech­nik digi­ta­li­siert sich immer stär­ker – nicht zuletzt des­halb, weil die indi­vi­du­el­le Ver­sor­gung durch die Mög­lich­kei­ten der digi­ta­len Tech­nik in Ver­bin­dung mit addi­ti­ven Fer­ti­gungs­me­tho­den bei sin­ken­den Pro­duk­ti­ons­zei­ten in der Werk­statt deut­lich ver­bes­sert wer­den kann. Das kommt auch den Nut­zern zugu­te: Der Ortho­pä­die-Tech­ni­ker kann mehr Zeit in sei­ne Kun­den und die indi­vi­du­el­le Anpas­sung der Hilfs­mit­tel inves­tie­ren, statt die­se Zeit in der Werk­statt mit der Fer­ti­gung zu ver­brin­gen. 3D-Scan­­me­tho­den, com­pu­ter­un­ter­stütz­te Design­me­tho­den (CAD) und Ver­fah­ren aus dem Rapid Pro­to­typ­ing (CAM) neh­men daher immer stär­ke­ren Ein­fluss auf die Arbeit eta­blier­ter ­Ortho­pä­die-Tech­ni­ker, aber auch auf die Aus­bil­dung des Nach­wuch­ses. Immer mehr Fir­men und Insti­tu­te for­schen über die Her­stel­lung 3D-­ge­druck­ter Orthe­sen, denn die­se kön­nen indi­vi­du­ell für jeden Nut­zer „maß­ge­schnei­dert“ wer­den. Auch die Halt­bar­keit ver­bes­sert sich: Dau­er­last­tests in der Pro­the­tik konn­ten zei­gen, dass gedruck­tes Poly­amid 12 (PA12) Last­wech­sel von bis zu zwei Mil­lio­nen Zyklen stand­hal­ten kann, was einer Dau­er­last von zwei Jah­ren ent­spricht 1.

Das Selek­ti­ve Laser­sin­ter­ver­fah­ren (SLS) hat sich in der Her­stel­lung von Orthe­sen­scha­len zumin­dest in Teil­be­rei­chen bereits durch­ge­setzt. Beim SLS fin­det ein schicht­wei­ser Mate­ri­al­auf­trag in einem abge­schlos­se­nen, vor­ge­wärm­ten Bau­raum statt. Jede ein­zel­ne hauch­dün­ne Schicht wird nach dem Auf­tra­gen per Laser mit der dar­un­ter­lie­gen­den Schicht ver­schmol­zen. Die Vor­tei­le die­ses Ver­fah­rens bestehen dar­in, dass die Bau­tei­le eine hohe mecha­ni­sche Belast­bar­keit auf­wei­sen und zudem bis 120° Cel­si­us tem­pe­ra­tur­be­stän­dig sind 2.

Dem ent­ge­gen steht die bis­he­ri­ge Ent­wick­lung in der Orthe­tik, die sich immer stär­ker auf die Ver­ar­bei­tung von Koh­le­fa­ser-Ver­bund­werk­stof­fen spe­zia­li­siert hat. Die­ses Mate­ri­al ermög­licht es, hoch­stei­fe Orthe­sen mit sehr gerin­gen Wand­stär­ken zu fer­ti­gen. Zur Her­stel­lung sol­cher koh­le­fa­ser­ba­sier­ten Orthe­sen wer­den zwei unter­schied­li­che Ver­fah­ren ange­wen­det: zum einen das soge­nann­te Gieß­ver­fah­ren, bei dem die Koh­le­fa­ser um eine Form gelegt und dann in einem Vaku­um­sys­tem mit flüs­si­gem Zwei-Kom­po­nen­ten-Harz getränkt wird. Die­ses Harz här­tet durch eine che­mi­sche Reak­ti­on zu einem Duro­plast aus und führt so zur Ver­stei­fung des Mate­ri­als. Bei der zwei­ten Metho­de wer­den soge­nann­te Prep­reg-Mate­ria­li­en – vor­ge­tränk­te Faser­mat­ten – über eine Form gelegt und här­ten sodann unter Hit­ze­ein­wir­kung aus.

