Effi­zi­enz­stei­ge­rung durch addi­ti­ve Fer­ti­gung in der Orthopädie-Technik

Christoph Kahle M. A., OTM
Durch die Implementierung der additiven Fertigung innerhalb der Fertigungsprozesse der Orthopädie-Technik lassen sich verschiedene effizienzsteigernde Potenziale für OT-Unternehmen erzielen. Dabei kann es sich um leicht messbare wirtschaftliche Vorteile, aber auch um weniger gut messbare Effekte wie die Erhöhung der Kundenzufriedenheit oder der Patientencompliance handeln. Das jeweils gewählte additive Fertigungsverfahren nimmt Einfluss auf seine Einsetzbarkeit innerhalb der Fertigung und somit auch auf die effizienzsteigernden Effekte für das Unternehmen. Der Beitrag stellt die drei wichtigsten additiven Verfahren und deren Implikationen für die sich wandelnden Arbeitsprozesse vor und diskutiert den Stellenwert einer komplett digitalen Fertigungskette in der Orthopädie-Technik.

Ein­lei­tung

Das The­ma Digi­ta­li­sie­rung ist in Deutsch­land nach wie vor sehr prä­sent; sei­ne Aus­wei­tung macht auch vor der ortho­pä­die­tech­ni­schen Fer­ti­gung nicht Halt. Wer sich daher inner­halb der Ortho­pä­die-Tech­nik mit dem The­ma Digi­ta­li­sie­rung aus­ein­an­der­setzt, wird mit Blick auf die ortho­pä­die­tech­ni­sche Fer­ti­gung kei­nen Weg an der addi­ti­ven Fer­ti­gung vor­bei fin­den. Daher erscheint es not­wen­dig, sich mit der Imple­men­tie­rung der addi­ti­ven Fer­ti­gung und den dar­aus resul­tie­ren­den Kon­se­quen­zen und Poten­zia­len für das eige­ne Unter­neh­men zu beschäf­ti­gen, um dar­aus even­tu­ell resul­tie­ren­de Chan­cen sowie Ver­bes­se­rungs­po­ten­zia­le best­mög­lich aus­schöp­fen zu kön­nen. Doch wor­in bestehen die Mög­lich­kei­ten und Chan­cen durch die addi­ti­ve Fer­ti­gung? Wel­che Druck­ver­fah­ren eig­nen sich beson­ders für die Her­stel­lung ortho­pä­die­tech­ni­scher Hilfs­mit­tel? Wird die addi­ti­ve Fer­ti­gung das orthopädietechnische Hand­werk auf Dau­er erset­zen? Die­se und vie­le wei­te­re Fra­gen müs­sen vor und wäh­rend der Imple­men­tie­rung einer addi­ti­ven Fer­ti­gungs­me­tho­de inner­halb der ortho­pä­die­tech­ni­schen Arbeits­pro­zes­se geklärt wer­den, um so eine schritt­wei­se Ent­wick­lung hin zu einer digi­ta­len Fer­ti­gungs­ket­te zu ermög­li­chen. In die­sem Arti­kel wer­den die auf­ge­führ­ten Fra­gen beant­wor­tet und wesent­li­che Mög­lich­kei­ten und Chan­cen der addi­ti­ven Fer­ti­gung auf­ge­zeigt, aber auch deren Gren­zen diskutiert.

Anzei­ge

Geeig­ne­te addi­ti­ve Fer­ti­gungs­sys­te­me für die Orthopädie-Technik

Zu Beginn des Ent­wick­lungs­pro­zes­ses steht die Iden­ti­fi­ka­ti­on eines geeig­ne­ten addi­ti­ven Fer­ti­gungs­sys­tems. Bis­lang sind im Wesent­li­chen drei Ver­fah­ren für die Ortho­pä­die-Tech­nik als geeig­net iden­ti­fi­ziert worden:

  • Fused Depo­si­ti­on Mode­ling (FDM; bedingt geeignet),
  • Selek­ti­ves Laser­sin­tern (SLS; gut geeignet)
  • Mul­ti Jet Fusi­on (MJF; gut geeignet)

Auf die­se drei Ver­fah­ren wird im Fol­gen­den genau­er ein­ge­gan­gen. In Tabel­le 1 wer­den zudem alle für die Ortho­pä­die-Tech­nik wesent­li­chen Unter­schie­de ein­an­der gegen­über gestellt.

Fused Depo­si­ti­on Mode­ling (FDM)

In Abbil­dung 1 wird der Druck­vor­gang im FDM-Ver­fah­ren sche­ma­tisch dar­ge­stellt. Das Roh­ma­te­ri­al auf der Fila­mentspu­le wird durch zwei im Extru­der befind­li­che Zahn­rä­der in den Extru­der hin­ein­ge­zo­gen. Dabei wird das Fila­ment durch eine Heiz­spi­ra­le geführt und erhitzt. Das ver­flüs­sig­te Fila­ment tritt aus der Extru­si­ons­dü­se aus und wird auf die Bau­platt­form auf­ge­tra­gen. Dabei fährt der Extru­der die zu bedru­cken­den Stel­len in hori­zon­ta­ler Ebe­ne ab. Die Bau­platt­form fährt nach jeder fer­tig auf­ge­tra­ge­nen Schicht um eine Schicht­hö­he wei­ter nach unten.

