Ent­wick­lung eines CAE-gestütz­ten Pro­zes­ses zur Kom­bi­na­ti­on addi­ti­ver Fer­ti­gung mit Tex­ti­li­en für kun­den­in­di­vi­du­el­le ortho­pä­di­sche Hilfsmittel

D. Ahrendt, S. Krzywinski, A. Romero Karam
Im Rahmen eines IGF-Forschungsprojektes wurden am Institut für Textilmaschinen und Textile Hochleistungswerkstofftechnik der Technischen Universität Dresden Möglichkeiten der additiven Fertigung endlosfaserverstärkter Funktionselemente direkt auf textilen Flächen zur Herstellung kundenindividueller orthopädischer Hilfsmittel untersucht. Zur Entwicklung eines exemplarischen Hilfsmittels für das Kniegelenk, bei dem eine textile Kompressionsbandage mit biegesteifen Orthesenelementen kombiniert wird, wurde eine CAE-gestützte Prozesskette vom 3D-Scan des Patienten bis zum konfektionierten Produkt erarbeitet. Die anforderungsgerechte Auslegung und Evaluation des Designs erfolgte simulationsgestützt.

Einleitung/Motivation

Zur För­de­rung und Unter­stüt­zung von Bewe­gung und Sport kom­men alters­über­grei­fend ortho­pä­di­sche Hilfs­mit­tel (ins­be­son­de­re Ban­da­gen und Orthe­sen) zum Ein­satz. Die zuneh­men­de Bedeu­tung sol­cher Hilfs­mit­tel, die sich in einem anhal­ten­den Bedarfs­an­stieg und der Erhö­hung damit ver­bun­de­ner Aus­ga­ben wider­spie­gelt, fußt auf dem demo­gra­fi­schen Wan­del sowie dem gestie­ge­nen Sport- und Gesund­heits­be­wusst­sein der deut­schen Bevöl­ke­rung. Neue Mög­lich­kei­ten zur schnel­len Her­stel­lung kun­den­in­di­vi­du­el­ler ortho­pä­di­scher Hilfs­mit­tel bie­tet die addi­ti­ve Fer­ti­gung. Bei die­sem umgangs­sprach­lich auch als „3D-Druck“ bezeich­ne­ten gene­ra­ti­ven Ver­fah­ren wer­den Bau­tei­le schicht­wei­se gefer­tigt  1. Gegen­über kon­ven­tio­nel­len Fer­ti­gungs­ver­fah­ren bie­tet das addi­ti­ve Vor­ge­hen eini­ge ent­schei­den­de Vor­tei­le: Neben der werk­zeug­lo­sen Fer­ti­gung kom­ple­xer Geo­me­trien direkt aus 3D-Daten las­sen sich auch Hoch­leis­tungs­fa­ser­stof­fe wie z. B. Glas und Car­bon ver­ar­bei­ten. Dabei kommt ein um die Faser­zu­füh­rung und eine Schneid­vor­rich­tung erwei­ter­tes Fused-Deposition-Modeling-(FDM-)Verfahren zum Ein­satz. Die Kom­bi­na­ti­on aus addi­ti­ver Fer­ti­gung und tex­ti­len Mate­ria­li­en ermög­licht die Her­stel­lung inno­va­ti­ver „Mul­ti­ma­te­ri­al­pro­duk­te“: Die direk­te Appli­ka­ti­on der addi­tiv zu fer­ti­gen­den Funk­ti­ons­ele­men­te auf flä­chi­gen Tex­ti­li­en erlaubt den Ver­zicht auf kon­ven­tio­nel­le tex­ti­le Füge­ver­fah­ren wie Nähen, Kle­ben, Schwei­ßen oder Nie­ten. Wäh­rend sich aktu­el­le For­schungs­ak­ti­vi­tä­ten in die­sem Bereich über­wie­gend auf Unter­su­chun­gen der Haf­tung zwi­schen Tex­til und Poly­mer kon­zen­trie­ren, wird im vor­lie­gen­den Bei­trag ein kon­kre­tes Anwen­dungs­bei­spiel für ein ortho­pä­di­sches Hilfs­mit­tel vor­ge­stellt. Zu die­sem Zweck wur­de ein fle­xi­bles Ban­da­gen­ge­strick mit addi­tiv gefer­tig­ten, car­bon­fa­ser­ver­stärk­ten Orthe­sen­ele­men­ten kombiniert.