Im hier vor­ge­stell­ten Pro­jekt „3Dprint2Fiber“ wird gleich­sam das Bes­te aus bei­den Wel­ten ver­eint: Ziel­set­zung des Pro­jek­tes ist es dem­nach, die bei­den Metho­den in einem Hybrid­ver­fah­ren zu kom­bi­nie­ren, um eine leich­te, sta­bi­le Orthe­se bei deut­lich gesenk­ten Her­stel­lungs­zei­ten zu fer­ti­gen. Der inner­halb des Pro­jekts ver­wen­de­te Koh­le­fa­ser­ver­bund unter­schei­det sich von den oben genann­ten Metho­den dadurch, dass er zum einen in eine ther­mo­plas­ti­sche Matrix ein­ge­bun­den ist und zum ande­ren nicht als Plat­te vor­liegt, son­dern als Band auf einer Spu­le auf­ge­wi­ckelt ist („CFK-Tape“). Die Ver­ar­bei­tung die­ses Werk­stoffs erfolgt durch ein leicht zu hand­ha­ben­des Gerät, das den Kunst­stoff, der die Koh­le­fa­ser umgibt, erhitzt und sie auf die­se Wei­se mit der 3D-gedruck­ten Orthe­se verbindet.

Pro­jekt­be­tei­lig­te

Das Pro­jekt „3Dprint2Fiber“ wird vom Bun­des­mi­nis­te­ri­um für Bil­dung und For­schung (BMBF) geför­dert. Invol­viert sind fünf Partner:

  • die Fir­ma A+ com­po­si­tes in Wesels­berg für die Ent­wick­lung des Fasertapes,
  • das Insti­tut für Ver­bund­werk­stof­fe in Kai­sers­lau­tern (IVW) für Simu­la­ti­on und Testverfahren,
  • die Lud­wig-Maxi­mi­li­ans-Uni­ver­si­tät Mün­chen (LMU) zur Recher­che und Patientenevaluation,
  • die Fir­ma M & A Die­ter­le in Otten­bach für die Ent­wick­lung des Ablegegerätes,
  • die Fir­ma Mecu­ris GmbH in Mün­chen für die Ent­wick­lung der Orthese.

Vor­über­le­gun­gen

Im ers­ten Schritt des Pro­jek­tes wur­den anhand von Exper­ten­be­fra­gun­gen die Ziel­grup­pe und der Orthe­sen­typ spe­zi­fi­ziert, der sich für eine sol­che Art der Her­stel­lung am bes­ten eig­net. Befragt wur­den dabei neben Orthe­sen­trä­gern auch Ortho­pä­die-Tech­ni­ker und Ärz­te. Die Wahl fiel auf eine Unter­schen­kel­orthe­se (AFO; „ankle-foot ortho­sis“) für Pati­en­ten mit Fuß­he­ber­schwä­che (Pero­neus­läh­mung) (Abb. 1). Aus­ge­löst wer­den die­se Läh­mun­gen zum Bei­spiel durch Druck­schä­den beim Tra­gen eines Gip­ses oder sind Fol­ge von Schlag­an­fäl­len oder Band­schei­ben­vor­fäl­len 3. Die Gefahr, die von einer Fuß­he­ber­schwä­che aus­geht, besteht ins­be­son­de­re dar­in, dass der Pati­ent durch das Her­un­ter­hän­gen der Fuß­spit­ze in der Schwung­pha­se stol­pert, was zu schwe­ren Stür­zen füh­ren kann.

Aus den Resul­ta­ten der Inter­views erga­ben sich zwei Haupt­an­for­de­run­gen an das Pro­dukt: Es muss zum einen das Hal­ten des Fußes in einem neu­tra­len Win­kel ermög­li­chen, um die Plan­t­ar­fle­xi­on in der Schwung­pha­se zu ver­mei­den; ande­rer­seits soll die Orthe­se bei Last­über­nah­me einen dosier­ten Wider­stand gegen die Plan­t­ar­fle­xi­on bie­ten, um ein phy­sio­lo­gi­sches Absen­ken der Fuß­spit­ze zu ermög­li­chen. Die lan­ge Feder der AFO muss außer­dem den Trä­ger in der Stand- und der Abroll­pha­se best­mög­lich sta­bi­li­sie­ren, ohne ihn zu behin­dern 4. Um eine dosier­te Plantar­flexion zuzu­las­sen, muss die Orthe­se in der Lage sein, das plan­t­ar­flek­tie­ren­de Moment bei der Last­über­nah­me zu kompensieren.

