Ein­stieg in die addi­ti­ve Fer­ti­gung in der Silikontechnik

T. Kempf, J. Steil, S. Falkenberg, S. Spintzyk
Die additive Fertigung hält Einzug in immer mehr Bereiche der Orthopädietechnik, da sie vielfältige Vorteile bietet, vor allem hinsichtlich eines optimierten Herstellungsprozesses. Dieser Fortschritt konnte in der Silikontechnik bislang kaum genutzt werden, denn additiv gefertigtes Silikon ist teuer und lässt sich bisher nicht in der gleichen Qualität herstellen wie mit handwerklicher Technik. Jedoch kann mit Hilfe der additiven Fertigung von Modellen der Herstellungsprozess für Silikonorthesen optimiert und effizienter gestaltet werden. Denn die Fertigung von Silikonorthesen steht vor allem wegen eng getakteter Kliniktermine, einer häufig weitläufigen Filialstruktur der Betriebe und der langen Herstellungszeiten unter enormem Zeitdruck.

Ein­lei­tung

Vie­le Hand- und Armor­the­sen wer­den mit Sili­kon­kom­po­nen­ten oder kom­plett aus Sili­kon gefer­tigt. Vor­tei­le des Mate­ri­als Sili­kon sind das ange­neh­me Tra­ge­ge­fühl, Hygie­ne­aspek­te und eine dau­er­haf­te Elas­ti­zi­tät. Mit Hil­fe von Sili­kon kön­nen dyna­mi­sche Hand­orthe­sen rea­li­siert wer­den, die ent­we­der patho­lo­gi­sche Bewe­gungs­mus­ter in eine phy­sio­lo­gi­sche Bahn len­ken oder bei Tonus­schwan­kun­gen das kurz­zei­ti­ge Zurück­fe­dern der Orthe­se ermög­li­chen, um Schmer­zen durch die Orthe­se zu verhindern.

Anzei­ge

Der Her­stel­lungs­pro­zess der Orthe­se beginnt meist mit einem Gips­ab­druck in einer kli­ni­schen Ein­rich­tung, die bei grö­ße­ren Ortho­pä­die­tech­nik-Unter­neh­men häu­fig dezen­tral von der Fer­ti­gungs­stät­te ange­sie­delt ist. Allein der logis­ti­sche Pro­zess, Abdrü­cke von der Filia­le in die Zen­tral­fer­ti­gung zu ver­sen­den, benö­tigt min­des­tens einen Tag, sodass erst einen Tag nach dem Gips­ab­druck mit der Fer­ti­gung begon­nen wer­den kann. Ist der Abdruck in der Zen­tral­fer­ti­gung ein­ge­trof­fen, beginnt im Regel­fall der klas­si­sche Pro­duk­ti­ons­pro­zess mit der Her­stel­lung eines Gips­mo­dells. Dar­an schließt sich eine lan­ge Trock­nungs­zeit von erfah­rungs­ge­mäß min­des­tens 12 Stun­den in einem beheiz­ten Tro­cken­raum (45 °C) an. Dies ist unbe­dingt erfor­der­lich, denn sind die Model­le nicht aus­rei­chend getrock­net, kommt es wäh­rend des Aus­här­tungs­pro­zes­ses zur Bla­sen­bil­dung im Sili­kon, sodass die Orthe­se unbrauch­bar wird. Durch Trans­port und Trock­nungs­zeit des Gips­mo­dells kann also frü­hes­tens zwei Tage nach dem Gips­ab­druck mit der Fer­ti­gung der Sili­kon­orthe­se begon­nen werden.

Die Her­stel­lung der Sili­kon­orthe­se benö­tigt min­des­tens einen wei­te­ren Arbeits­tag, wobei vor allem die Dau­er ent­schei­dend ist, die das Sili­kon im Vaku­um ver­bringt. Denn um ein qua­li­ta­tiv hoch­wer­ti­ges Pro­dukt zu erhal­ten, muss das Sili­kon lang­sam vul­ka­ni­siert wer­den, was einen Zeit­raum von min­des­tens 8 bis 10 Stun­den erfor­dert und daher in der Regel über Nacht durch­ge­führt wird. An die Sili­kon­ar­bei­ten schlie­ßen sich häu­fig Gieß­harz- oder Prep­reg-Arbei­ten an, die wie­der­um min­des­tens einen bis zwei Arbeits­ta­ge umfas­sen. Die Her­stel­lung einer Sili­kon­orthe­se kann somit sehr schnell einen Zeit­raum von drei bis vier Werk­ta­gen in Anspruch neh­men; wenn man den logis­ti­schen Pro­zess mit ein­be­zieht, sogar eine gan­ze Arbeits­wo­che. Ein Kli­nik­ter­min genau eine Woche spä­ter kann somit nur knapp ein­ge­hal­ten werden.

