Gene­ra­ti­ve Fer­ti­gungs­ver­fah­ren in der Orthopädie-Technik

J. Pröbsting, N. Günther
In der Orthopädie-Technik werden verschiedenste Arbeitstechniken und Materialien bei der Anfertigung von Hilfsmitteln genutzt. Auch altbewährte Materialien wie Leder und Stahl oder Faserverbundwerkstoffe und Leichtmetall-Legierungen kommen zum Einsatz. Je nach Materialauswahl ändern sich die Arbeitstechniken, und so gehören das Walken von Leder, die Bearbeitung von Metallen sowie die Kunststoffverarbeitung zum Arbeitsalltag des Orthopädie-Technikers. Eine weitere Möglichkeit, Hilfsmittel herzustellen, ist die CAD-basierte Konstruktion mit einer anschließenden generativen Fertigung wie dem Selektiven Laser-Sintern (SLS). Der Artikel erläutert einen möglichen Verfahrensweg und stellt verschiedene generativ gefertigte orthopädietechnische Hilfsmittel vor, die auf herkömmliche Art und Weise nur mit erheblich größerem Aufwand hätten gefertigt werden können.

Die gene­ra­ti­ve Fertigung

Mit­hil­fe der gene­ra­ti­ven Fer­ti­gung kön­nen digi­ta­le Kon­struk­ti­ons­da­ten direkt in fer­ti­ge Werk­stü­cke umge­setzt wer­den. Die gene­ra­ti­ve Fer­ti­gung unter­glie­dert sich in meh­re­re Ver­fah­ren, wel­che unter­schied­li­che Mate­ria­li­en ver­ar­bei­ten 1.

Ein Ver­fah­ren, wel­ches sich für die Hilfs­mit­tel­her­stel­lung eig­nen kann, ist das Selek­ti­ve Laser-Sin­tern (SLS) 2 mit dem weit­ver­brei­te­ten Mate­ri­al Poly­amid. Es kann pul­ver­för­mig her­ge­stellt wer­den, sodass es sich für das SLS eig­net. Hier­bei wer­den Pul­ver­schich­ten mit­tels eines Lasers mit­ein­an­der ver­schmol­zen. Die Fer­ti­gungs­ma­schi­nen unter­schei­den sich in der Grö­ße und erlau­ben durch diver­se Para­me­ter­ein­stel­lun­gen eine exak­te Regu­lie­rung von Laser­leis­tung und Schicht­stär­ke. Die­se kön­nen so mit einer Fer­ti­gungs­ge­nau­ig­keit von 0,1 mm Werk­stü­cke pro­du­zie­ren. Die Zug­fes­tig­keit des ver­schmol­ze­nen Poly­amids wird mit 45 bis 50 N/mm² ange­ge­ben 3. Die elfen­bein- bzw. anthra­zit­far­be­nen Werk­stü­cke wei­sen nach der Fer­ti­gung eine raue Ober­flä­che auf, kön­nen aber durch Sand­strah­len, Ein­fär­ben, Lackie­ren, Ver­chro­men etc. nach­be­ar­bei­tet wer­den 4.

In vie­len indus­tri­el­len und hand­werk­lich gepräg­ten Berei­chen wird das SLS-Fer­ti­gungs­ver­fah­ren in Kom­bi­na­ti­on mit der digi­ta­len Kon­struk­ti­on bereits erfolg­reich ein­ge­setzt, vor allem bei Ein­zel­stü­cken oder gerin­gen Auflagen.

Das SLS in der Hilfsmittelversorgung

Bereits 2004 prä­sen­tier­te M. C. Faus­ti­ni Pro­the­sen­schaft­kon­struk­tio­nen, die im SLS-Ver­fah­ren her­ge­stellt wur­den. Die Schäf­te wie­sen kon­struk­tiv gestal­te­te fle­xi­ble Area­le zur Druck­ent­las­tung auf 5. Ein Ver­gleich von Car­bon­fa­ser­fü­ßen und gesin­ter­ten Pro­the­sen­fü­ßen zeig­te, dass bei­de Fuß­pas­s­tei­le zunächst ein ähn­lich stei­fes Ver­hal­ten auf­wei­sen 6.