Das FDM-Ver­fah­ren ist aller­dings nur ein­ge­schränkt für den Bereich Ortho­pä­die-Tech­nik geeig­net. Denn die her­ge­stell­ten Hilfs­mit­tel sind nur in maxi­mal zwei Ebe­nen – abhän­gig von der jewei­li­gen Mate­ri­al­ei­gen­schaft – sta­bil. Da eine auf­ge­tra­ge­ne Mate­ri­al­schicht sich bereits abkühlt, bevor die neue Schicht auf­ge­tra­gen wird, ver­bin­den sich die Schich­ten nicht homo­gen mit der zuvor auf­ge­tra­ge­nen Schicht, und es ent­ste­hen mög­li­che Bruch­stel­len. Auf­grund der man­geln­den mecha­ni­schen Belast­bar­keit schei­det das FDM-Ver­fah­ren für die Her­stel­lung defi­ni­ti­ver Hilfs­mit­tel aus. Den­noch kann die­ses Ver­fah­ren sinn­voll inner­halb des Her­stel­lungs­pro­zes­ses von Hilfs­mit­teln benutzt wer­den. So kön­nen z. B. Test­ver­sor­gun­gen zur Kon­trol­le der Pass­form des Hilfs­mit­tels vor­ab kos­ten­güns­tig gedruckt und dadurch eine feh­ler­haf­te Pass­form des Hilfs­mit­tels aus­ge­schlos­sen wer­den (Abb. 2 u. 3). Nach erfolg­rei­cher Anpro­be des pro­vi­so­ri­schen Hilfs­mit­tels kann das defi­ni­ti­ve Hilfs­mit­tel mit Hil­fe eines pul­ver­ba­sier­ten Druck­ver­fah­rens gefer­tigt wer­den. Dafür kom­men das SLS-Ver­fah­ren und das MJF-Ver­fah­ren in Fra­ge, auf die im Fol­gen­den ein­ge­gan­gen wird.

Selek­ti­ves Laser­sin­tern (SLS)

Wie in Abbil­dung 4 sche­ma­tisch dar­ge­stellt wird, besteht ein 3D-Dru­cker für das SLS-Ver­fah­ren aus zwei Haupt­kam­mern (Lager­kam­mer und Bau­raum). Das Roh­ma­te­ri­al in Pul­ver­form wird von der Lager­kam­mer in den Bau­raum beför­dert, indem in der Lager­kam­mer eine Ver­sor­gungs­platt­form das Pul­ver nach oben drückt. Gleich­zei­tig sorgt eine Pul­ver­rol­le dafür, dass für jede neu zu dru­cken­de Schicht eine neue dün­ne Pul­ver­schicht in den Bau­raum trans­por­tiert wird. Da die im Druck­raum befind­li­che Bau­platt­form ent­ge­gen der Ver­sor­gungs­platt­form nach unten fährt, wird im Bau­raum Platz für jede neu auf­ge­tra­ge­ne Pul­ver­schicht geschaf­fen. Nach dem Auf­tra­gen einer neu­en Pul­ver­schicht fährt ein UV-Laser die zu ver­schmel­zen­den Posi­tio­nen des Bau­teils ein­zeln in der jewei­li­gen Pul­ver­schicht ab. Dort, wo der UV-Laser das Kunst­stoff­pul­ver abfährt, wird das Mate­ri­al gesin­tert; die Pul­ver­kü­gel­chen wer­den also mit­ein­an­der ver­bun­den und gehär­tet. Wäh­rend des gesam­ten Druck­pro­zes­ses wird der Bau­raum zusätz­lich erhitzt, sodass bereits auf­ge­tra­ge­ne Schich­ten nicht vor Been­di­gung des Druck­jobs abküh­len und aus­här­ten. Nach der Fer­tig­stel­lung einer Schicht wird die Bau­platt­form abge­senkt, eine neue Pul­ver­schicht auf­ge­bracht, und der Pro­zess beginnt von vor­ne. Auf die­se Wei­se erfolgt eine schicht­wei­se ­Her­stel­lung des Bau­teils von unten nach oben 1.

Da der UV-Laser nur die not­wen­di­gen Berei­che aus­här­tet und das übri­ge Mate­ri­al der jewei­li­gen Schicht trotz­dem auf der Bau­platt­form ver­bleibt, müs­sen kei­ne spe­zi­el­len Stütz­struk­tu­ren wie beim FDM-Ver­fah­ren her­ge­stellt wer­den, da das unver­ar­bei­te­te Pul­ver das Bau­ele­ment umfasst und auf die­se Wei­se auch über­hän­gen­de Struk­tu­ren trägt. Neben dem Vor­teil der stütz­struk­tur­frei­en Fer­ti­gung ist auch die hohe mecha­ni­sche Belast­bar­keit der Bau­tei­le ein wesent­li­cher Grund, war­um sich das SLS-Ver­fah­ren unter Ver­wen­dung von Poly­amid (PA) 11 oder PA 12 beson­ders gut für die Her­stel­lung von Hilfs­mit­teln eig­net 2. Die mecha­ni­sche Belast­bar­keit ist dabei unab­hän­gig von der Aus­rich­tung des Bau­teils im ­Bau­raum. Die Bau­tei­le sind auf­grund des beschrie­be­nen Fer­ti­gungs­pro­zes­ses weit­ge­hend iso­trop und wei­sen unab­hän­gig von der Belas­tungs­rich­tung die glei­che Belast­bar­keit – in Abhän­gig­keit von den Mate­ri­al­ei­gen­schaf­ten – auf 3.