Bei immer kür­ze­ren Lie­ge­zei­ten in Kran­ken­häu­sern und Reha-Ein­rich­tun­gen nimmt der Druck in Bezug auf eine frist­ge­rech­te und ver­läss­li­che Lie­fe­rung ste­tig zu. Die Ortho­pä­die­tech­nik-Betrie­be müs­sen daher in der Lage sein, ihre Pro­zes­se so zu opti­mie­ren, dass auch bei einem hohen Arbeits­auf­kom­men, in Ver­tre­tungs­si­tua­tio­nen, an Fei­er­ta­gen oder bei Ter­min­än­de­run­gen eine frist­ge­rech­te Her­stel­lung für den Pati­en­ten gewähr­leis­tet wer­den kann.

Pro­zess­op­ti­mie­rung durch addi­ti­ve Fertigungsverfahren

Durch den Ein­satz moder­ner Tech­no­lo­gien wie z. B. addi­ti­ve Fer­ti­gungs­ver­fah­ren ist es mög­lich, die gän­gi­gen Pro­zes­se zu optimieren:

  • Zum einen kann der Trans­port­pro­zess der Abdrü­cke von einer kli­ni­schen Ein­rich­tung in die Zen­tra­le durch digi­ta­les Ver­sen­den ersetzt werden.
  • Zum ande­ren ent­fällt die Trock­nungs­zeit der Gips­mo­del­le bei addi­ti­ver Fer­ti­gung der Modelle.

Unmit­tel­bar nach der Über­tra­gung der 3D-Daten kann die Zen­tral­fer­ti­gung mit­tels Kon­struk­ti­ons­soft­ware mit der Modell­ar­beit begin­nen und die Zweck­mo­del­lie­rung vor­neh­men. Fer­ti­gungs­spe­zi­fi­sche Beson­der­hei­ten – z. B. Ein­spann­hil­fen, die für die Wei­ter­be­ar­bei­tung not­wen­dig sind – kön­nen gleich in die Kon­struk­ti­on des Modells mit ein­flie­ßen oder durch hand­werk­li­che Ver­fah­ren zu einem spä­te­ren Zeit­punkt umge­setzt wer­den. Das addi­tiv gefer­tig­te Modell bleibt mit einer aus­rei­chend gro­ßen Wand­stär­ke beim Aus­här­ten der Sili­kon­orthe­se im Ofen mit einer Maxi­mal­tem­pe­ra­tur von 100 °C sta­bil. Ansons­ten kann mit addi­tiv gefer­tig­ten Model­len wie gewohnt gear­bei­tet wer­den: Im unge­här­te­ten Zustand hat das Sili­kon zwar eine gering­fü­gig höhe­re Haf­tung als auf gewöhn­li­chen Gips­mo­del­len – dies ist aber eher vor­teil­haft, um dün­ne Kan­ten her­zu­stel­len. Im gehär­te­ten Zustand ist das Sili­kon genau­so leicht von der addi­tiv gefer­tig­ten Ober­flä­che zu ent­fer­nen wie bei kon­ven­tio­nell her­ge­stell­ten Gips­mo­del­len. Mit einem sol­chen Vor­ge­hen kann ein deut­li­cher Pla­nungs­vor­teil in der Pro­duk­ti­ons­ket­te (Abb. 1) erreicht wer­den; somit kann mit der eigent­li­chen Her­stel­lung der Orthe­se für gewöhn­lich einen Tag frü­her begon­nen wer­den als im bis­he­ri­gen kon­ven­tio­nel­len Produktionsprozess.