Mate­ria­l­er­pro­bung

Um zu simu­lie­ren, ob das Design der AFO den genann­ten Anfor­de­run­gen stand­hält, benö­tigt man den Elas­ti­zi­täts­mo­dul (E‑Modul) des Mate­ri­als. Zu die­sem Zweck hat das Insti­tut für Ver­bund­werk­stof­fe (IVW) eine Rei­he von Zug­ver­su­chen durch­ge­führt, wobei im Fal­le des 3D-gedruck­ten PA12 dar­auf zu ach­ten ist, dass sich das Mate­ri­al in unter­schied­li­chen Druck­rich­tun­gen ver­schie­den ver­hält: Ver­ti­kal gedruck­te Pro­ben ver­sag­ten in der kom­plet­ten Ver­suchs­rei­he frü­her; hori­zon­tal gedruck­te Pro­ben wie­sen stets eine höhe­re Bruch­deh­nung auf. Dar­aus lässt sich schlie­ßen, dass die Ver­bin­dung inner­halb einer Schicht stär­ker ist als die Ver­bin­dung zwi­schen den ein­zel­nen Schich­ten. Getes­tet wur­den acht ver­ti­kal und acht hori­zon­tal gedruck­te Pro­ben (Abb. 2)

Kon­zep­ti­on der AFO

Um ein­schät­zen zu kön­nen, inwie­fern das Mate­ri­al den Anfor­de­run­gen stand­hält, wur­de unter Aus­wer­tung der Exper­ten­in­ter­views eine Anfor­de­rungs­lis­te an die AFO erstellt. Die AFO soll­te dem­nach so gestal­tet wer­den, dass sie eine Anbin­dung an der Wade und über dem Fuß­rü­cken hat. Die Rota­ti­ons­ach­se, die sich beim Abkni­cken ergibt, soll­te sich mög­lichst nah am Knö­chel­zen­trum befin­den. Das ver­hin­dert ein Auf- und Abrut­schen der Anbin­dung an Wade und Schien­bein und beugt Wund­scheu­ern vor. Die Orthe­se benö­tigt des Wei­te­ren eine Soh­len­flä­che, die bis über den gro­ßen Zeh hin­aus­ragt, um das Fuß­bett im Schuh zu posi­tio­nie­ren. Sie muss so kon­stru­iert wer­den, dass sie Tor­si­ons­be­we­gun­gen der unte­ren Extre­mi­tät ein­schränkt und damit dem Trä­ger ein Gefühl von Sicher­heit ver­mit­telt. Zudem gibt es Stel­len, die beim Design beson­ders berück­sich­tigt wer­den müs­sen, da das Tra­gen der Orthe­se sonst zu Rei­bung und Schmer­zen füh­ren kann. Die­se Berei­che sind in Abbil­dung 3 rot mar­kiert und betref­fen beson­ders die Stel­len am Bein, an denen Kno­chen dicht unter der Haut lie­gen, da das Weich­ge­we­be dort Bewe­gun­gen nicht aus­glei­chen kann, vor­nehm­lich die Tibia (Schien­bein) sowie die Knö­chel medi­al und late­ral. Fer­ner galt es zu beach­ten, dass die Achil­les­seh­ne durch ihre hohe Beweg­lich­keit nicht direkt an der Orthe­se anlie­gen darf.

Simu­la­ti­on des Orthesendesigns

Das aus die­sen Anfor­de­run­gen abge­lei­te­te Design wur­de mit­tels Fini­te-Ele­men­te-Metho­de simu­liert. Dabei wird das Bau­teil in eine end­li­che Anzahl an Ele­men­ten unter­teilt, wor­auf auch die Bezeich­nung der Metho­de („finit“ = bestimmt) beruht. Die Berech­nung erfolgt, indem ein Ele­ment phy­si­ka­li­sche Grö­ßen wie Ver­schie­bung oder Tem­pe­ra­tur an benach­bar­te Ele­men­te wei­ter­gibt 5. Ver­wen­det wur­de ein linea­res Mate­ri­al­mo­dell unter Berück­sich­ti­gung des ermit­tel­ten E‑Moduls. Zu erken­nen ist, dass PA12 ohne Faser­ver­stär­kung in den gewähl­ten Wand­stär­ken zu fle­xi­bel ist, um den Fuß aus­rei­chend zu unter­stüt­zen (Abb. 4). Simu­liert wur­den alle Orthe­sen­de­signs mit einem vor der Ver­suchs­rei­he bestimm­ten Stan­dard­fuß, an den sie ange­passt wurden.