Mul­ti Jet Fusi­on (MJF)

Die Funk­ti­ons­wei­se des MJF-Ver­fah­rens kann der sche­ma­ti­schen Dar­stel­lung in Abbil­dung 5 ent­nom­men wer­den. Der Auf­bau des Dru­ckers und der Trans­fer des zu ver­ar­bei­ten­den Pul­vers von der Lager­kam­mer in den beheiz­ten Bau­raum funk­tio­niert wie beim SLS-Ver­fah­ren. Der wesent­li­che Unter­schied besteht in der Art und Wei­se, wie das Pul­ver zum Aus­här­ten bzw. zum Ver­schmel­zen gebracht wird: Ein Druck­kopf mit Tau­sen­den klei­nen Düsen, die über die gesam­te Brei­te des Druck­kopfs ver­teilt sind, spritzt den soge­nann­ten Fusing Agent, eine wär­me­lei­ten­de Flüs­sig­keit (dun­kel­blau dar­ge­stellt) auf den Bereich des Pul­ver­ma­te­ri­als, der aus­här­ten soll. Gleich­zei­tig wird der soge­nann­te Detail­ing Agent, eine wär­me­iso­lie­ren­de Flüs­sig­keit (gelb dar­ge­stellt), um die Berei­che her­um auf­ge­tra­gen, die mit dem Fusing Agent benetzt sind. Der Detail­ing Agent ist not­wen­dig, um genaue Kan­ten an den Bau­tei­len her­stel­len zu kön­nen. Der auf­ge­tra­ge­ne Detail­ing Agent sorgt für einen abrup­ten Tem­pe­ra­tur­un­ter­schied zwi­schen dem bedruck­ten und dem unge­nutz­ten Pul­ver. Zum Auf­tra­gen bei­der Agents fährt ein Druck­schlit­ten über die auf­ge­tra­ge­ne Pul­ver­schicht, wäh­rend ein Druck­kopf die Agents tröpf­chen­ar­tig auf­trägt. Direkt nach­dem der Druck­kopf die Agents auf­ge­tra­gen hat, fährt ein wei­te­rer Schlit­ten mit inte­grier­ten UV-Lam­pen über den Druck­tisch. Dabei wird das kom­plet­te Pulver­ mate­ri­al über die gesam­te Brei­te mit UV-Licht bestrahlt und erhitzt. Die Berei­che, die mit dem Fusing Agent bedruckt wur­den, neh­men mehr Wär­me auf und sind daher stär­ker erhitzt als das Pul­ver­ma­te­ri­al, das nicht damit benetzt wur­de. Auf die­se Wei­se wer­den letzt­end­lich die erfor­der­li­chen Berei­che mit­ein­an­der ver­schmol­zen. Nach­dem die jewei­li­ge Schicht mit UV-Licht beleuch­tet wur­de, senkt sich die Bau­platt­form wie­der um eine Schicht­höhe ab, b­ evor eine neue Pul­ver­schicht auf­ge­tra­gen wird und der Pro­zess von Neu­em ­beginnt 4.

Ein punk­tu­el­les und zeit­in­ten­si­ves Ver­schmel­zen mit Hil­fe eines Lasers (SLS-Ver­fah­ren) ist beim MJF-Ver­fah­ren nicht not­wen­dig. Daher ist der 3D-Druck per MJF-Ver­fah­ren bei glei­cher Bau­raum­grö­ße und glei­cher Stück­zahl der zu dru­cken­den Tei­le im Durch­schnitt schnel­ler als das FDM- und das SLS-Ver­fah­ren. Die ent­ste­hen­den Bau­tei­le wei­sen eine fast hun­dert­pro­zen­ti­ge Bauteild­ ich­te auf, womit die Dich­te laut Her­stel­ler unge­fähr 5 bis 10 % höher ist als bei Bau­tei­len, die im SLS-Ver­fah­ren her­ge­stellt wer­den. Zudem sind die im MJF-Ver­fah­ren her­ge­stell­ten Bau­tei­le eben­falls weit­ge­hend iso­trop. Die im MJF-Ver­fah­ren her­ge­stell­ten Bau­tei­le wei­sen wie per SLS-Ver­fah­ren her­ge­stell­te Bau­tei­le eine hohe mecha­ni­sche Belast­bar­keit auf. Daher ist die Nut­zung des MJF-Ver­fah­rens für die Her­stel­lung defi­ni­ti­ver Hilfs­mittel eben­so gut geeig­net, zumal für die Her­stel­lung von Hilfs­mit­teln eben­falls PA 11 und 12 ver­ar­bei­tet wer­den kön­nen 5.

Digi­ta­le Fertigungskette

Unab­hän­gig vom gewähl­ten Fer­ti­gungs­pro­zess ist zu beach­ten, dass der 3D-Druck am Ende einer digi­ta­len Fer­ti­gungs­ket­te steht und dass dabei die vor­ge­la­ger­ten Tätig­kei­ten des 3D-Scans und der CAD-Modu­la­ti­on vor­aus­ge­setzt wer­den. Im Einzelnen:

  • Am Beginn einer digi­ta­len Fer­ti­gungs­ket­te steht immer der 3D-Scan. Dabei han­delt es sich um eine drei­ dimen­sio­na­le Erfas­sung von Kör­per­tei­len. Die Genau­ig­keit des Scan­mo­dells wird von der Wahl der Scan­tech­nik beein­flusst. Es emp­fiehlt sich daher für Scan­pro­jek­te, bei denen eine hohe Detail­treue not­wen­dig ist (z. B. ein Scan für ein Pro­the­sen­co­ver oder eine Hand­orthe­se), mit einem hoch­auf­lö­sen­den Scan­sys­tem wie z. B. dem EVA-Scan­ner von Artec zu arbei­ten. Bei Scan­pro­jek­ten, die kei­ne mil­li­me­ter­ge­naue Auf­lö­sung benö­ti­gen (z. B. der Scan eines Sitz­ab­dru­ckes zur Sitz­scha­len­fer­ti­gung) kann auch pro­blem­los mit einem nied­rig auf­lö­sen­den Scan­sys­tem wie dem iSen­se-Scan­ner für das iPad gear­bei­tet werden.
  • Nach dem erfolg­ten Scan wird die wei­te­re Modell­be­ar­bei­tung sowie die Kon­struk­ti­on des eigent­li­chen Hilfs­mit­tels über ein oder ggf. auch meh­re­re CAD-Pro­gram­me rea­li­siert (Abb. 6).
  • Am Ende der CAD-Kon­struk­ti­on steht dann die addi­ti­ve Fer­ti­gung bzw. der 3D-Druck. Die kon­stru­ier­ten Hilfs­mit­tel wer­den mit dem favo­ri­sier­ten addi­ti­ven Fer­ti­gungs­ver­fah­ren aus­ge­druckt und anschlie­ßend für die Anpro­be oder Aus­lie­fe­rung vorbereitet.