Auch eini­ge Design­stu­di­en haben sich mit der Gestal­tung von ortho­pä­die­tech­ni­schen Hilfs­mit­teln aus­ein­an­der­ge­setzt und die­se von der Per­spek­ti­ve des grund­sätz­lich Mach­ba­ren aus betrach­tet 7. Lang­zeit­stu­di­en über das Ver­hal­ten von im SLS-Ver­fah­ren her­ge­stell­ten rei­nen Poly­amid-Hilfs­mit­teln sind zur­zeit noch nicht veröffentlicht.

Das digi­ta­le Kon­stru­ie­ren in der Ortho­pä­die-Tech­nik erfor­dert neben einer CAD-tech­ni­schen Aus­rüs­tung ein wenig Übung und Geschick. Hier­bei dür­fen die ortho­pä­die­tech­ni­schen Anfor­de­run­gen nicht außer Acht gelas­sen wer­den. Dafür ist eine struk­tu­rier­te – in den Ver­sor­gungs­ab­lauf pas­sen­de – Vor­ge­hens­wei­se nötig. Die Über­tra­gung der am Pati­en­ten opti­mier­ten Pass­form und die Über­tra­gung der sta­ti­schen Aus­rich­tung des Hilfs­mit­tels in das Kon­struk­ti­ons­pro­gramm sind von gro­ßer Bedeu­tung und die­nen als Grund­la­ge für die digi­ta­le Konstruktion.

Ein­glie­de­rung des SLS in die Prozesskette

Aus den oben genann­ten Anfor­de­run­gen bei der Hilfs­mit­tel­an­fer­ti­gung ergibt sich eine sinn­vol­le Vor­ge­hens­wei­se für den Ein­satz des SLS-Fer­ti­gungs­ver­fah­rens in der Ortho­pä­die-Tech­nik. Die­se wird im Fol­gen­den am Bei­spiel der pro­the­ti­schen Hilfs­mit­tel­ver­sor­gung dar­ge­stellt (Abb. 1).

Als Refe­renz­ver­sor­gung kann die kon­ven­tio­nell gefer­tig­te All­tags- oder Inte­rims­ver­sor­gung die­nen (Abb. 1a). Die opti­mier­te Pass­form sowie der opti­mier­te Auf­bau wer­den digi­ta­li­siert, bear­bei­tet und ins Kon­struk­ti­ons­pro­gramm impor­tiert (Abb. 1b). Hier­bei hat es sich bewährt, die Pass­form über eine Abfor­mung des Hilfs­mit­tels zu gewin­nen 8. Gewünsch­te Modell­än­de­run­gen sowie fle­xi­ble Inlets kön­nen ent­we­der auf hand­werk­li­chem Weg her­ge­stellt oder im Kon­struk­ti­ons­pro­gramm selbst erstellt werden.

Anschlie­ßend wer­den bei­de Geo­me­trien rech­ner­ge­stützt und rea­li­täts­ge­treu zuein­an­der posi­tio­niert und einem Koor­di­na­ten­sys­tem zuge­wie­sen (Abb. 1c). Danach erfolgt die Aus­rich­tung die­ser Gesamt­geo­me­trie in ein am Pati­en­ten defi­nier­tes Koor­di­na­ten­sys­tem. Dadurch kön­nen Stel­lungs­kor­rek­tu­ren, falls nötig, durch­ge­führt wer­den. Für die Kon­struk­ti­on wich­ti­ge Ach­sen und Ebe­nen wer­den so auto­ma­ti­siert vom Kon­struk­ti­ons­pro­gramm gesetzt (Abb. 1d). Anhand die­ser Anhalts­punk­te wird dann die eigent­li­che digi­ta­le Hilfs­mit­tel­kon­struk­ti­on durch­ge­führt (Abb. 1e). Form­ge­stal­tun­gen, die sonst nur unter gro­ßem Auf­wand zu fer­ti­gen sind, kön­nen im Kon­struk­ti­ons­pro­gramm schnell und gleich­mä­ßig gesetzt wer­den (Abb. 2).