Test­rei­he mit CFK-Verstärkung

Um der beob­ach­te­ten Fle­xi­bi­li­tät ent­ge­gen­zu­wir­ken, wur­de nun­mehr das Koh­le­fa­ser­tape in die Ent­wick­lung mit ein­be­zo­gen, mit dem sich das vor­ge­stell­te Pro­jekt befasst. Es wird nach dem 3D-Druck auf die Orthe­se auf­ge­bracht und sorgt damit für die not­wen­di­ge Steif­heit bei gerin­ger Mate­ri­al­stär­ke. Bei der Ent­wick­lung des Tapes wur­de vor allem auf eine best­mög­li­che Ver­schmel­zung mit der Form aus dem 3D-Druck geach­tet. Daher wur­den die ein­zel­nen Kohle­fasern mit einer PA12-Matrix umge­ben, die beim Auf­brin­gen per­fekt mit der Orthe­se ver­schmel­zen soll. Um die­se The­se zu über­prü­fen, wur­de eine „getap­te“ Pro­be im Elek­tro­nen­mi­kro­skop ver­grö­ßert (Abb. 5). Zu erken­nen ist in der obe­ren Hälf­te des Fotos – in Hell­grau – der Pro­be­kör­per aus PA12; die wei­ßen Punk­te sind die durch­ge­schnit­te­nen Koh­le­fa­sern in der Drauf­sicht. Man erkennt, dass sich ein­zel­ne Fasern aus dem Ver­bund gelöst haben und in die Pro­be ein­drin­gen. Das spricht für eine gute Ver­bin­dung zwi­schen Pro­be und Tape. Auch sind kei­ne Luft­ein­schlüs­se zwi­schen den bei­den Mate­ria­li­en zu erken­nen. Die Pro­be wur­de in die­sem Test­fall von einem Robo­ter unter Labor­be­din­gun­gen mit einem Druck von 20 kg abgelegt.

Zur Über­prü­fung, ob sich das Mate­ri­al durch die Auf­brin­gung des Tapes ver­steift, wur­de eine zwei­te Ver­suchs­rei­he gestar­tet: Sechs Pro­ben wur­den dabei in eine 4‑Punkt-Bie­ge­prüf­ma­schi­ne (Abb. 6) ein­ge­spannt und aber­mals der E‑Modul des faser­ver­stärk­ten PA12 ermit­telt. Sowohl die ver­ti­kal als auch die hori­zon­tal gedruck­ten Pro­ben wur­den in zwei ver­schie­de­nen Vari­an­ten getes­tet: zum einen mit ver­stärk­ter Zug­sei­te, zum ande­ren mit ver­stärk­ter Druck­sei­te des Pro­be­kör­pers. Auf die­se Wei­se konn­te die opti­ma­le Sei­te der Tape-Auf­brin­gung ermit­telt wer­den. Als Refe­renz wur­den im sel­ben Test auch Pro­be­kör­per getes­tet, die kei­ne Faser­ver­stär­kung auf­wie­sen. Die bei­den dicht über­la­ger­ten grü­nen Kur­ven in Abbil­dung 7­ zei­gen die in V- und H‑Richtung (ver­ti­kal und hori­zon­tal) gedruck­ten Pro­be­kör­per, die auf der Zug­sei­te mit Koh­le­fa­sern ver­stärkt wur­den. Der E‑Modul liegt in H‑Richtung bei 4128,95 MPa und in V‑Richtung bei 4479,60 MPa – im Schnitt 2,5‑mal höher als bei den nicht ver­stärk­ten Plat­ten. Eben­so zu erken­nen ist, dass die Faser auf die Zug­sei­te der Pro­be – bzw. spä­ter der Orthe­se – gelegt wer­den muss, um den größt­mög­li­chen Effekt zu erzie­len. Um die Unge­nau­ig­keit einer von Men­schen­hand auf­ge­leg­ten Pro­be zu eli­mi­nie­ren, wur­den in die­sem Test alle Pro­ben mit einem Robo­ter abgelegt.