Anzei­ge

Anwen­dungs­sze­na­rio

Um eine ziel­ge­rich­te­te und indi­ka­ti­ons­ge­rech­te Ent­wick­lung des ortho­pä­di­schen Hilfs­mit­tels zu gewähr­leis­ten, wur­de zu Beginn des For­schungs­pro­jek­tes ein kon­kre­tes Anwen­dungs­sze­na­rio defi­niert.  Die­ses geht von einer Ver­let­zung des mensch­li­chen Bewe­gungs­ap­pa­ra­tes in Form einer Rup­tur (bzw. eines Ris­ses) des vor­de­ren Kreuz­ban­des (VKB) aus. Auf­grund eines ste­tig wach­sen­den sport­li­chen Frei­zeit­an­ge­bo­tes und immer neu­er Extrem­sport­ar­ten nimmt die Ver­let­zungs­häu­fig­keit des VKBs zu 2 3. Zudem tritt eine VKB-Rup­tur etwa zehn­mal häu­fi­ger auf als eine des hin­te­ren Kreuz­ban­des (HKB). Pro Jahr ereig­nen sich in Deutsch­land ca. 35.000 Fäl­le; 20 % aller Knie­ver­let­zun­gen beinhal­ten eine VKB-Rup­tur, wodurch sie zur häu­figs­ten Knie­ver­let­zung wird 4. Eine sol­che Ver­let­zung führt zur Des­in­te­gra­ti­on des Roll-Gleit-Mecha­nis­mus des Knies, wodurch vor allem die ante­rio­re Sta­bi­li­tät, für die das VKB zustän­dig ist, ver­rin­gert wird. In der Fol­ge ent­steht eine Knie­ge­lenk­in­sta­bi­li­tät, die sich beson­ders in der Sagit­tal­ebe­ne sowie in Form der vor­de­ren Schub­la­de (rela­ti­ve Ver­schie­bung der Tibia zum Femur) aus­wirkt. Die zusätz­li­che Zer­stö­rung von Pro­prio­zep­to­ren im VKB bedingt neben der mecha­ni­schen auch eine funk­tio­nel­le Insta­bi­li­tät 5. Das sub­jek­tiv emp­fun­de­ne „Nach­ge­ben“ des Knie­ge­lenks wird als „Giving-Way-Phä­no­men“ bezeich­net 6.

Wäh­rend der Reha­bi­li­ta­ti­on nach erfolg­ter ope­ra­ti­ver VKB-Rekon­struk­ti­on (die vor­ran­gig für jun­ge, sport­lich akti­ve Per­so­nen emp­foh­len wird) kommt in der Regel ein tra­di­tio­nel­les ortho­pä­di­sches Hilfs­mit­tel in Form einer soge­nann­ten Hart­rah­men­orthe­se zum Ein­satz. Mit­un­ter han­delt es sich dabei um von den Kran­ken­kas­sen zur Ver­fü­gung gestell­te Miet­orthe­sen, die dem Leis­tungs­er­brin­ger nach einer Nut­zungs­dau­er von vier Mona­ten zurück­zu­ge­ben sind 7 8. Da aber der Hei­lungs­pro­zess bzw. die Wie­der­her­stel­lung der Knie­sta­bi­li­tät deut­lich län­ger dau­ert (die Ein­hei­lungs­pha­se eines Kreuz­band-Trans­plan­tats ist erst nach knapp zwei Jah­ren abge­schlos­sen 9), wur­de im Rah­men des hier behan­del­ten For­schungs­pro­jek­tes ein leicht­ge­wich­ti­ges Anschluss­pro­dukt rea­li­siert: Das zu ent­wi­ckeln­de ortho­pä­di­sche Hilfs­mit­tel soll dem­nach den wei­te­ren Hei­lungs­ver­lauf unter­stüt­zen, das Knie­ge­lenk sta­bi­li­sie­ren und dem vor­de­ren Schub­la­den­ef­fekt ent­ge­gen­wir­ken. Der Ein­satz der mit­tels end­los­fa­ser­ver­stärk­ter addi­ti­ver Fer­ti­gung her­ge­stell­ten Kom­bi­na­ti­on aus Ban­da­ge und Orthe­se soll im Anschluss an eine Hart­rah­men­orthe­se auf­grund einer Rup­tur des VKB zum Ein­satz kommen.

Metho­dik

Not­wen­di­ge Vor­aus­set­zung für die anwen­dungs­na­he Kom­bi­na­ti­on addi­tiv gefer­tig­ter Funk­ti­ons­ele­men­te direkt auf tex­ti­len Flä­chen ist eine aus­rei­chend hohe Haft­fes­tig­keit der Füge­ver­bin­dung. Im Rah­men des For­schungs­pro­jek­tes wur­den daher grund­le­gen­de Unter­su­chun­gen zu Haf­tungs­ei­gen­schaf­ten sowie deren Ein­fluss­pa­ra­me­tern zwi­schen aus­ge­wähl­ten tex­ti­len Flä­chen und addi­tiv appli­zier­ten Poly­me­ren anhand modi­fi­zier­ter 180°-Schälversuche in Anleh­nung an die Prüf­norm DIN EN ISO 8510–2 10 durch­ge­führt und aus­ge­wer­tet. Dabei wer­den ein fle­xi­bler und ein star­rer Füge­part­ner mit­tels einer Zug­prüf­ma­schi­ne im Win­kel von 180° von­ein­an­der getrennt und die dabei auf­tre­ten­den Kräf­te auf­ge­zeich­net. Der vor­lie­gen­de Arti­kel kon­zen­triert sich im Fol­gen­den vor allem auf die erar­bei­te­te CAE-gestütz­te Pro­zess­ket­te zur Fer­ti­gung des ortho­pä­di­schen Hilfs­mit­tels (CAE = „Com­pu­ter-Aided Engi­nee­ring“; dt. „rech­ner­ge­stütz­te Ent­wick­lung“). Wie bei 11 lässt sich der Pro­duk­ti­ons­pro­zess grob in fol­gen­de drei Haupt­schrit­te unterteilen:

  • 3D-Scan,
  • 3D-Model­lie­rung bzw. 3D-CAD und
  • addi­ti­ve Fertigung.