In Abbil­dung 7 wird die hier vor­ge­stell­te digi­ta­le Fer­ti­gungs­ket­te sche­ma­tisch als inver­tier­te Pyra­mi­de dar­ge­stellt. Dabei sym­bo­li­siert die Brei­te des jewei­li­gen Abschnitts die mög­li­che Ein­satz­häu­fig­keit des jewei­li­gen digi­ta­len Fer­ti­gungs­schrit­tes inner­halb der digi­ta­len Fer­ti­gungs­ket­te. Es las­sen sich näm­lich nicht alle Ver­sor­gun­gen auch im 3D-Druck rea­li­sie­ren. Um dies zu ent­schei­den, ist die Erfah­rung des Ortho­pä­die-Tech­ni­kers gefragt. Die­ser muss die Eigen­schaf­ten eines addi­tiv gefer­tig­ten Hilfs­mit­tels ken­nen und eine ent­spre­chend geeig­ne­te Ver­sor­gungs­emp­feh­lung abge­ben. Ein sehr gro­ßer Teil der Ver­sor­gun­gen kann ein­ge­scannt und anschlie­ßend am PC bear­bei­tet wer­den. Aller­dings impli­ziert dies nicht zwin­gend den 3D-Druck: Nach heu­ti­gen Fer­ti­gungs­stan­dards in der Hilfs­mit­tel­bran­che kommt es noch wesent­lich häu­fi­ger vor, dass ein klas­si­sches CAD-CAM-Ver­sor­gungs­mo­dell nach der Modi­fi­ka­ti­on am PC aus einem Hart­schaum aus­ge­fräst und das Hilfs­mit­tel im wei­te­ren Versorgungs­verlauf kon­ven­tio­nell gefer­tigt wird. Es kön­nen dem­nach auch Teil­prozesse einer Hilfs­mit­tel­fer­ti­gung digi­ta­li­siert werden.

So oder so stellt sich die Fra­ge, ob dem Ortho­pä­die-Hand­werk ange­sichts der digi­ta­len Fer­ti­gungs­mög­lich­kei­ten auf Dau­er hand­werk­li­ches Know-how ver­lo­ren­geht. Skep­ti­ker, die einen Ver­lust hand­werk­li­cher Fähig­kei­ten auf­grund der Ein­füh­rung einer digi­ta­len Pro­zess­ket­te befürch­ten, soll­ten vor deren Imple­men­tie­rung genau über deren Mög­lich­kei­ten und Chan­cen (Abb. 8) auf­ge­klärt wer­den. Gene­rell soll­te die digi­ta­le Fer­ti­gung nur als zusätz­li­ches Werk­zeug ange­se­hen wer­den, das die hand­werk­li­chen Tätig­kei­ten des Ortho­pä­die-Tech­ni­kers in sinn­vol­ler Wei­se ergänzt. Über­setzt man den Ter­mi­nus „digi­ta­le Fer­ti­gung“ ins Eng­li­sche, ist von „digi­tal manu­fac­tu­ring“ die Rede – das latei­ni­sche „manus“ („die Hand“) ist dar­in noch enthalten.

Mög­lich­kei­ten und Gren­zen der addi­ti­ven Fer­ti­gung in der Orthopädie-Technik

Die addi­ti­ve Fer­ti­gung in Kombi­nation mit einem kom­plett digi­ta­li­sier­ten Fer­ti­gungs­pro­zess bie­tet eine adäqua­te Mög­lich­keit, Pro­zes­se inner­halb der Hilfs­mit­tel­her­stel­lung effi­zi­en­ter zu gestal­ten. Aber wie kann eine sol­che Effi­zi­enz­stei­ge­rung kon­kret aus­se­hen? Im Fol­gen­den wer­den anhand aus­sa­ge­kräf­ti­ger Bei­spie­le wesent­li­che Chan­cen der addi­ti­ven Fer­ti­gung für die Ortho­pä­die-Tech­nik auf­ge­zeigt, aber auch deren Gren­zen diskutiert.

Addi­ti­ve Fer­ti­gung eines Kopfschutzhelms

Ein geeig­ne­tes Bei­spiel, um die Vor­tei­le einer digi­ta­len Fer­ti­gungs­ket­te dazu­stel­len, ist die Ver­sor­gung mit einem indi­vi­du­ell gefer­tig­ten Kopf­schutz­helm. Häu­fig benö­ti­gen Pati­en­ten, bei denen eine Kra­ni­ek­to­mie vor­ge­nom­men wur­de, auf­grund der auf­tre­ten­den­Abb. 9 Schwel­lun­gen einen indi­vi­du­ell gefer­tig­ten Kopf­schutz­helm. Zudem müs­sen die Ver­sor­gun­gen mög­lichst schnell von­stat­ten­ge­hen, um den anschlie­ßen­den Reha­bi­li­ta­ti­ons­pro­zess und den The­ra­pie­er­folg nicht zu gefährden.