Abla­ge­ge­rät

Die Fir­ma M & A Die­ter­le hat im Rah­men des Pro­jekts ein Hand­ab­la­ge­ge­rät ent­wi­ckelt, das es dem Ortho­pä­die-Tech­ni­ker ermög­licht, die Kohlefaser­tapes zu appli­zie­ren (Abb. 8a u. b). Es besteht im Wesent­li­chen aus einer Spu­le, auf der die Faser­tapes auf­ge­rollt sind. Die Tapes kön­nen dabei in ver­schie­de­nen Brei­ten und Dicken ver­wen­det wer­den. Auf der Rück­sei­te ist eine Anzei­ge ange­bracht, die die Ist- und Soll­tem­pe­ra­tur des Heiz­schuhs anzeigt. Der Heiz­schuh ist in Abbil­dung 8a auf der lin­ken Sei­te zu sehen; er schmilzt das PA12 des Tapes auf. Hin­ter dem Heiz­schuh befin­det sich die Schneide­ein­heit, mit der das Tape nach Gebrauch abge­längt wird. Der Dreh­knopf, der sich hin­ten unter der Spu­le befin­det, ist zur Ein­stel­lung der Tem­pe­ra­tur vorgesehen.

Dis­kus­si­on

Das For­schungs­pro­jekt zeigt das Poten­zi­al auf, das in 3D-gedruck­ten Orthe­sen liegt. Durch eine geeig­ne­te Simu­la­ti­on kön­nen Ein­zel­an­fer­ti­gun­gen ohne wei­te­re Tests in den Ver­kauf gehen. Des Wei­te­ren bele­gen die Ergeb­nis­se, dass PA12, das mit Kohle­fasern ver­stärkt wur­de, deut­lich höhe­ren Las­ten stand­hal­ten kann als das Aus­gangs­ma­te­ri­al. Eine Kom­bi­na­ti­on der bei­den Mate­ria­li­en führt zu Pro­duk­ten, die leich­ter sind und eine bes­se­re Funk­ti­on auf­wei­sen als jedes Mate­ri­al für sich allein. Durch com­pu­ter­ge­stütz­te Sys­te­me kön­nen dem­nach Orthe­sen gefer­tigt wer­den, die genau an den ein­zel­nen Anwen­der ange­passt sind. Durch den nach­träg­li­chen schicht­wei­sen Auf­trag von Kohle­fasern kann der Ortho­pä­die-Tech­ni­ker die Funk­ti­ons­wei­se der Orthe­se sehr genau jus­tie­ren und auch im wei­te­ren Ver­lauf der Behand­lung – wenn nötig – die Orthe­se an ver­än­der­te Situa­tio­nen bzw. Anfor­de­run­gen anpassen.

Für die Autoren:
Cle­mens Rieth 
Pro­duct Deve­lo­p­ment Mecu­ris GmbH
Lind­wurm­stra­ße 11
80337 Mün­chen
clemens.rieth@mecuris.com

Begut­ach­te­ter Beitrag/reviewed paper

Zita­ti­on
Rieth C., Els B. „3Dprint2Fiber“ – koh­le­fa­ser­ver­stärk­ter 3D-Druck in der Ortho­pä­die-Tech­nik. Ortho­pä­die Tech­nik. 2019; 70 (5): 24–27
  1. Opitz M, Taub­mann C, Gund­lack F, Bre­u­n­in­ger J. Sta­bi­li­tät von addi­tiv gefer­tig­ten Pro­the­sen. Wies­ba­den: Sprin­ger Vie­w­eg, 2017 
  2. EOS GmbH – Elec­tro Opti­cal Sys­tems. PA 2200 Balan­ce 1.0. PA12.

    https://www.materialdatacenter.com/mb/material/pdf/374146/374146/PA2200Balance1.0 (Zugriff am 02.04.2019)

  3. Geß­ner C. Aku­ter Fall­fuß: wich­ti­ge Fra­gen und Hand­grif­fe. https://www.medical-tribune.ch/allgemeinmedizin/fokus-medizin/artikeldetail/akuter-fallfuss-wichtige-fragen-und-handgriffe.html (Zugriff am 02.04.2019)
  4. Strei­fen­e­der ortho.production GmbH. The eight pha­ses of human gait cir­cle. https://de.scribd.com/document/349639739/400w43-e-poster-gangphasen-druck-pdf (Zugriff am 02.04.2019)
  5. Mül­ler G. Was ist die Fini­te-Ele­men­te-Metho­de? https://www.cadfem.de/cadfem/cadfem/historie/fem.html (Zugriff am 02.04.2019)
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