3D-Scan und Rever­se Engineering

Aus­gangs­punkt der Ent­wick­lung des ortho­pä­di­schen Hilfs­mit­tels ist die kun­den­in­di­vi­du­el­le 3D-Kör­per­form. Um den ent­spre­chen­den Kör­per­be­reich (hier: den Knie­be­reich) zu erfas­sen, wur­de der 3D-Scan­ner „zSnap­per“ der Via­l­ux GmbH (Chem­nitz, Deutsch­land) ver­wen­det. Die berüh­rungs­lo­se Ver­mes­sung auf einem rotie­ren­den Dreh­tel­ler dau­ert nur weni­ge Sekun­den. Pati­en­ten kön­nen in ent­wick­lungs­ty­pi­schen Posi­tio­nen (hier: 30° Fle­xi­on) oder – falls dies z. B. auf­grund von Schwel­lun­gen oder Schmer­zen nicht mög­lich ist – in Stan­dard­hal­tun­gen gescannt wer­den. Die Scan­da­ten der Stan­dard­hal­tun­gen kön­nen anschlie­ßend mit­tels kine­ma­ti­scher Men­sch­mo­del­lie­rung 12 13 14 in die benö­tig­ten Kör­per­hal­tun­gen über­führt wer­den. Die dazu­ge­hö­ri­ge Via­l­ux-Soft­ware erzeugt ein 3D-Modell im Datei­for­mat OBJ, das anschlie­ßend mit einer Rever­se-Engi­nee­ring-Soft­ware der Fir­ma Geo­ma­gic Inc. (Mor­ris­vil­le, North Caro­li­na, USA; z. B. „Geo­ma­gic Design X“ 15) wei­ter­ver­ar­bei­tet wird. Die fol­gen­de Flä­chen­rück­füh­rung dient der Umwand­lung der 3D-Scan­da­ten bzw. Poly­gon­mo­del­le in 3D-CAD-kom­pa­ti­ble Flä­chen­mo­del­le in den Datei­for­ma­ten IGES oder STEP.

Nach der Berei­ni­gung, Glät­tung und Über­prü­fung der 3D-Scan­da­ten wer­den spe­zi­fi­sche Kör­per­maß­li­ni­en (z. B. Oberschenkel‑, Knie- und Waden­um­fang), die übli­cher­wei­se zur Grö­ßen­be­stim­mung einer Knie­ban­da­ge bzw. ‑orthe­se ver­wen­det wer­den, auf dem 3D-Modell ent­spre­chend der Norm 16 posi­tio­niert und mar­kiert. Schließ­lich wird eine soge­nann­te NURBS-Flä­che (NURBS = „Non­uni­form Ratio­nal B‑Spline“) basie­rend auf dem Poly­gon­mo­dell anhand mathe­ma­ti­scher Appro­xi­ma­ti­on gene­riert und steht zur Wei­ter­be­ar­bei­tung mit 3D-CAD-Pro­gram­men bereit. Obwohl die Nut­zung einer spe­zi­fi­schen Rever­se-Engi­nee­ring-Soft­ware nicht unbe­dingt nötig ist, weil 3D-Scan­da­ten auch direkt wei­ter­ver­ar­bei­tet wer­den kön­nen, ist die Arbeit mit CAD-Flä­chen für die nach­fol­gen­den Kon­struk­ti­ons­schrit­te zu bevorzugen.

3D-CAD-Kon­struk­ti­on des Tex­tils und der Funktionselemente

Im nächs­ten Schritt wird die 3D-Kör­per­form in eine 3D-CAD-Soft­ware zur Tex­til­kon­struk­ti­on impor­tiert. Im vor­lie­gen­den Fall wur­de die Soft­ware „Design­Con­cept 3D“ („DC3D“) der Fir­ma Lec­tra (Paris, Frank­reich) 17 ver­wen­det. Zunächst wur­de der Kom­pro­miss­dreh­punkt des Knie­ge­lenks nach Niet­ert 18 19 basie­rend auf der Knie­brei­te in der Sagit­tal­ebe­ne am digi­ta­len Modell bestimmt und mar­kiert. Um eine kor­rek­te Funk­ti­ons­wei­se des ortho­pä­di­schen Hilfs­mit­tels zu gewähr­leis­ten, ist eine prä­zi­se und indi­vi­du­ell kor­rek­te Posi­tio­nie­rung des Knie­ge­lenk­dreh­punk­tes uner­läss­lich – andern­falls könn­te das Hilfs­mit­tel der Reha­bi­li­ta­ti­on ent­ge­gen­wir­ken oder das Knie­ge­lenk sogar zusätz­lich schä­di­gen, was in jedem Fall zu ver­mei­den ist.

