Inte­gra­ti­on addi­ti­ver Fer­ti­gungs­ver­fah­ren (3D-Druck) in den ortho­pä­die­tech­ni­schen Versorgungsalltag

C. Kienzle, M. Schäfer
Die Versorgung mit orthopädischen Hilfsmitteln im additiven 3D-Druckverfahren eröffnet der Orthopädie-Technik neuartige Möglichkeiten, insbesondere in der dreidimensionalen Konstruktion und Bauteiloptimierung sowie in den nicht zu unterschätzenden anwenderbezogenen Produkteigenschaften bezüglich des Tragekomforts und des Hilfsmitteldesigns. Der zur konsequenten Umsetzung notwendige Aufbau einer digitalen Prozesskette in der Hilfsmittelproduktion erfordert im Vergleich zu den Abläufen des traditionellen Orthopädie-Techniker-Handwerks die Integration vollkommen neuartiger prozessualer Schritte. Nicht immer ist für den Anwender das additiv gefertigte Produkt besser als traditionelle Produktions- und Versorgungsmethoden. Insofern sollte für jedes Produkt eine Abwägung zwischen dem tatsächlichen Verbesserungspotenzial für den Anwender und einer Kosten-Nutzen-Relation im Vergleich zu herkömmlichen Versorgungs­methoden und Standards erfolgen. Im Blickfeld des bestmöglichen Anwendernutzens und der Versorgungsqualität soll der folgende Praxisbeitrag die neuen additiven Fertigungsverfahren sowie die Herausforderung der Implementierung einer digitalen Prozesskette in den Versorgungsalltag des orthopädietechnischen Handwerkes am Beispiel der Pohlig GmbH beschreiben.

Ein­lei­tung

Heut­zu­ta­ge hat man ja gar kei­ne Chan­ce – alles wird gedruckt, und natür­lich ist alles viel bes­ser, funk­tio­nel­ler, schnel­ler und bil­li­ger als in tra­di­tio­nel­len Pro­duk­ti­ons­ver­fah­ren. Ist das tat­säch­lich so? Die­se Fra­ge stell­te man sich in den ver­gan­ge­nen zehn Jah­ren immer wie­der. Damals ist man noch davon aus­ge­gan­gen, dass bin­nen einer Frist von fünf Jah­ren jeder Haus­halt einen eige­nen 3D-Dru­cker besitzt und man sich all­täg­li­che Gebrauchs­ge­gen­stän­de selbst aus­druckt. Nahe­zu zehn wei­te­re Jah­re, gespickt mit vie­len posi­ti­ven wie auch nega­ti­ven Erfah­run­gen und Fort­schrit­ten, zei­gen, dass man­che Dru­cker­her­stel­ler und Fabri­ka­te, die auf die­sen Trend gesetzt haben, zwi­schen­zeit­lich klein­laut vom Markt ver­schwun­den sind.

Es sind also ande­re Fak­to­ren, nicht zuletzt jene pro­zes­sua­ler Art, die mög­li­cher­wei­se den Erfolg und Miss­erfolg die­ser inno­va­ti­ven Pro­duk­ti­ons­me­tho­de bestim­men. Zu ver­lo­ckend erscheint die Mög­lich­keit, ein vir­tu­el­les Bau­teil direkt in die Rea­li­tät umzu­set­zen 1. Vor allem in der Her­stel­lung von Hilfs­mit­teln, also Medi­zin­pro­duk­ten, müs­sen einer­seits stren­ge regu­la­to­ri­sche Vor­ga­ben erfüllt wer­den – z. B. die Bio­kom­pa­ti­bi­li­tät der Mate­ria­li­en, die Dau­erge­brauchs­ei­gen­schaf­ten, Risi­ko­ana­ly­sen, Bruch­si­mu­la­tio­nen und gefor­der­te Funk­tio­na­li­tä­ten –, ande­rer­seits sind für den Anwen­der der funk­tio­na­le und the­ra­peu­ti­sche Nut­zen, das Design und der Tra­ge­kom­fort des Hilfs­mit­tels von ent­schei­den­der Bedeu­tung (Abb. 1).