Inner­halb einer kom­plett digi­ta­len Fer­ti­gungs­ket­te kann der Kopf eines betrof­fe­nen Pati­en­ten bereits im Kran­ken­haus ein­ge­scannt wer­den. Damit erüb­rigt sich der Gips­ab­druck im Kran­ken­bett, bei dem über­dies dar­auf geach­tet wer­den muss, dass die Kopf­wun­den nicht mit Gips in Kon­takt kom­men. Dem­nach trägt zu Beginn der Ver­sor­gung bereits der 3D-Scan dazu bei, die Zeit für die Modell­ab­nah­me auf ein Mini­mum zu redu­zie­ren, und ermög­licht zusätz­lich einen kon­takt- und somit auch keim­frei­en Abdruck. Dadurch, dass nun auch auf Gips ver­zich­tet wer­den kann, bleibt es den Pfle­gern erspart, im Nach­gang den Pati­en­ten umbet­ten zu müs­sen, damit Bett­la­ken usw. gewech­selt wer­den kön­nen. Dies erspart den Pfle­gern zusätz­li­che Arbeit und ist für den Pati­en­ten stressfreier.

Nach dem Scan wird der Kopf­schutz­helm inner­halb von ca. 30 Minu­ten am PC kon­stru­iert und der fer­tig kon­stru­ier­te Helm anschlie­ßend in die addi­ti­ve Fer­ti­gung gege­ben. Wäh­rend des gesam­ten Druck­pro­zes­ses ist es dem ver­sor­gen­den Tech­ni­ker mög­lich, ande­re Tätig­kei­ten aus­zu­üben oder mehr Zeit für die Kun­den­be­ra­tung auf­zu­brin­gen. Nach­dem der Helm fer­tig gedruckt ist, kann er mit Pols­tern und Gur­ten ver­se­hen wer­den, bevor es zur Aus­lie­fe­rung kommt.

Die Erfah­rung mit addi­tiv gefer­tig­ten Kopf­schutz­hel­men hat gezeigt, dass auf eine Zwi­schen­an­pro­be ver­zich­tet wer­den kann, da die Pass­ge­nau­ig­keit des Kopf­schutz­hel­mes nach einem 3D-Scan auf­grund der knö­cher­nen Struk­tur des Kop­fes sehr hoch ist. Resul­tie­rend aus dem beschrie­be­nen digi­ta­len Fer­ti­gungs­pro­zess kann die rei­ne Her­stel­lungs­zeit für einen indi­vi­du­el­len Kopf­schutz­helm auf die­se Wei­se um 50 Pro­zent redu­ziert werden.

Die Fer­ti­gung eines Kopf­schutz­hel­mes muss jedoch von der Fer­ti­gung eines Hel­mes zur Kor­rek­tur von Schä­del­de­for­mi­tä­ten unter­schie­den wer­den. Bei Kopf­orthe­sen zur Kor­rek­tur von Schä­del­de­for­mi­tä­ten wer­den am vir­tu­el­len Kopf­mo­dell Kor­rek­tur­zo­nen model­liert und ein­ge­ar­bei­tet, wes­halb hier noch oft ein Pro­be­helm benö­tigt wird. Den­noch wird auch bei einem Kor­rek­tur­helm durch den Ein­satz der addi­ti­ven Fer­ti­gung eine Redu­zie­rung der Fertigungs­zeit erreicht.

Der Effekt der Redu­zie­rung von Fer­ti­gungs­zei­ten inner­halb der Ortho­pä­die-Tech­nik auf­grund einer Imple­men­tie­rung der addi­ti­ven Fer­ti­gung lässt sich auch bei ande­ren Hilfs­mit­tel­grup­pen fest­stel­len, zum Bei­spiel bei Lage­rungs­schie­nen für die obe­re sowie die unte­re Extre­mi­tät, bei Gesichts­schutz­mas­ken und bei Redres­si­ons­schie­nen für OSG und Hand­ge­lenk (Abb. 9a–e).

Inte­gra­ti­on von Gelenksystemen

Bei der Inte­gra­ti­on von Gelenk­sys­te­men in addi­tiv gefer­tig­ten Hilfs­mit­teln muss die Fra­ge gestellt wer­den, wie die nach­träg­li­che Adap­tie­rung eines Gelen­kes vor­ge­nom­men wer­den kann. Da das Hilfs­mit­tel nicht her­kömm­lich über einem Gips gefer­tigt wur­de, exis­tiert auch kei­ne Fixie­rung, an der im Nach­gang die Gelenk­schie­nen befes­tigt wer­den könn­ten. Auch hier bie­tet die addi­ti­ve Fer­ti­gung Abhil­fe: Gelenk­auf­nah­men bzw. erfor­der­li­che Jus­tier­ker­ne für die Posi­tio­nie­rung und Fixie­rung eines Gelen­kes kön­nen nach ent­spre­chen­der CAD-Kon­struk­ti­on direkt mit in das ent­spre­chen­de Hilfs­mit­tel inte­griert und aus­ge­druckt wer­den. Nach der Adap­ti­on des ent­spre­chen­den Gelenk­sys­tems wird die unter­stüt­zen­de Gelenk­auf­nah­me aus dem Hilfs­mit­tel ent­fernt. Zusätz­lich kann auf der gegen­über­lie­gen­den Sei­te ein Mit­läu­fer­ge­lenk direkt in das Hilfs­mit­tel inte­griert wer­den, das vor­ab in ver­schie­de­nen Grö­ßen erstellt und in einer Modell­bi­blio­thek abge­spei­chert wur­de. Bei der Modu­la­ti­on muss dann nur das benö­tig­te Gelenk im ent­spre­chen­den CAD-Modell mit einem zusätz­li­chen Arbeits­auf­wand von nicht mehr als 5 Minu­ten inte­griert wer­den. Da ein her­kömm­li­ches Mit­läu­fer­ge­lenk für sol­che Ver­sor­gun­gen nun nicht mehr unbe­dingt not­wen­dig ist, wer­den nicht nur die Kos­ten im Ein­kauf redu­ziert, son­dern wie­der­um eine Zeit­er­spar­nis in der anschlie­ßen­den Gelen­k­ad­ap­ti­on und Fer­tig­stel­lung des Hilfs­mit­tels erreicht (Abb. 10a u. b).