Die Soft­ware „DC3D“ erlaubt die direk­te Kon­struk­ti­on von Design‑, Naht- und Begren­zungs­li­ni­en in 3D. Neben den äuße­ren Abma­ßen der Knie­ban­da­ge wur­den Naht­li­ni­en im hin­te­ren seit­li­chen Bereich des Bei­nes sowie um die Knie­mit­te hin­zu­ge­fügt. Die Unter­tei­lung an der Knie­mit­te ist auf­grund des begrenz­ten Bau­raums des ver­wen­de­ten Com­po­si­te-3D-Dru­ckers nötig, ent­fällt jedoch zukünf­tig durch eine ange­pass­te Maschi­nen­tech­nik. Folg­lich besteht die tex­ti­le Kom­po­nen­te des ortho­pä­di­schen Hilfs­mit­tels im vor­lie­gen­den Bei­spiel aus drei Schnitt­tei­len (Abb. 1). Des Wei­te­ren wur­den die Design­li­ni­en der Funk­ti­ons­ele­men­te direkt auf die 3D-Flä­che gezeich­net. Dies erfolg­te unter Beach­tung des Kom­pro­miss­dreh­punkts und des erwei­ter­ten 3‑Punkt-Prin­zips, um die gewünsch­te Wir­kung gegen den vor­de­ren Schub­la­den­ef­fekt sicher­zu­stel­len. Das 3‑Punkt-Prin­zip, in Abbil­dung 2 durch drei rote Pfei­le sym­bo­li­siert, die für wir­ken­de Kräf­te von der Orthe­se zum Bein ste­hen, wird dafür übli­cher­wei­se ver­wen­det 20. Die drei wech­sel­sei­tig anlie­gen­den Kon­takt­flä­chen kön­nen durch eine wei­te­re (schwar­zer Pfeil) ergänzt wer­den. Da die tex­ti­le Ban­da­ge an sich kei­ne effek­ti­ven Hebel­ar­me besitzt und somit kei­nen nen­nens­wer­ten bio­me­cha­ni­schen Effekt aus­löst, ist eine Kom­bi­na­ti­on mit bie­ge­stei­fen Funk­ti­ons­ele­men­ten nötig. Es wur­den daher zwei Berei­che mit Ver­stei­fungs­ele­men­ten im vor­de­ren Bereich des Bei­nes plat­ziert (Abb. 1). Die­se wer­den durch zwei zusätz­li­che Bän­der ergänzt.

Abwick­lung und Ska­lie­rung der 2D-Schnittteile

Nach­dem alle Lini­en plat­ziert waren, erfolg­te die Erzeu­gung der zu den Schnitt­tei­len gehö­ri­gen Meshs. Ein Mesh besteht aus Drei­ecken defi­nier­ter Schen­kel­län­ge. Die­ser Schritt wird in der tex­ti­len Kon­fek­ti­ons­tech­nik auch als „Abwi­ckeln“ bezeich­net. Die Soft­ware „DC3D“ erlaubt dann die auto­ma­ti­sier­te Über­füh­rung der Schnitt­tei­le von 3D in die 2D-Ebe­ne (Abb. 1). Die 2D-Schnitt­tei­le wur­den sodann ent­lang der bei­den Mate­ri­al­rich­tun­gen für Gestri­cke – Maschenstäbchen-(MSR) und Maschen­rei­hen­rich­tung (MRR) – posi­tio­niert, wobei die Kom­pres­si­on vor­ran­gig in Bein­um­fangs­rich­tung – also in MRR – wirkt. Da die Ban­da­ge einen Kom­pres­si­ons­druck von 2,4 kPa (ent­spricht der unte­ren Gren­ze der Kom­pres­si­ons­klas­se 1 21) rea­li­sie­ren soll, ist die kor­rek­te Posi­tio­nie­rung in MRR auf­grund der Ein­le­ge­fä­den aus Elasthan ent­schei­dend. Die­se hoch dehn­ba­ren Faden­sys­te­me sind maß­geb­lich für die Rea­li­sie­rung des Kom­pres­si­ons­drucks ver­ant­wort­lich. Die Kom­pres­si­ons­wir­kung wur­de so gewählt, dass sie nicht zu stark aus­fällt und als unan­ge­nehm emp­fun­den wer­den könn­te, wobei gleich­zei­tig jedoch ein merk­li­cher Kom­pres­si­ons­ef­fekt herrscht, der die Pro­prio­zep­ti­on des Gelenks ver­stärkt und für einen guten Halt sorgt bzw. ein Ver­rut­schen der Ban­da­ge ver­hin­dert. Somit ist zwi­schen zwei Arten von 2D-Schnitt­tei­len zu unterscheiden:

  • unska­liert (für die Kon­struk­ti­on der Funk­ti­ons­ele­men­te) und
  • ska­liert (zur Ban­da­gen­fer­ti­gung und zur Rea­li­sie­rung des Kompressionsdrucks).

Die Ska­lie­rung der 2D-Schnitt­tei­le erfolg­te dabei ent­spre­chend dem defi­nier­ten Kom­pres­si­ons­druck unter Beach­tung des spe­zi­fi­schen zuge­las­ti­schen Ver­hal­tens des aus­ge­wähl­ten flach­ge­strick­ten Tex­til­ma­te­ri­als. Die Mate­ri­al­prü­fun­gen wur­den ent­spre­chend 22 auf einer Zug­prüf­ma­schi­ne unter Norm­kli­ma durch­ge­führt. Anhand der kun­den­in­di­vi­du­el­len Bein­um­fangs­ma­ße lässt sich mit­tels modi­fi­zier­ter Laplace-For­mel 23 die mitt­le­re Kraft für den defi­nier­ten Kom­pres­si­ons­druck errech­nen. Das ermit­tel­te Kraft-Deh­nungs-Dia­gramm dient dann der Bestim­mung der kor­re­spon­die­ren­den Tex­til­deh­nung. Die ska­lier­ten 2D-Schnitt­tei­le wur­den anschlie­ßend als DXF-Datei expor­tiert, geplot­tet und für den Zuschnitt der tex­ti­len Flä­chen­wa­re verwendet.