Nur weil ein Pro­dukt gedruckt wird, ist es für einen Hilfs­mit­tel­an­wen­der nicht auto­ma­tisch das bes­se­re. Ganz im Gegen­teil – immer wie­der sind sowohl den Medi­en wie auch der Fach­welt Mel­dun­gen über Pro­duk­te zu ent­neh­men, z. B. drei­di­men­sio­nal gedruck­te Pro­the­sen­schäf­te, die es nicht annä­hernd mit dem Tra­ge­kom­fort und dem Nut­zungs­ver­hal­ten eta­blier­ter Ver­sor­gungs­va­ri­an­ten auf­neh­men kön­nen. Dabei fällt auf, dass neue addi­ti­ve Fer­ti­gungs­ver­fah­ren häu­fig dazu benutzt wer­den, alt­her­ge­brach­te Kon­struk­ti­ons­me­tho­den zu kopie­ren und bau­gleich im 3D-Druck­ver­fah­ren her­zu­stel­len. Dabei hat der 3D-Druck sei­ne Rei­ze nicht nur in der addi­ti­ven Pro­duk­ti­ons­me­tho­de, son­dern viel­mehr in den drei­di­men­sio­na­len Kon­struk­ti­ons­mög­lich­kei­ten der Pro­duk­te (Abb. 2). Er eig­net sich zur Pro­duk­ti­on kom­ple­xer Bau­tei­le und Struk­tu­ren und kann auf die­se Wei­se zu einer kon­struk­ti­ven Ver­bes­se­rung in der Her­stel­lung ortho­pä­die­tech­ni­scher Hilfs­mit­tel bei­tra­gen 2.

Ortho­pä­die­tech­ni­sche Hilfs­mit­tel von Grund auf neu zu über­den­ken, neu zu gestal­ten und vor allem mit neu­en nutz­brin­gen­den Eigen­schaf­ten für den Anwen­der zu ver­se­hen, stellt in die­sem Kon­text eine gro­ße Her­aus­for­de­rung dar 3 4. Zunächst muss­ten daher gän­gi­ge addi­ti­ve Druck­ver­fah­ren geprüft und für die Her­stel­lung von Hilfs­mit­teln vali­diert wer­den 5 6 7 8 9 10.

Aus­wahl von 3D-Druck-Fertigungsverfahren

Der Begriff „3D-Druck“ wird häu­fig in unter­schied­li­chen Zusam­men­hän­gen ver­wen­det. Ganz kon­kret stand er zunächst für ver­schie­de­ne Rapid-Pro­to­typ­ing-Tech­no­lo­gien 11. Dabei han­delt es sich um Ver­fah­ren zur Her­stel­lung drei­di­men­sio­na­ler Objek­te durch das Auf­ein­an­der­schich­ten eines bestimm­ten Mate­ri­als. Grund­sätz­lich unter­schei­det man im 3D-Druck­ver­fah­ren zwi­schen metal­li­schen und nicht­me­tal­li­schen Mate­ria­li­en. Drei­di­men­sio­na­le Bau­tei­le kön­nen Schicht für Schicht im addi­ti­ven Ver­fah­ren auf der Basis von Daten­sät­zen und mit Hil­fe eines CAD-Pro­gramms erzeugt wer­den. Das 3D-Print­ver­fah­ren kommt zuneh­mend zum Ein­satz, wenn kom­ple­xe Bau­tei­le in klei­nen Los­grö­ßen gefor­dert sind. Über den Pro­to­ty­pen­bau hin­aus kön­nen die­se Pro­duk­ti­ons­me­tho­den zwi­schen­zeit­lich in den unter­schied­lichs­ten Anwen­dungs­be­rei­chen zu qua­li­ta­tiv hoch­wer­ti­gen End­pro­duk­ten füh­ren. Durch diver­se Nach­be­hand­lun­gen las­sen sich dann Fes­tig­keit, Hit­ze­be­stän­dig­keit und auch Optik nach­träg­lich verändern.

Nach ver­schie­de­nen Tests zur Über­prü­fung der Druck­qua­li­tät, der mecha­ni­schen Belast­bar­kei­ten, der Bau­teil­ge­nau­ig­keit sowie der gefor­der­ten Gestal­tungs­op­tio­nen kom­men aus Sicht der Ver­fas­ser und ihrer Erfah­run­gen aus den letz­ten Jah­ren aktu­ell vier addi­ti­ve Ver­fah­ren für die Her­stel­lung ortho­pä­die­tech­ni­scher Hilfs­mit­tel in die enge­re Auswahl:

Fused Depo­si­ti­on Model­ling (FDM)