Abschlie­ßend wer­den die Daten in ein zu ver­ar­bei­ten­des For­mat umge­wan­delt. Danach erfolgt erst die eigent­li­che gene­ra­ti­ve Fer­ti­gung des Hilfs­mit­tels, wel­che bei diver­sen Druck­an­bie­tern erfol­gen kann. Für die Fer­ti­gung grö­ße­rer Tei­le soll­te man etwa fünf Werk­ta­ge einplanen.

Das SLS in der Orthopädie-Technik

Grund­sätz­lich besteht die Mög­lich­keit, durch digi­ta­le Bau­kas­ten­sys­te­me Funk­ti­ons­ele­men­te ohne gro­ßen Mehr­auf­wand in das Hilfs­mit­tel zu inte­grie­ren. Dabei wer­den vor­kon­stru­ier­te Bau­tei­le in die pati­en­ten­spe­zi­fi­sche Kon­struk­ti­on ein­ge­fügt (Abb. 3). Ver­schluss­me­cha­nis­men und Gelenk­struk­tu­ren kön­nen bis auf ver­schlei­ßen­de Klein­tei­le direkt imple­men­tiert wer­den. Benö­tig­te Ein­bau­tei­le wie zum Bei­spiel Ach­sen, Kugel­la­ger, Anschlags­dämp­fer, Hydrau­lik­ein­hei­ten oder ener­gie­rück­ge­ben­de Feder­ele­men­te wer­den bei der Kon­struk­ti­on berück­sich­tigt und spä­ter bei der End­mon­ta­ge eingesetzt.

Pro­the­sen und Pro­the­sen­schäf­te kön­nen mit die­ser neu­en Fer­ti­gungs­me­tho­de auf viel­fäl­ti­ge Wei­se gestal­tet wer­den. Fle­xi­ble Area­le oder gegen­ein­an­der ver­schieb­ba­re Schaft­wän­de sind pro­blem­los zu fer­ti­gen, sodass auf Volu­men­schwan­kun­gen, Druck­ent­las­tun­gen oder pro­ble­ma­ti­sches An- und Able­gen des Hilfs­mit­tels reagiert wer­den kann 9.

Die­ser Fer­ti­gungs­weg eig­net sich beson­ders für Pro­the­sen in Scha­len­bau­wei­se, sodass bei­spiels­wei­se Bade­pro­the­sen ohne gro­ßen Auf­wand her­ge­stellt wer­den kön­nen. Wie auch bei der kon­ven­tio­nel­len was­ser­fes­ten Pro­the­sen­ver­sor­gung kann hier­bei eben­falls der Pro­the­sen­fuß plan­t­ar­flek­tiert arre­tiert wer­den, um das Pad­deln mit Tau­cher­flos­sen zu ermög­li­chen (Abb. 4). Bei Knie-Ex- und Ober­schen­kel­pro­the­sen wird ein Knie­ge­lenk in ein­fa­cher und sta­bi­ler Aus­füh­rung direkt mit­ge­druckt (Abb. 5).

Gering­fü­gi­ge Stel­lungs­än­de­run­gen kön­nen auch nach der Fer­tig­stel­lung des Hilfs­mit­tels durch Aus­wech­seln von Klein­tei­len repro­du­zier­bar durch­ge­führt wer­den. Ein indi­vi­du­el­les, moder­nes Design kann dazu bei­tra­gen, die beim Baden immer sicht­ba­re Pro­the­se anspre­chen­der aus­se­hen zu las­sen. Durch den Ein­satz von Ober­flä­chen­scan­nern kann die äuße­re Form­ge­bung einer kom­plet­ten Pro­the­se oder von Kos­me­tik-Covern nach dem Abbild der erhal­te­nen Extre­mi­tät geschaf­fen wer­den (Abb. 6).