3D-CAD der Funktionselemente

Des Wei­te­ren wur­den die Design‑, Posi­ti­ons- und Hilfs­li­ni­en von 3D auf die unska­lier­ten 2D-Schnitt­tei­le über­führt. Sie die­nen der Kon­struk­ti­on der Funk­ti­ons­ele­men­te. Der Daten­im­port der DXF-Datei ist in jedem gän­gi­gen 3D-CAD-Pro­gramm (z. B. „Solid­Works“, „Rhi­no“, „Fusion360“ etc.) mög­lich. Als Design-Richt­li­ni­en für die Funk­ti­ons­ele­men­te dienten:

  • eine ange­streb­te maxi­ma­le Dicke der Funk­ti­ons­ele­men­te von 5 mm,
  • abge­run­de­te Kan­ten und Ecken,
  • gra­dier­te Ele­ment­di­cken ent­spre­chend den benö­tig­ten Bie­ge­stei­fig­kei­ten und
  • die Berück­sich­ti­gung des Kompromissdrehpunktes.

Da der 3D-Druck auf einem flä­chi­gen Tex­til statt­fin­det, wur­den die­je­ni­gen Berei­che der Funk­ti­ons­ele­men­te, die in Bein­um­fangs­rich­tung ver­lau­fen, so gestal­tet, dass eine gerin­ge­re Bie­ge­stei­fig­keit die Anpas­sung an die Bein­form erlaubt. In Bein­längs­rich­tung hin­ge­gen besit­zen die Funk­ti­ons­ele­men­te – u. a. auf­grund der Car­bon­fa­ser­ver­stär­kung – eine höhe­re Bie­ge­stei­fig­keit. Die Funk­ti­ons­ele­men­te, die anschlie­ßend als STL-Datei expor­tiert wer­den und für das Sli­cing bereit­ste­hen, sind ent­spre­chend dem 2D-Schnitt­teil posi­tio­niert (Abb. 3).

Simu­la­ti­on der Rückhaltekraft

Wäh­rend der Pro­dukt­ge­stal­tung erfolg­te eine simu­la­ti­ons­ge­stütz­te Eva­lua­ti­on des Designs mit der Soft­ware „Ansys Mecha­ni­cal“. Dies ist erfor­der­lich, um die ver­schie­de­nen Design­va­ri­an­ten schnell bewer­ten und ver­glei­chen zu kön­nen. Die Vor­ge­hens­wei­se ori­en­tiert sich an einem Prüf­be­richt des Gang­la­bors der Kli­nik für Ortho­pä­die und Sport­or­tho­pä­die der TU Mün­chen 24. Der dar­in beschrie­be­ne Knie­si­mu­la­tor stellt einen Prüf­stand dar, mit dem u. a. die Rück­hal­te­kraft einer Knie­orthe­se gegen eine ein­ge­lei­te­te vor­de­re Schub­la­de ermit­telt wer­den kann. Die Rück­hal­te­kraft dient als Maß zur Beur­tei­lung der Leis­tungs­fä­hig­keit einer Knie­orthe­se. Wei­te­re Infor­ma­tio­nen zum Prüf­stand bie­tet 25.

Um eine Simu­la­ti­ons­rou­ti­ne ent­wi­ckeln und die Ergeb­nis­se vali­die­ren zu kön­nen, wur­de zunächst die Rück­hal­te­kraft einer Hart­rah­men­orthe­se mit­tels Fini­te-Ele­men­te-Metho­de (FEM) simu­liert und anschlie­ßend mit den Anga­ben des Prüf­be­richts 26 ver­gli­chen. Die 3D-CAD-Kon­struk­ti­on für die Simu­la­ti­on ori­en­tier­te sich dabei ent­spre­chend dem Prüf­be­richt an der Orthe­se „Don­joy 4TITUDE“ 27. Für die Simu­la­ti­on wur­de die Orthe­se an einem 3D-gescann­ten Bein mit 30° Fle­xi­on posi­tio­niert. Das Bein­mo­dell ist in Ober- und Unter­schen­kel unter­teilt, die ent­spre­chend dem Prüf­stand im Knie­ge­lenk­spalt nicht mit­ein­an­der ver­bun­den sind. Wäh­rend der Ober­schen­kel fixiert ist, wird im Unter­schen­kel (auf Höhe des Sprung­ge­lenks) eine Trans­la­ti­on nach vorn (ante­rior) ein­ge­lei­tet, die eine Trans­la­ti­on des Tibia­pla­teaus im Sin­ne der vor­de­ren Schub­la­de bedingt (Abb. 4). Als Mate­ria­li­en mit ent­spre­chen­den Para­me­tern und Eigen­schaf­ten wur­den Sili­kon­gum­mi für das Bein und Alu­mi­ni­um für die Orthe­se aus der Ansys-Daten­bank aus­ge­wählt. Der Kon­takt der Orthe­se zum Bein ist zunächst als fes­ter Ver­bund defi­niert. Eine Gegen­über­stel­lung der Prüf­pa­ra­me­ter und der Ergeb­nis­se bie­tet Tabel­le 1. Mit einer simu­lier­ten Rück­hal­te­kraft von 75,0 N liegt das Ergeb­nis im Bereich der mit dem Prüf­stand gene­rier­ten Mess­wer­te (71,9 N für einen gerin­gen und 87,4 N für einen hohen Mus­kel­to­nus). Die Simu­la­ti­ons­rou­ti­ne ist damit prin­zi­pi­ell zur Beur­tei­lung der Rück­hal­te­kraft geeignet.