Im FDM-Ver­fah­ren wird zunächst ein dün­ner Kunst­stoff­draht (z. B. PLA, PC oder ABS) geschmol­zen und durch eine Düse an den gewünsch­ten Stel­len schicht­wei­se auf­ge­tra­gen. Anschlie­ßend här­tet das Mate­ri­al aus. Sowohl mit als auch ohne Stütz­ma­te­ri­al kön­nen auf die­se Wei­se kom­ple­xe Kunst­stoff­mo­del­le gefer­tigt wer­den. Die FDM-Tech­nik eig­net sich her­vor­ra­gend für das Pro­to­typ­ing und für die Erstel­lung von Bau­tei­len zur Erpro­bung von Pass­for­men und 3D-Kon­struk­tio­nen. Aller­dings schei­det die Her­stel­lung defi­ni­ti­ver Hilfs­mit­tel unse­res Erach­tens auf­grund der mecha­ni­schen Min­der­wer­tig­keit sowie der ril­len­ar­ti­gen Ober­flä­chen­be­schaf­fen­heit aus.

Con­ti­nuous Liquid Inter­face Pro­duc­tion (CLIP)

Das CLIP-Ver­fah­ren ist ein patent­ge­schütz­tes harz­ba­sier­tes Pho­to­po­ly­me­ri­sa­ti­ons-Ver­fah­ren, das durch UV-Licht und Sauer­stoff gesteu­ert wird. Im Ver­gleich zu den ande­ren hier auf­ge­führ­ten 3D-Druck­ver­fah­ren weist es kei­nen sicht­ba­ren Schicht­auf­bau auf und ist im Pro­duk­ti­ons­pro­zess deut­lich schnel­ler. Auf­grund der aktu­ell erhält­li­chen Bau­raum­grö­ßen sind jedoch die Pro­dukt­for­men und die Bau­grö­ßen limi­tiert. Als Mate­ria­li­en kom­men SIL, RPU, FPU, EPU, UMA, EPX und CE zum Einsatz.

Mul­ti Jet Fusi­on (MJF)

Durch schicht­wei­ses Auf­tra­gen von Pul­ver und ther­misch lei­ten­der Tin­te sowie durch die Bestrah­lung mit UV-­Lam­pen wird ein prä­zi­ser homo­ge­ner Ver­bund mit einer leicht rau­en, aber prä­zi­sen Ober­flä­che her­ge­stellt. Zum Zeit­punkt der Druck­le­gung des Arti­kels bestan­den im Kunst­stoff­be­reich haupt­säch­lich Erfah­run­gen mit PA12, und es waren nur dunk­le Tin­ten ver­füg­bar. Des­halb bekommt das End­pro­dukt im güns­tigs­ten Fall eine graue Far­be, wes­halb es in der Farb­aus­wahl für die übli­chen Fär­be­pro­zes­se limi­tiert ist. Als Mate­ri­al kommt aktu­ell PA12 zum Einsatz.

Selek­ti­ves Laser­sin­tern (SLS)

Beim SLS fin­det ein schicht­wei­ser Pul­ver­auf­bau statt, bei dem die zu erzeu­gen­den 3D-For­men durch ein Hoch­tem­pe­ra­tur­ver­fah­ren mit einem Laser­sys­tem zu einem homo­ge­nen Ver­bund ver­schmol­zen wer­den. In Bezug auf die Mate­ri­al­me­cha­nik, die Ver­bund­qua­li­tät sowie die farb­li­chen Gestal­tungs­op­tio­nen ist die­ses Fer­ti­gungs­ver­fah­ren für die Her­stel­lung von Hilfs­mit­teln prä­de­sti­niert. Gän­gi­ge Mate­ria­li­en sind PA11, PA12, PA12CF, TPU und Metalle.

Neben dem noch jun­gen MJF-Ver­fah­ren kann ins­be­son­de­re das lang­jäh­rig eta­blier­te und bewähr­te SLS-Ver­fah­ren als geeig­net ange­se­hen wer­den, um tech­ni­sche End­bau­tei­le aus Kunst­stof­fen wie PA11 und PA12 her­zu­stel­len 12 13 14 15 16. Es ermög­licht eine Viel­falt an Desi­gn­op­tio­nen, lie­fert mecha­nisch hoch­wer­ti­ge 3D-Dru­cke in hoher Prä­zi­si­on und ermög­licht bereits heu­te die erfolg­rei­che Rea­li­sa­ti­on ver­schie­dens­ter ortho­pä­die­tech­ni­scher End­pro­duk­te aus Pro­the­tik 17 18 19 20 und Orthe­tik 21 22 23 24 25. Beson­ders geeig­net waren für den Ver­sor­gungs­start indi­vi­du­el­le orthe­ti­sche Hilfs­mit­tel für die obe­re Extre­mi­tät (Abb. 3). Deut­li­che Limits bestehen heu­te immer noch in der Gestal­tung elas­ti­scher Füh­rungs- und Bet­tungs­zo­nen sowie in der Her­stel­lung volu­men­tra­gen­der Hohl­räu­me wie Pro­the­sen­schäf­te. Zwar ist der 3D-Druck von Sili­ko­nen und Poly­ure­tha­nen auch heu­te schon qua­li­ta­tiv mög­lich, jedoch bie­tet er bei Wei­tem nicht die Viel­falt im Ein­satz und die Wirt­schaft­lich­keit wie die tra­di­tio­nel­len Her­stel­lungs­me­tho­den der Tech­ni­schen Ortho­pä­die 26.