Auch in der Orthe­tik hat die gene­ra­ti­ve Fer­ti­gung Vor­tei­le 10 11. Neben den neu­en Gestal­tungs­mög­lich­kei­ten des Ober­flä­chen­de­signs, wel­ches auch hier durch­aus die Akzep­tanz des Hilfs­mit­tels stei­gert, kön­nen wirt­schaft­li­che Steck­sys­te­me für Orthe­sen her­ge­stellt wer­den, ohne auf die gewünsch­te indi­vi­du­el­le Pass­form ver­zich­ten zu müs­sen (Abb. 7). Die pati­en­ten­spe­zi­fi­schen Orthe­sen­scha­len wer­den indi­vi­du­ell nach Kör­per­ma­ßen oder anhand des Pati­en­ten­po­si­tivs her­ge­stellt. Vor­kon­fek­tio­nier­te Bau­tei­le wie Car­bon­fe­dern und Leicht­me­tall­ge­len­ke ver­bin­den dann die Scha­len zu einer kom­plet­ten Orthe­se. Häu­fig ist eine gewis­se Fle­xi­bi­li­tät der Orthe­se an den Laschen unab­ding­bar, wäh­rend ande­re Area­le steif gestal­tet sein soll­ten, um eine maxi­ma­le Füh­rung mit der Orthe­se zu gewähr­leis­ten. Die dar­aus resul­tie­ren­de Wand­stär­ken­dif­fe­renz und die Fle­xi­bi­li­tät von sehr dünn­wan­di­gen Area­len gepaart mit einer gesun­den Rück­sichts­lo­sig­keit von Kin­dern scheint zur­zeit eine gro­ße Her­aus­for­de­rung bei der Fer­ti­gung im SLS-Ver­fah­ren zu sein.

Qua­li­täts­si­che­rung

Zur eigent­li­chen Auf­ga­be der Hilfs­mit­tel­her­stel­lung kommt für einen Ein­satz im OT-Betrieb noch die Qua­li­täts­si­che­rung hin­zu. Eini­ge Druck­an­bie­ter sind im Bereich des Laser-Schmel­zens von Metal­len bereits nach der ISO-Norm 13485 zer­ti­fi­ziert. Im Bereich des Kunst­stoff­schmel­zens ist dies zur­zeit nur sel­ten der Fall.

Wei­ter­hin bestehen noch kei­ne ein­heit­li­chen Qua­li­täts­stan­dards und Begriffs­de­fi­ni­tio­nen im Bereich der gene­ra­ti­ven Fer­ti­gung 12. Somit muss das Ortho­pä­die-Tech­nik-Unter­neh­men selbst für die Qua­li­täts­kon­trol­le Sor­ge tragen.

Grund­le­gen­de Ansät­ze dafür sind eine gleich­blei­ben­de Sin­ter­qua­li­tät, auf die man als Ortho­pä­die-Tech­ni­ker nur bedingt Ein­fluss hat, sowie stan­dar­di­sier­te digi­ta­le Konstruktionen.

Sicher­heits­re­le­van­te und oft ver­wen­de­te Bau­tei­le kön­nen als Biblio­theks­tei­le abge­legt wer­den, wodurch sich die Durch­füh­rung der digi­ta­len Kon­struk­tio­nen gut auto­ma­ti­sie­ren lässt. Die­se Vor­ge­hens­wei­se ver­kürzt einer­seits die Kon­struk­ti­ons­zeit, ande­rer­seits wer­den sicher­heits­re­le­van­te Feh­ler­quel­len mini­miert. Kor­rekt durch­ge­führt, erhält man als Ergeb­nis eine gleich­blei­ben­de Wand­stär­ke in kri­ti­schen Berei­chen, abhän­gig von der Hilfs­mit­tel­an­for­de­rung und der Geo­me­trie. Die­se stan­dar­di­sier­ten Bau­tei­le kön­nen dann über­prüft werden.