Addi­ti­ve Fer­ti­gung und Fachkräftemangel

Auch im Hin­blick auf die Zukunft kann die addi­ti­ve Fer­ti­gung für die Ortho­pä­die-Tech­nik eine wich­ti­ge und nicht weg­zu­den­ken­de Fer­ti­gungs­me­tho­de dar­stel­len. In Deutsch­land sorgt der demo­gra­fi­sche Wan­del für einen Anstieg der älte­ren Bevöl­ke­rung und führt gleich­zei­tig zu einer sin­ken­den Zahl der Bevöl­ke­rung im erwerbs­fä­hi­gen Alter. Bedingt durch die­se Ent­wick­lung wird beson­ders die Hilfs­mit­tel­bran­che in den nächs­ten Jah­ren vor gro­ße Her­aus­for­de­run­gen gestellt: Zum einen wächst auf­grund der zuneh­men­den älte­ren Bevöl­ke­rung die Zahl der Men­schen, die mit einem Hilfs­mit­tel ver­sorgt wer­den müs­sen, zum ande­ren fin­det man auf dem Arbeits­markt immer weni­ger gut aus­ge­bil­de­te Fach­kräf­te, die zur fach­ge­rech­ten Her­stel­lung der benö­tig­ten Hilfs­mit­tel geeig­net sind 6 7 8.

Die aus der addi­ti­ven Fer­ti­gung resul­tie­ren­den sin­ken­den Fer­ti­gungs­zei­ten pro Hilfs­mit­tel kön­nen dafür sor­gen, die­sem Ungleich­ge­wicht zwi­schen ver­füg­ba­ren Fach­kräf­ten und den zu erwar­ten­den stei­gen­den Auf­trags­zah­len zumin­dest teil­wei­se ent­ge­gen­zu­wir­ken. Zudem kann die Attrak­ti­vi­tät der addi­ti­ven Fer­ti­gungs­tech­no­lo­gie dazu bei­tra­gen, die Hilfs­mit­tel­bran­che auch für die nach­fol­gen­de Genera­ti­on an Fach­kräf­ten inter­es­san­ter zu gestalten.

Aus­wir­kung auf die Stei­ge­rung der Patientencompliance

Eine Effi­zi­enz­stei­ge­rung lässt sich aber nicht allein an wirt­schaft­li­chen Indi­ka­to­ren wie z. B. der Redu­zie­rung von Fer­ti­gungs­zei­ten fest­ma­chen. Eben­so gilt es auch die Effi­zi­enz­stei­ge­rung im Hin­blick auf die sozia­le Effi­zi­enz im Blick zu haben 9. So bie­tet die Indi­vi­dua­li­sier­bar­keit addi­tiv gefer­tig­ter Hilfs­mit­tel die Mög­lich­keit, die Pati­en­ten­com­pli­an­ce zu erhö­hen. Ein Hilfs­mit­tel kann ganz ein­fach den Pati­en­ten­wün­schen ent­spre­chend mit Mus­tern oder Bil­dern ver­ziert und anschlie­ßend aus­ge­druckt wer­den. Dies trägt beson­ders bei Kin­dern, aber auch bei Erwach­se­nen dazu bei, die Pati­en­ten­com­pli­an­ce gegen­über dem eige­nen Hilfs­mit­tel zu erhö­hen. Dies ver­län­gert der Erfah­rung nach die Tra­ge­dau­er des Hilfs­mit­tels und nimmt somit unmit­tel­bar posi­ti­ven Ein­fluss auf den Therapieerfolg.

Der The­ra­pie­er­folg resul­tiert aber nicht nur aus einer erhöh­ten Pati­en­ten­com­pli­an­ce. Eben­so spielt eine gute Pass­form, die wie oben erwähnt durch den 3D-Scan in der Regel als sehr gut zu bewer­ten ist, eine gro­ße Rol­le. Denn nur bei gut sit­zen­den Hilfs­mit­teln kön­nen bio­me­cha­ni­sche Wirk­prin­zi­pi­en in Abhän­gig­keit von einer fach­ge­rech­ten CAD-Modu­la­ti­on ide­al erfüllt und umge­setzt wer­den. Aller­dings muss im Unter­schied zur Gips­mo­du­la­ti­on bei der CAD-Modu­la­ti­on dar­auf geach­tet wer­den, dass eine gescann­te Glied­ma­ße in der Regel genau dem Volu­men der ori­gi­na­len Glied­ma­ße ent­spricht und zu Beginn der Modell­be­ar­bei­tung kein Über­maß wie beim aus­ge­gos­se­nen Gips­mo­dell exis­tiert. Wei­te­re Mög­lich­kei­ten und Chan­cen, die aus einer digi­ta­len Fer­ti­gung resul­tie­ren kön­nen, sind in Abbil­dung 8 zusammengefasst.