Her­aus­for­de­rung 3D-Scan bei Hand- und Armorthesen

Eine Beson­der­heit der digi­ta­len Her­stel­lung von Hand- und Armor­the­sen ist die 3D-Daten­ge­win­nung: Eine spas­ti­sche Hand kann nicht direkt 3D-gescannt wer­den, da die gewünsch­te Kor­rek­tur für jede Hand indi­vi­du­ell ermit­telt wer­den muss und daher eine rein vir­tu­el­le Kor­rek­tur nicht ziel­füh­rend ist. In die­sem Zusam­men­hang gibt es zwei Möglichkeiten:

  1. Es kön­nen Posi­tio­nie­rungs­hil­fen ver­wen­det wer­den, wobei die­se aber mit erhöh­tem Zeit­auf­wand spä­ter digi­tal von der Ana­to­mie getrennt wer­den müs­sen. Zudem muss für einen opti­ma­len Scan die Hand ruhig gehal­ten wer­den, und es darf sich kein Gelenk in der Stel­lung ver­än­dern. Dies ist aus Sicht der Autoren bei der Hand sehr schwie­rig zu errei­chen, ohne dass das Gestell zu kom­plex wird und zu vie­le Frei­heits­gra­de besitzt.
  2. Die zwei­te Mög­lich­keit besteht dar­in, in gewohn­ter Wei­se einen Gips­ab­druck anzu­fer­ti­gen. Die­ser muss dann zuerst als Gips-Posi­tiv­mo­dell aus­ge­gos­sen wer­den, um einen Scan anfer­ti­gen zu kön­nen. Grund dafür ist, dass ein Gips­ab­druck sehr ungleich­mä­ßi­ge Wand­stär­ken besitzt, sodass von des­sen Außen­sei­te nicht auf die Ana­to­mie im Inne­ren geschlos­sen wer­den kann. Das Aus­gie­ßen macht jedoch einen gro­ßen Teil der Zeit­er­spar­nis und des Vor­tei­les im Her­stel­lungs­pro­zess zunichte.

Daher besteht die hier vor­ge­schla­ge­ne Lösung dar­in, die Hand mit einem Mate­ri­al abzu­for­men, das eine gleich­mä­ßi­ge Wand­stär­ke besitzt. Im Unter­schied zu einem klas­si­schen Gips­ab­druck kann bei einem gleich­mä­ßi­gen Mate­ri­al die Wand­stär­ke digi­tal mit Hil­fe eines ein­fa­chen Off­sets abge­zo­gen wer­den. Damit kann das bewähr­te Wis­sen der Ortho­pä­die­tech­ni­ke­rin­nen und ‑tech­ni­ker wei­ter­hin genutzt wer­den, um die Glied­ma­ße hän­disch in eine kor­ri­gier­te Stel­lung zu brin­gen. Bis­her wur­den die Pro­duk­te „Orfi­cast“ und „STS Cas­ting Socks“ als Abform­ma­te­ria­li­en erprobt, wobei Ers­te­res ther­mo­plas­tisch umform­bar ist und Letz­te­res mit­tels eines PU-Har­zes aushärtet.

Modell­an­for­de­run­gen

Die Anfor­de­run­gen an ein Modell für die Her­stel­lung von Sili­kon­orthe­sen sind eine mög­lichst glat­te, geschlos­se­ne Ober­flä­che, gerin­ge Kos­ten und ein Mate­ri­al, das frei von Kata­ly­sa­to­ren­gif­ten ist. Zudem sind gerin­ge Anschaf­fungs­kos­ten für ein Gerät für die addi­ti­ve Fer­ti­gung wün­schens­wert. Pul­ver­sin­ter­ver­fah­ren schei­den aus, da die Ober­flä­che eher offen­po­rig ist, die Bau­tei­le ver­gleichs­wei­se teu­er und die Anla­gen hoch­prei­sig in der Anschaf­fung und auf­wen­dig im Betrieb sind. Harz­ba­sier­te Ste­reo­li­tho­gra­phie-Ver­fah­ren sind in einer mitt­le­ren Preis­klas­se ange­sie­delt, sowohl bezüg­lich der Anschaf­fung der Gerä­te als auch bei den Mate­ri­al­kos­ten. Zudem gibt es für harz­ba­sier­te Ver­fah­ren Mate­ria­li­en, die eine Zer­ti­fi­zie­rung als Medi­zin­pro­dukt auf­wei­sen. Am güns­tigs­ten jedoch sind sowohl die Gerä­te als auch die Mate­ria­li­en der Extru­si­ons­ver­fah­ren. Auch hier sind Mate­ria­li­en wie Poly­l­ac­tid (PLA) ver­füg­bar, die als haut­ver­träg­lich gelten.