Ers­te durch­ge­führ­te Tests in Koope­ra­ti­on mit dem Fraun­ho­fer-Insti­tut für die Über­prü­fung der Sta­bi­li­tät von Hilfs­mit­teln zeig­ten, dass sich das elas­ti­sche Ver­hal­ten von Bau­tei­len nicht nur von den Mate­ri­al­kenn­wer­ten ablei­ten lässt, son­dern auch, dass die Maschi­nen­ty­pen mit ihren Fer­ti­gungs­pa­ra­me­tern sowie die Plat­zie­rung im Bau­raum die Qua­li­tät beein­flus­sen kön­nen. Das erga­ben auch frü­he­re Stu­di­en 13.

Fazit

Die auf­ge­führ­ten Kon­struk­ti­ons­bei­spie­le und Vor­ge­hens­wei­sen zei­gen, dass der Ortho­pä­die-Tech­ni­ker durch die gene­ra­ti­ve Fer­ti­gung in der Lage ist, dem Anwen­der ein auf ihn zuge­schnit­te­nes Hilfs­mit­tel bereit­zu­stel­len und ihm somit einen zusätz­li­chen Funk­ti­ons­vor­teil zu ver­schaf­fen. Die der­zeit etwas höhe­ren rei­nen Her­stel­lungs­kos­ten im Ver­gleich zur kon­ven­tio­nel­len Fer­ti­gung wer­den damit gerecht­fer­tigt. Die Tech­nik der gene­ra­ti­ven Fer­ti­gung befin­det sich zur­zeit in einer rasan­ten Wei­ter­ent­wick­lung. Die Druck­vor­gän­ge wer­den zuver­läs­si­ger gestal­tet, und es wer­den immer neue Mate­ria­li­en ange­bo­ten, mit denen es in Zukunft mög­lich sein wird, kom­ple­xe­re Struk­tu­ren zu fer­ti­gen, die den Ansprü­chen der Hilfs­mit­tel­ver­sor­gung genü­gen. Doch auch jetzt schon ermög­licht die CAD-basier­te Hilfs­mit­tel­her­stel­lung dem Ortho­pä­die-Tech­ni­ker, schnell und ein­fach auf Kun­den­wün­sche zu reagie­ren und auf indi­vi­du­el­le Pro­blem­lö­sun­gen ein­zu­ge­hen, ohne Qua­li­täts­ver­lus­te gegen­über kon­ven­tio­nell gefer­tig­ten Hilfs­mit­teln in Kauf neh­men zu müssen.

Für die Autoren:
Dipl.-Ing. (FH) Johan­nes Pröbsting
Ilchin­ger Weg 1
85604 Zorne­ding
jnp@gottinger.de

Begut­ach­te­ter Artikel/reviewed paper

Zita­ti­on
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  2. Bre­u­n­in­ger J, Becker A, Wolf A, Rom­mel S, Verl A. Gene­ra­ti­ve Fer­ti­gung mit Kunst­stof­fen – Kon­zep­ti­on und Kon­struk­ti­on für Selek­ti­ves Laser­sin­tern. Ber­lin, Hei­del­berg: Sprin­ger Vie­w­eg, 2013
  3. EOS. Werk­stoff Daten­blatt. http://eos.materialdatacenter.com/eo/de (Zugriff am 16.10.2013)
  4. Macht MA. Ein Vor­ge­hens­mo­dell für den Ein­satz von Rapid Pro­to­typ­ing. Lehr­stuhl für Werk­zeug­ma­schi­nen und Fer­ti­gungs­tech­nik der Tech­ni­schen Uni­ver­si­tät Mün­chen: Dis­ser­ta­ti­on, 1999
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