Eben­so müs­sen sich die gewichts­tra­gen­den Kon­struk­tio­nen gelenk­ge­führ­ter Orthe­sen gegen leich­te und deut­lich sta­bi­le­re Faser­ver­bund­werk­stof­fe durch­set­zen. Dies muss vor allem auch vor dem Hin­ter­grund einer Kos­ten-Nut­zen-Ana­ly­se erfol­gen. Die Ver­sor­gungs­pra­xis zeigt, dass sich der von vie­len Sei­ten als kos­ten­güns­ti­ge­re Her­stel­lungs­me­tho­de 27 ange­prie­se­ne 3D-Druck in der indi­vi­du­el­len Hilfs­mit­tel­ver­sor­gung – also in der Her­stel­lung indi­ka­ti­ons­ori­en­tier­ter Uni­ka­te für den jewei­li­gen Pati­en­ten – unter Betrach­tung aller Pro­zess­stu­fen nicht immer als die kos­ten­güns­ti­ge­re Alter­na­ti­ve dar­stellt. Die 3D-Druck-Anla­gen bewe­gen sich nach wie vor auf einem hohen Kos­ten­ni­veau, sodass eini­ge Fach­be­trie­be dazu über­ge­gan­gen sind, die Dienst­leis­tung des SLS-Dru­ckes an exter­ne Dienst­leis­ter aus­zu­la­gern 28 29 30. Dabei muss jedoch berück­sich­tigt wer­den, dass die Ser­vice­fer­ti­gung indi­vi­du­el­ler Hilfs­mit­tel – also nicht die von Zusät­zen wie Pro­tek­to­ren für Hilfs­mit­tel – in der digi­ta­len Pro­zess­ket­te ledig­lich ein bis zwei Schrit­te umfasst und dass die ortho­pä­die­tech­ni­sche Ver­ant­wor­tung für die Form­er­fas­sung, das Lay­out sowie für die Risi­ko­ana­ly­se des End­pro­dukts nach wie vor in den Hän­den des Ortho­pä­die-Tech­ni­kers liegt.

Daher soll­te es für die auf indi­vi­du­el­le Pati­en­ten bezo­ge­ne Hilfs­mit­tel­ver­sor­gung als obli­gat betrach­tet wer­den, der Aus­wahl eines Hilfs­mit­tels, das im 3D-Druck­ver­fah­ren her­ge­stellt wur­de, stets die Eva­lua­ti­on und die Aus­tes­tung im Rah­men einer Risi­ko­ana­ly­se (sie­he unten: CAD-Kon­struk­ti­on des Hilfs­mit­tel­de­signs) sowie eine Abwä­gung der Kos­ten-Nut­zen-Rela­ti­on voranzustellen.

Digi­ta­le Pro­zess­ket­te in der OT-Werkstatt

Die Digi­ta­li­sie­rung macht vor den ortho­pä­die­tech­ni­schen Werk­stät­ten kei­nen Halt, und so wird es für das Fach zuneh­mend wich­ti­ger, genau her­aus­zu­stel­len, bei wel­chen moder­nen Pro­duk­ti­ons­me­tho­den und Anwen­dun­gen die Digi­ta­li­sie­rung ein tra­di­tio­nel­les Hand­werk wie die Ortho­pä­die-Tech­nik berei­chern kann – und wo nicht.