Gren­zen der addi­ti­ven Fer­ti­gung in der Orthopädie-Technik

Aller­dings sind der addi­ti­ven Fer­ti­gung auch Gren­zen gesetzt. So sind man­che Hilfs­mit­tel­ver­sor­gun­gen der­zeit noch nicht mit Hil­fe der addi­ti­ven Fer­ti­gung umzu­set­zen. Wenn das benö­tig­te Hilfs­mit­tel z. B. funktionel­le Eigen­schaf­ten auf­wei­sen muss, die durch die Druck­ma­te­ria­li­en noch nicht dar­ge­stellt wer­den kön­nen, muss spä­tes­tens nach dem 3D-Scan und der CAD-Modu­la­ti­on mit anschlie­ßen­der Schaum­frä­sung der kon­ven­tio­nel­le Fer­ti­gungs­weg ein­ge­schla­gen wer­den 10. Dies betrifft zum Bei­spiel Hilfs­mit­tel, bei denen die ener­gie­rück­ge­ben­den Eigen­schaf­ten von Car­bon für die Ver­sor­gung genutzt wer­den sol­len. Zudem ist die Nach­pass­bar­keit von Hilfs­mit­teln, die aus PA 11 oder PA 12 gefer­tigt wur­den, schwie­ri­ger als bei Hilfs­mit­teln, die aus her­kömm­li­chen Ther­mo­plas­ten der Ortho­pä­die-Tech­nik her­ge­stellt wurden.

Auch bei der wirt­schaft­li­chen Betrach­tung der addi­ti­ven Fer­ti­gung muss dar­auf geach­tet wer­den, dass bei all den oben genann­ten Mög­lich­kei­ten und Chan­cen der Ein­satz der addi­ti­ven Fer­ti­gung wirt­schaft­lich bleibt. Denn die rei­nen Mate­ri­al- und Druck­kos­ten sind bei SLS und MJF im Durch­schnitt höher als die her­kömm­li­che Tief­zieh­plat­te in der Ortho­pä­die-Tech­nik und die Pro­duk­ti­on somit kos­ten­in­ten­si­ver als bei der tra­di­tio­nel­len Produktion.

Daher soll­te die addi­ti­ve Fer­ti­gung zukünf­tig nicht als die ein­zi­ge Mög­lich­keit ver­stan­den wer­den, Hilfs­mit­tel in einem adäqua­ten Kos­ten-Nut­zen-Ver­hält­nis her­zu­stel­len. Viel­mehr soll­te für jede Ver­sor­gung ganz indi­vi­du­ell auf die Umsetz­bar­keit der Fer­ti­gung und den spä­te­ren Nut­zen für den Pati­en­ten geach­tet wer­den, bevor das geeig­nets­te Fer­ti­gungs­ver­fah­ren für die Hilfs­mit­tel­her­stel­lung aus­ge­wählt wird 11.

Fazit

Bei der Imple­men­tie­rung einer addi­ti­ven Fer­ti­gung muss dar­auf geach­tet wer­den, dass sich das gewähl­te Druck­ver­fah­ren auf den Grad der Ein­setz­bar­keit in der Ortho­pä­die-Tech­nik aus­wirkt. Das heißt, dass das jewei­li­ge Druck­ver­fah­ren dar­über ent­schei­det, ob die gedruck­ten Hilfs­mit­tel ledig­lich zur Pass­form­kon­trol­le oder auch zur fina­len Pati­en­ten­ver­sor­gung geeig­net sind.

Wie gezeigt wur­de, kann die Imple­men­tie­rung einer addi­ti­ven Fer­ti­gung eine Viel­zahl von effi­zi­enz­stei­gern­den Effek­ten für das eige­ne Unter­neh­men und die ortho­pä­die­tech­ni­sche Fer­ti­gung nach sich zie­hen. Beson­ders fällt dabei die Ver­kür­zung der Fer­ti­gungs­zei­ten auf. Durch die­sen Effekt kann ein Unter­neh­men sei­ne Pro­duk­ti­ons­leis­tung bei glei­cher Mit­ar­bei­ter­zahl erhö­hen oder aber dem ein­zel­nen Tech­ni­ker mehr Zeit für die jeweils ganz indi­vi­du­el­le Kun­den­be­ra­tung ein­räu­men, wor­aus dann eine Erhö­hung der Kun­den­zu­frie­den­heit resul­tie­ren kann. Dabei muss aller­dings dar­auf geach­tet wer­den, dass die­se Vor­tei­le die durch die addi­ti­ve Fer­ti­gung beding­ten höhe­ren Herstellungs­kosten auffangen.

Es sind aller­dings nicht nur vor­teil­haf­te wirt­schaft­li­che Effek­te durch die Imple­men­tie­rung der addi­ti­ven Fer­ti­gung zu erwar­ten, son­dern es sind auch nicht direkt mess­ba­re Ver­bes­se­run­gen wie eine Erhö­hung der Pati­en­ten­com­pli­an­ce mög­lich. Zudem bie­tet die Attrak­ti­vi­tät der addi­ti­ven Fer­ti­gungs­tech­no­lo­gie die Mög­lich­keit, die Hilfs­mit­tel­bran­che auch für die nach­fol­gen­de Genera­ti­on an Fach­kräf­ten inter­es­san­ter zu gestal­ten. So kann ein dro­hen­der Fach­kräf­te­man­gel durch einen posi­ti­ven Mar­ke­ting­ef­fekt, der zur Mit­ar­bei­ter­ge­win­nung füh­ren kann, aber auch durch eine schnel­le­re Pro­duk­ti­ons­leis­tung abge­fan­gen werden.

Abschlie­ßend bleibt fest­zu­hal­ten, dass eine Effi­zi­enz­stei­ge­rung nicht nur durch die Imple­men­tie­rung einer addi­ti­ven Fer­ti­gung erreicht wer­den kann. Die gesam­ten Vor­tei­le und Poten­zia­le sind nur mit einer kom­plet­ten digi­ta­len Pro­zess­ket­te mög­lich, die neben der addi­ti­ven Fer­ti­gung auch die vor­ge­la­ger­ten Tätig­kei­ten – 3D-Scan und CAD-Modu­la­ti­on – mit ein­schließt 12.