Im nächs­ten Schritt wur­de das Vor­ge­hen zur Simu­la­ti­on des neu­ar­ti­gen ortho­pä­di­schen Hilfs­mit­tels wei­ter ver­fei­nert. So wur­de die Rei­bung zwi­schen dem ver­wen­de­ten Flach­ge­strick und der Haut anhand eines Reib­ko­ef­fi­zi­en­ten simu­la­tiv abge­bil­det. Der Reib­ko­ef­fi­zi­ent wur­de zuvor anhand von Reib­prü­fun­gen (Tex­til gegen ein Haut­i­mi­tat aus Leder) 28 29 prüf­tech­nisch ermit­telt. Die Ban­da­ge wur­de als Gum­mi­ma­te­ri­al appro­xi­miert und als Rand­be­din­gung mit dem defi­nier­ten Kom­pres­si­ons­druck von 2,4 kPa, der in Rich­tung des Bei­nin­ne­ren wirkt, ver­se­hen. Das 3D-CAD-Modell des Hilfs­mit­tels (Abb. 4) beinhal­tet die unter­schied­li­chen Dicken der Berei­che, die in der Simu­la­ti­on mit ent­spre­chen­den Mate­ri­al­ei­gen­schaf­ten für „unver­stärkt“ (rei­nes Nylon, Gelenk­ele­men­te aus „Poly­ace­tal Copo­ly­mer“) bzw. „end­los­fa­ser­ver­stärkt“ (Car­bon) ver­se­hen wur­den. Die in die Mate­ri­al­da­ten­bank ein­ge­pfleg­ten Eigen­schaf­ten stam­men ent­we­der aus Daten­blät­tern oder prüf­tech­ni­schen Ergeb­nis­sen (z. B. 4‑Punkt-Bie­ge­prü­fun­gen addi­tiv gefer­tig­ter Ele­men­te). Die simu­lier­te Rück­hal­te­kraft des ent­wi­ckel­ten Hilfs­mit­tels kon­ver­giert gegen einen Wert von 22,5 N und beträgt somit ver­gli­chen mit der Hart­rah­men­orthe­se ca. 30 %.

Zudem zei­gen die Simu­la­ti­ons­er­geb­nis­se auch den Ein­fluss der Funk­ti­ons­ele­men­te sowie der Car­bon­fa­ser­ver­stär­kung auf die Rück­hal­te­kraft auf. So weist die Ban­da­ge ohne Ver­stei­fungs­ele­men­te eine nicht nen­nens­wer­te Rück­hal­te­kraft von 3,8 N auf. Der Ein­satz unver­stärk­ter Funk­ti­ons­ele­men­te aus Nylon erhöht die­se bereits auf 11,9 N. Durch die geziel­te Car­bon­fa­ser­ver­stär­kung in Sand­wich-Bau­wei­se ver­dop­pelt sich die simu­lier­te Rück­hal­te­kraft auf 22,5 N.

Sli­cing und kom­bi­nier­te addi­ti­ve Fertigung

Für die end­los­fa­ser­ver­stärk­te addi­ti­ve Fer­ti­gung unter Ver­wen­dung des Com­po­si­te-3D-Dru­ckers „Mark Two“ (Markf­or­ged Inc., Water­town, Mas­sa­bung chu­setts, USA) wur­den die STL-Datei­en der Funk­ti­ons­ele­men­te in die Sli­cing-Soft­ware „Eiger“ gela­den. Dort wur­den Anzahl und Posi­tio­nen der Faser­la­gen im Bau­teil sowie die Faser­ab­la­ge­win­kel defi­niert ein­ge­stellt und anschlie­ßend Druck­da­tei­en expor­tiert, die an den 3D-Dru­cker über­ge­ben wur­den. Anschlie­ßend erfolg­te die addi­ti­ve Fer­ti­gung direkt auf den fixier­ten tex­ti­len 2D-Schnitt­tei­len (Abb. 5). Der Druck­kopf arbei­tet mit zwei Düsen, die abwech­selnd ther­mo­plas­ti­sches Matrix­ma­te­ri­al und End­los­fa­sern (z. B. Glas, Ara­mid oder wie im vor­lie­gen­den Fall Car­bon) schicht­wei­se appli­zie­ren. Im letz­ten Schritt wur­den die Halb­zeu­ge kon­fek­tio­niert sowie die Gelenk­ele­men­te und Bän­der ein­ge­setzt, bevor das kun­den­in­di­vi­du­el­le Hilfs­mit­tel bereitsteht.