Ver­gleich ver­schie­de­ner addi­ti­ver Fertigungsverfahren

Für einen objek­ti­ven Ver­gleich der addi­ti­ven Fer­ti­gungs­ver­fah­ren wur­de ein Stan­dard­mo­dell für eine Sili­kon­dau­men­span­ge ent­wor­fen und mit glei­chen Bedin­gun­gen in ver­schie­de­nen Ver­fah­ren gefer­tigt. Die Ergeb­nis­se (Tab. 1) bele­gen ein­deu­tig, dass die Fer­ti­gung mit dem Dru­cker „i3 MK3“ des Her­stel­lers Pru­sa Rese­arch am effi­zi­en­tes­ten ist: Die Kos­ten betra­gen ca. 1,05 Euro für ein Modell mit einer Druck­zeit von 3 Stun­den und 12 Minu­ten; dabei wur­den die Kon­struk­ti­ons­zeit, die Nach­be­ar­bei­tung und die Strom­kos­ten aller­dings nicht berücksichtigt.

Auch bezüg­lich der Qua­li­tät der Ober­flä­che erga­ben sich gro­ße Unter­schie­de, wobei auch hier Bau­tei­le des Pru­sa-Dru­ckers am bes­ten abschnit­ten. Bei allen ande­ren Extru­si­ons­ver­fah­ren muss­ten fei­ne­re Ein­stel­lun­gen gewählt wer­den, um eine ähn­li­che Ober­flä­chen­qua­li­tät zu erzie­len. Zudem sind die Anschaf­fungs­kos­ten für das Gerät der Fir­ma Pru­sa Rese­arch mit ca. 1.000 Euro ver­gleichs­wei­se gering, und der Betrieb des Gerä­tes ist bedienerfreundlich.

Die Ober­flä­che mit­tels Extru­si­ons­ver­fah­ren gefer­tig­ter Model­le weist die typi­sche ril­len­ar­ti­ge Struk­tur auf, die bei einer opti­ma­len Ori­en­tie­rung der Model­le senk­recht zur Ach­se der Extre­mi­tät ver­läuft. Im Ver­gleich zu kon­ven­tio­nell her­ge­stell­ten, glat­ten Gips­mo­del­len könn­te dies als Nach­teil emp­fun­den wer­den. Es hat sich jedoch her­aus­ge­stellt, dass die Tex­tu­rie­rung bei einer nied­ri­gen Shore-A-Zahl des Sili­kons für ein ange­neh­mes Tra­ge­ge­fühl auf der Haut sorgt. Wo Sili­kon­tei­le eine hohe Haf­tung auf der Haut benö­ti­gen, ist die Ril­len­struk­tur sogar von Vor­teil, da die Lamel­len (ent­spre­chend dem bio­ni­schen Prin­zip der Fuß­soh­le eines Geckos) zu einer erhöh­ten Haf­tung füh­ren. Soll­te die Struk­tu­rie­rung jedoch nicht erwünscht sein, kann sie mit wenig Auf­wand nach dem Aus­här­ten des Sili­kons geglät­tet werden.

Wich­tig für die Anwen­dung addi­tiv gefer­tig­ter Model­le im Her­stel­lungs­pro­zess ist die Bio­kom­pa­ti­bi­li­tät der Sili­kon­orthe­sen. Es wur­den dafür sowohl Pro­ben des Sili­kons als auch des Modell­ma­te­ri­als PLA unter­sucht. Alle Unter­su­chun­gen deu­ten auf eine hohe Haut­ver­träg­lich­keit und eine hohe Bio­kom­pa­ti­bi­li­tät des Sili­kons im vor­ge­stell­ten sem­idi­gi­ta­len Pro­zess hin.

Stu­die

Der opti­mier­te Her­stel­lungs­pro­zess von Sili­kon­orthe­sen wur­de bei bis­her 22 Pati­en­tin­nen und Pati­en­ten getes­tet und hat durch­weg posi­ti­ve Ergeb­nis­se erzielt (Abb. 2). Es zeig­te sich, dass die Qua­li­tät der Ver­sor­gung bei­be­hal­ten wird, jedoch wird die Fer­ti­gung ent­las­tet, und die Ver­sor­gungs­zei­ten ver­kür­zen sich. Zudem erge­ben sich Vor­tei­le bezüg­lich der Lager­hal­tung und der Doku­men­ta­ti­on, da Model­le digi­tal und nicht phy­sisch archi­viert wer­den kön­nen und der Ver­lauf einer Ver­sor­gung anhand der digi­ta­len Model­le ein­fa­cher rekon­stru­iert wer­den kann. Auch Pati­en­tin­nen und Pati­en­ten mit Arm­pro­the­sen pro­fi­tie­ren bei ers­ten Ver­sor­gun­gen mit indi­vi­du­el­len Linern oder Sili­kon-Innen­schäf­ten vom Fort­schritt, den das Ver­fah­ren für die Sili­kon­tech­nik bie­tet. In die­sem Zusam­men­hang ist vor allem die grö­ße­re Haf­tung durch die Struk­tur der addi­tiv gefer­tig­ten Model­le interessant.