Der Autor:
Chris­toph Kah­le M. A., OTM
Sani­täts­haus o. r. t. GmbH
Masch­müh­len­weg 47
37081 Göt­tin­gen
christoph.kahle@o‑r-t.de

Begut­ach­te­ter Beitrag/reviewed paper

Zita­ti­on
Kah­le C. Effi­zi­enz­stei­ge­rung durch addi­ti­ve Fer­ti­gung in der Ortho­pä­die-Tech­nik. Ortho­pä­die-Tech­nik, 2020; 71 (2): 34–41
 FDMSLSMJF
Stütz­struk­tu­ren erforderlichjaneinnein
Druck­ge­schwin­dig­keitsehr lang­samschnellsehr schnell
dyna­mi­sche Belast­bar­keit der Bauteile
neinjaja
Ober­flä­chen­be­schaf­fen­heit nach dem Druck
nur Ober­flä­chen mit Ril­len möglich
leicht raue Ober­flä­che (kann gut geglät­tet werden)leicht raue Ober­flä­che (kann gut geglät­tet werden)
kom­ple­xe Formgebungnicht mög­lichmög­lichmög­lich
nach­träg­lich ther­misch verformbar
bedingt mög­lichbedingt mög­lichbedingt mög­lich
Anschaf­fungs­kos­tengeringhochhoch
Tab. 1 Gegen­über­stel­lung der 3D-Druck-Ver­fah­ren FDM, SLS und MJF.
  1. Murr LE. Rapid Pro­to­typ­ing Tech­no­lo­gies: Solid Free­form Fab­ri­ca­ti­on. In: Murr LE. Hand­book of Mate­ri­als Struc­tures. Pro­per­ties, Pro­ces­sing and Per­for­mance. Cham: Sprin­ger, 2015: 639–652
  2. Kienz­le C, Schä­fer M. Inte­gra­ti­on addi­ti­ver Fer­ti­gungs­ver­fah­ren (3D-Druck) in den ortho­pä­die­tech­ni­schen Ver­sor­gungs­all­tag. Ortho­pä­die Tech­nik, 2018; 69 (5): 48–57
  3. Murr LE. Rapid Pro­to­typ­ing Tech­no­lo­gies: Solid Free­form Fab­ri­ca­ti­on. In: Murr LE. Hand­book of Mate­ri­als Struc­tures. Pro­per­ties, Pro­ces­sing and Per­for­mance. Cham: Sprin­ger, 2015: 639–652
  4. 3Faktur GmbH. HP Mul­ti Jet Fusi­on. https://3faktur.com/3d-druck-materialien-und-verfahren/hp-multi-jet-fusion-das-verfahren/ (Zugriff am 09.01.2020)
  5. Kienz­le C, Schä­fer M. Inte­gra­ti­on addi­ti­ver Fer­ti­gungs­ver­fah­ren (3D-Druck) in den ortho­pä­die­tech­ni­schen Ver­sor­gungs­all­tag. Ortho­pä­die Tech­nik, 2018; 69 (5): 48–57
  6. Sta­tis­ta GmbH. Bevöl­ke­rung – Zahl der Ein­woh­ner in Deutsch­land nach Alters­grup­pen am 31. Dezem­ber 2018 (in Mil­lio­nen). https://de.statista.com/statistik/daten/studie/1365/umfrage/bevoelkerung-deutschlands-nach-altersgruppen/ (Zugriff am 09.01.2010)
  7. Veit J. Aus­wir­kun­gen des demo­gra­fi­schen Wan­dels auf die ärzt­li­che Ver­sor­gung (20. Mai 2015). https://www.arzt-wirtschaft.de/auswirkungen-des-demografischen-wandels-auf-die-aerztliche-versorgung/ (Zugriff am 16.01.2020)
  8. Bun­des­mi­nis­te­ri­um für Arbeit und Sozia­les. Arbeits­markt­pro­gno­se 2030. Eine stra­te­gi­sche Vor­aus­schau auf die Ent­wick­lung von Ange­bot und Nach­fra­ge in Deutsch­land. Bonn: Haus­dru­cke­rei des BMAS, 2013. http://www.bmas.de/SharedDocs/Downloads/DE/PDF-Publikationen/a756-arbeitsmarktprognose-2030.pdf?__blob=publicationFile (Zugriff am 09.01.2020)
  9. Kah­le C. Imple­men­tie­rung der addi­ti­ven Fer­ti­gung und die dar­aus resul­tie­ren­de Effi­zi­enz­stei­ge­rung in der Ortho­pä­die­tech­nik am Bei­spiel des Sani­täts­hau­ses o. r. t. Mas­ter­the­sis, PFH – Pri­va­te Hoch­schu­le Göt­tingen, 2018
  10. Kienz­le C, Schä­fer M. Inte­gra­ti­on addi­ti­ver Fer­ti­gungs­ver­fah­ren (3D-Druck) in den ortho­pä­die­tech­ni­schen Ver­sor­gungs­all­tag. Ortho­pä­die Tech­nik, 2018; 69 (5): 48–57
  11. Gün­zel C. Will­kom­men in Digi­ta­li­en!. Ortho­pä­die Tech­nik, 2016; 67 (6): 16, 19
  12. Bre­u­n­in­ger J, Daub U, Wer­der R et al. Poten­zia­le addi­ti­ver Fer­ti­gungs­ver­fah­ren für die Ortho­pä­die-Tech­nik. Ortho­pä­die Tech­nik, 2015; 66 (6): 22–27
Tei­len Sie die­sen Inhalt
Anzeige