Ergeb­nis­se

Im Rah­men des hier vor­ge­stell­ten For­schungs­pro­jek­tes wur­den mit­tels ange­pass­ter 180°-Schälprüfungen ver­schie­de­ne Ein­fluss­fak­to­ren (mate­ri­al- und maschi­nen­sei­tig) auf die Haf­tung zwi­schen Tex­til und Poly­mer unter­sucht. Im Ergeb­nis ste­hen Refe­renz­wer­te für die erreich­ba­re und die not­wen­di­ge Haf­tung sowie Emp­feh­lun­gen zur geziel­ten Aus­wahl bzw. zur Beein­flus­sung sowohl der tex­ti­len Flä­che als auch der addi­ti­ven Fer­ti­gungs­pa­ra­me­ter zur Ver­fü­gung. Dar­über hin­aus wur­de ein CAE-gestütz­ter Pro­zess zur Her­stel­lung indi­vi­dua­li­sier­ter Hilfs­mit­tel erar­bei­tet. Aus­ge­hend von einem 3D-Scan der zu ver­sor­gen­den Per­son erfolgt die Flä­chen­rück­füh­rung des betrof­fe­nen Kör­per­teils per „Rever­se Engi­nee­ring“. Im nächs­ten Schritt wird die tex­ti­le Kom­po­nen­te in 3D kon­stru­iert und soft­ware­ge­stützt in 2D-Schnitt­tei­le über­führt. Die Berück­sich­ti­gung von Mate­ri­al­kenn­da­ten (Span­nungs-Deh­nungs-Eigen­schaf­ten der tex­ti­len Flä­che) durch eine Ska­lie­rung des Zuschnitts ermög­licht die Erzie­lung der gewünsch­ten Kom­pres­si­on. Ori­en­tie­rungs­punk­te und Hilfs- bzw. Posi­ti­ons­li­ni­en kön­nen in Anleh­nung an Kör­per­maß­li­ni­en von 3D auf 2D-Schnitt­tei­le über­tra­gen wer­den. Die­se die­nen zur Kon­struk­ti­on der Funk­ti­ons­ele­men­te (z. B. Ver­stei­fung, Gelenk) im 3D-CAD-Pro­gramm. Zur geziel­ten Aus­le­gung der mecha­ni­schen Kenn­wer­te wer­den Hoch­leis­tungs­fa­ser­stof­fe ver­ar­bei­tet. Wei­ter­hin wer­den die addi­tiv zu fer­ti­gen­den Funk­ti­ons­ele­men­te anwen­dungs­spe­zi­fisch mit Hil­fe geziel­ter Faser­ver­stär­kun­gen aus­ge­legt. Auf­schluss über rea­li­sier­ba­re Bie­ge­stei­fig­kei­ten geben ver­glei­chen­de 4‑Punkt-Bie­ge­prü­fun­gen unter­schied­li­cher Mate­ria­li­en (rei­ne Ther­mo­plas­te, End­los­fa­ser­ver­stär­kung mit Car­bon). Durch eine Faser­ver­stär­kung las­sen sich die struk­tur­me­cha­ni­schen Eigen­schaf­ten der Bau­tei­le stei­gern und das Gewicht bzw. die Bau­teil­di­cke redu­zie­ren. Der gesam­te Pro­zess vom 3D-Scan der Kör­per­form bis zum kon­fek­tio­nier­ten Pro­dukt wur­de exem­pla­risch durch­ge­führt, doku­men­tiert und erprobt. Anhand der erar­bei­te­ten CAE-gestütz­ten Pro­zess­ket­te (Abb. 6) wur­de somit ein neu­ar­ti­ges ortho­pä­di­sches Hilfs­mit­tel für das Knie­ge­lenk durch das direk­te Appli­zie­ren von 3D-Ele­men­ten auf tex­ti­le Flä­chen rea­li­siert (Abb. 7). Dies stellt eine Ver­bin­dung eines bie­ge­wei­chen Ban­da­gen­ge­stricks mit bie­ge­stei­fen Orthe­sen­ele­men­ten dar, wodurch haut­sen­so­ri­scher Kom­fort und Kom­pres­si­ons­wir­kung mit einer leich­ten und sta­bi­len Gelenk­füh­rung kom­bi­niert werden.

Fazit und Ausblick

Die Inte­gra­ti­on der addi­ti­ven Fer­ti­gung in die Tex­til- und Kon­fek­ti­ons­tech­nik bie­tet viel­fäl­ti­ge Mög­lich­kei­ten zur Her­stel­lung inno­va­ti­ver Mul­ti­ma­te­ri­al­pro­duk­te. Der­zeit fehlt es aller­dings – abseits von Mode und Beklei­dung – an kon­kre­ten Anwen­dungs­bei­spie­len einer sol­chen Kom­bi­na­ti­on. Im Bereich ortho­pä­di­scher Hilfs­mit­tel las­sen sich auf die vor­ge­stell­te Wei­se neu­ar­ti­ge Pro­duk­te kun­den­in­di­vi­du­ell her­stel­len. Bie­ge­wei­che tex­ti­le Mate­ria­li­en wer­den dazu mit bie­ge­stei­fen addi­tiv gefer­tig­ten Funk­ti­ons­ele­men­ten durch das direk­te Appli­zie­ren als alter­na­ti­ves Füge­ver­fah­ren kom­bi­niert. Zusätz­lich wer­den Hoch­leis­tungs­fa­sern wie Car­bon oder Glas ver­ar­bei­tet, um Leicht­bau­po­ten­zia­le zu rea­li­sie­ren und die struk­tur­me­cha­ni­schen Eigen­schaf­ten anwen­dungs­ge­recht ein­zu­stel­len. Die dafür erar­bei­te­te durch­gän­gi­ge CAE-gestütz­te Pro­zess­ket­te soll zukünf­tig eine zügi­ge Ver­sor­gung von Pati­en­ten mit indi­vi­dua­li­sier­ten ortho­pä­di­schen Hilfs­mit­teln ermög­li­chen. Neben neu­ar­ti­gen Designs, einer schnel­len Umset­zung von Design-Anpas­sun­gen und einer auf Basis von 3D-Scans ver­bes­ser­ten Pass­form soll dadurch die Com­pli­an­ce der Pati­en­ten erhöht wer­den. Erwei­te­run­gen mit Robo­tik (3D-Druck im Raum) wer­den zukünf­tig zu einer noch grö­ße­ren Design­frei­heit mit ver­bes­ser­ter Faser­ab­la­ge ent­lang der Belas­tungs­rich­tun­gen führen.