Pro­ble­ma­tisch ist dem­ge­gen­über aktu­ell noch die Fer­ti­gung sehr gro­ßer Model­le in kur­zer Zeit, aber hier wird die 3D-Druck-Bran­che sicher zeit­nah Lösun­gen in Form groß­for­ma­ti­ger 3D-Dru­cker anbie­ten. Wün­schens­wert wäre über­dies die direk­te addi­ti­ve Fer­ti­gung von Sili­kon­orthe­sen, was tech­nisch hin­sicht­lich Medi­zin­pro­dukt­gü­te, Far­be und sogar ver­schie­de­ner Shore-Här­ten bereits rea­li­sier­bar ist 1 2. Jedoch kön­nen die oft sehr dünn­wan­di­gen Orthe­sen bis­her auf­grund der gege­be­nen Bau­teil­grö­ße und der dünn aus­lau­fen­den Rän­der noch nicht mit­tels die­ser Tech­no­lo­gie gefer­tigt wer­den. Zudem wird in der addi­ti­ven Fer­ti­gung mit Sili­ko­nen meist raum­tem­pe­ra­tur­ver­net­zen­des Sili­kon ver­wen­det, das nicht die­sel­be hohe Belast­bar­keit besitzt wie hoch­tem­pe­ra­tur­ver­net­zen­des Sili­kon, das übli­cher­wei­se für Orthe­sen ver­ar­bei­tet wird.

Fazit

Zusam­men­fas­send lässt sich fest­stel­len, dass die Hür­de für einen Ein­stieg in die addi­ti­ve Fer­ti­gung von Orthe­sen mit­tels Sili­kon­tech­nik eher gering ist: Schon mit gerin­gem finan­zi­el­lem Auf­wand kann ein effi­zi­en­ter 3D-Dru­cker ange­schafft wer­den. Zudem muss der Her­stel­lungs­pro­zess kaum umge­stellt wer­den, und es kann wei­ter­hin die Exper­ti­se der Ortho­pä­die­tech­ni­ke­rin­nen und ‑tech­ni­ker zur Daten­ge­win­nung genutzt werden.

Das Bei­spiel der Sili­kon­ort­he­tik zeigt, dass die addi­ti­ve Fer­ti­gung als neu­es Werk­zeug ver­stan­den wer­den muss und sinn­voll in einen bestehen­den Her­stel­lungs­pro­zess inte­griert wer­den kann, anstatt das hand­werk­li­che Wis­sen durch einen digi­ta­len Pro­zess erset­zen zu wol­len. Inso­fern ist die addi­ti­ve Fer­ti­gung von Model­len für die Her­stel­lung von Sili­kon­orthe­sen ein Bei­spiel für eine gelun­ge­ne Sym­bio­se aus Hand­werk und digi­ta­len Technologien.

Für die Autoren:
Tere­sa Kempf, B. Sc.
Ent­wick­lungs­in­ge­nieu­rin
Sek­ti­on „Medi­zi­ni­sche Werkstoffkunde
und Tech­no­lo­gie“
Uni­ver­si­täts­kli­ni­kum Tübingen
Osi­an­der­stra­ße 2–8, 72076 Tübingen
teresa.ke@t‑online.de

Begut­ach­te­ter Beitrag/reviewed paper

Zita­ti­on
Kempf T, Steil J, Fal­ken­berg S, Spint­zyk S. Ein­stieg in die addi­ti­ve Fer­ti­gung in der Sili­kon­tech­nik. Ortho­pä­die Tech­nik, 2021; 72 (1): 50–53

 

  1. Unkovs­kiy A, Spint­zyk S, Brom J, Huet­tig F, Keu­tel C. Direct 3D prin­ting of sili­co­ne facial prosthe­ses: A preli­mi­na­ry expe­ri­ence in digi­tal work­flow. The Jour­nal of Prost­he­tic Den­ti­stry, 2018; 120 (2): 303–308
  2. Unkovs­kiy A, Wahl E, Huet­tig F, Keu­tel C, Spint­zyk S. Mul­ti­ma­te­ri­al 3D prin­ting of a defi­ni­ti­ve sili­co­ne auricu­lar prost­he­sis: An impro­ved tech­ni­que. The Jour­nal of Prost­he­tic Den­ti­stry, 2020. doi: 10.1016/j.prosdent.2020.02.021 [im Druck]
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