För­der­hin­weis

Das IGF-Vor­ha­ben „19757 BR“ der For­schungs­ver­ei­ni­gung For­schungs­ku­ra­to­ri­um Tex­til e. V. wur­de über die Arbeits­ge­mein­schaft indus­tri­el­ler For­schungs­ver­ei­ni­gun­gen (AiF) im Rah­men des Pro­gramms zur För­de­rung der indus­tri­el­len Gemein­schafts­for­schung und ‑ent­wick­lung (IGF) vom Bun­des­mi­nis­te­ri­um für Wirt­schaft und Ener­gie auf­grund eines Beschlus­ses des Deut­schen Bun­des­ta­ges gefördert.

Für die Autoren:
Dus­tin Ahrendt, M. Sc.
Wis­sen­schaft­li­cher Mit­ar­bei­ter am Institut
für Tex­til­ma­schi­nen und Textile
Hoch­leis­tungs­werk­stoff­tech­nik (ITM)
Tech­ni­sche Uni­ver­si­tät Dresden
Hohe Stra­ße 6
01062 Dres­den
dustin.ahrendt@tu-dresden.de

Begut­ach­te­ter Beitrag/reviewed paper

Zita­ti­on
Ahrendt D, Krzy­win­ski S, Rome­ro Karam A. Ent­wick­lung eines CAE-gestütz­ten Pro­zes­ses zur Kom­bi­na­ti­on addi­ti­ver Fer­ti­gung mit Tex­ti­li­en für kun­den­in­di­vi­du­el­le ortho­pä­di­sche Hilfs­mit­tel. Ortho­pä­die Tech­nik, 2021; 72 (7): 22–29
Abkür­zun­gen und Fachbegriffe
Ara­mid: ISO-Gat­tungs­be­griff für Poly­ami­de, bei denen die Amid­grup­pen an aro­ma­ti­sche Grup­pen gebun­den sind
CAD: Com­pu­ter-Aided Design (dt. „rech­ner­ge­stütz­ter Entwurf“)
CAE: Com­pu­ter-Aided Engi­nee­ring (dt. „rech­ner­ge­stütz­te Entwicklung“)
DXF: Datei­for­mat zum CAD-Datenaustausch
FDM: Fused Depo­si­ti­on Mode­ling (3D-Druck­ver­fah­ren)
FEM: Fini­te-Ele­men­te-Metho­de (nume­ri­sches Ver­fah­ren, das bei­spiels­wei­se im Rah­men von Simu­la­tio­nen zur geziel­ten Struk­tur­ana­ly­se und ‑opti­mie­rung ein­ge­setzt wird) G‑Code ver­brei­te­te Pro­gram­mier­spra­che zur nume­ri­schen Steue­rung von Computern
IGES: Initi­al Gra­fics Exchan­ge Spe­ci­fi­ca­ti­on (neu­tra­les, her­stel­ler­un­ab­hän­gi­ges Datenformat)
Mesh: Der Begriff „Mesh“ bezieht sich in die­sem Arti­kel auf das Drei­eck­netz bzw. Git­ter­netz als Appro­xi­ma­ti­on kom­plex gekrümm­ter Ober­flä­chen zur Abwick­lung, also zur Über­füh­rung von 3D nach 2D.
MRR: Maschenreihenrichtung
MSR: Maschenstäbchenrichtung
NURBS: Non-Uni­form Ratio­nal B‑Splines (dt. „nicht-uni­for­me ratio­na­le B‑Splines“; mathe­ma­tisch defi­nier­te Kur­ven oder Flä­chen, die im Com­pu­ter­gra­fik­be­reich zur Model­lie­rung ver­wen­det werden)
OBJ: offe­nes Datei­for­mat zum Spei­chern drei­di­men­sio­na­ler geo­me­tri­scher Formen
Poly­gon­mo­dell: unter­ein­an­der mit Kan­ten ver­bun­de­ne Punk­te in der Computergrafik
Rever­se Engi­nee­ring: dt. „umge­kehr­te Ent­wick­lung“ (Vor­gang, bei dem aus einem fer­ti­gen Objekt ein Kon­struk­ti­ons­plan erstellt wird)
Schäl­p­rü­fung: Prü­fung zur Bestim­mung der Ver­bund­fes­tig­keit von Kle­be­ver­bin­dun­gen, zur Prü­fung der Lack­haf­tung auf ver­schie­de­nen Unter­grün­den sowie zur Prü­fung ande­rer Verbünde
Sli­cing-Soft­ware: Soft­ware, die in den meis­ten 3D-Druck­pro­zes­sen zur Umwand­lung eines 3D-Objekt­mo­dells in spe­zi­fi­sche Anwei­sun­gen für den Dru­cker ver­wen­det wird
STEP: Stan­dard for the Exchan­ge of Pro­duct Model Data (inter­na­tio­na­les Stan­dard-Datei­for­mat für den Aus­tausch von Pro­dukt­mo­dell-Daten, der im 3D-Bereich zur Beschrei­bung von Pro­dukt­da­ten zum Ein­satz kommt)
STL: For­mat zur Beschrei­bung der Ober­flä­che von 3D-Kör­pern mit Hil­fe von Dreiecksfacetten
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  1. Fas­ter­mann P. 3D-Dru­cken. Ber­lin, Hei­del­berg: Sprin­ger, 2014
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