Dif­fe­ren­ziert wer­den muss zwi­schen der Her­stel­lung eines indi­vi­du­el­len Hilfs­mit­tels (Abb. 2) und der Pro­duk­ti­on funk­tio­nel­ler Zusät­ze (Abb. 4), die zur Pro­tek­ti­on und ggf. zur Desi­gn­op­ti­mie­rung von Hilfs­mit­teln die­nen und die damit nicht im unmit­tel­ba­ren Kon­text der Indi­ka­ti­ons­stel­lung eines Hilfs­mit­tels ste­hen. Kri­tisch soll­te zunächst vor allem die Imple­men­tie­rung digi­ta­ler Pro­zes­se in die Indi­vi­du­al­ver­sor­gung betrach­tet wer­den, da dies spür­bar dis­rup­ti­ve Anfor­de­run­gen an die Umset­zung in einer OT-Werk­statt stellt. Bis auf weni­ge Aus­nah­men wer­den tra­di­tio­nel­le Her­stel­lungs­ver­fah­ren – z. B. Gips­ab­druck, Model­lie­rung mit Gips sowie eine Viel­zahl ande­rer hand­werk­li­cher Her­stel­lungs­pro­zes­se – durch digi­ta­le Form­er­fas­sungs- und Fer­ti­gungs­ver­fah­ren ersetzt. Die digi­ta­le Pro­zess­ket­te ver­än­dert die Abläu­fe der indi­vi­du­el­len Hilfs­mit­tel­her­stel­lung in der OT-Werk­statt von Grund auf. Ledig­lich die klas­si­schen Anpro­be­pro­zes­se am Pati­en­ten blei­ben noch in ähn­li­cher Wei­se bestehen.

Der Anwen­der hin­ge­gen kann von eini­gen neu­en Pro­zes­sen im Rah­men der Hilfs­mit­tel­ver­sor­gung deut­lich pro­fi­tie­ren, z. B. von der gips­lo­sen Form­er­fas­sung, den Rekon­struk­ti­ons­mög­lich­kei­ten sowie der Kor­rek­tur­si­mu­la­ti­on. Im Fol­gen­den wer­den die ein­zel­nen Stu­fen einer bereits imple­men­tier­ten digi­ta­len Pro­zess­ket­te dar­ge­stellt (Abb. 5):

Digi­ta­le Form­er­fas­sung in der OT

Die digi­ta­le Form­er­fas­sung des mensch­li­chen Kör­pers erfolgt in der Regel durch ein Scan­sys­tem. Bewährt haben sich hier­bei Struk­tur­licht-3D-Scan­sys­te­me, die mit einer 3D-Punkt­ge­nau­ig­keit von bis zu 0,1 mm zuver­läs­si­ge qua­li­ta­ti­ve Scans vom mensch­li­chen Kör­per lie­fern 31. Im Unter­schied zu laser­ba­sier­ten Scan­sys­te­men ver­zei­hen die Struk­tur­licht­scan­ner leich­te Posi­ti­ons­ver­än­de­run­gen und Schwan­kungs­brei­ten wäh­rend des Scans. Erzeugt wird ein Kör­per­scan­mo­dell im STL-For­mat (Stan­dard Tri­an­gu­la­ti­on Lan­guage). Bereits früh zeig­te sich jedoch, dass eine aus­schließ­lich berüh­rungs­lo­se Form­er­fas­sung des mensch­li­chen Kör­pers kei­ne zufrie­den­stel­len­den Ergeb­nis­se im initia­len Pro­zess der ortho­pä­die­tech­ni­schen Hilfs­mit­tel­her­stel­lung liefert.

Auch Gips­ab­drü­cke wer­den in end­kor­ri­gier­ten Posi­tio­nen ange­fer­tigt. Sie haben aller­dings den Nach­teil, dass die­se Posi­tio­nen in den wenigs­ten Fäl­len zum Zeit­punkt des Gips­ab­dru­ckes funk­tio­nal erprobt wer­den kön­nen. Aus die­sem Grund hat man im Hau­se der Ver­fas­ser alles unter­nom­men, die­ses Defi­zit zu behe­ben, um die Qua­li­tät der ortho­pä­disch ange­streb­ten und meist kor­ri­gier­ten End­po­si­ti­on bereits zum Zeit­punkt der Form­er­fas­sung zu verbessern.

Als Resul­tat konn­te man eine Neu­ent­wick­lung namens Sim­brace® zur Patent­rei­fe füh­ren. Dabei han­delt es sich um ein Simu­la­ti­ons­ab­druck­ge­rät, das durch die Anbrin­gung unter­schied­li­cher Kor­rek­tur­pe­lot­ten die Kor­rek­tur am mensch­li­chen Kör­per vor dem Kör­per­scan simu­liert (Abb. 6). Unter ortho­pä­die­tech­ni­scher Auf­sicht hat der Anwen­der wäh­rend die­ses Vor­gangs die Mög­lich­keit, die Kor­rek­tur­po­si­ti­on des spä­te­ren Hilfs­mit­tels bereits vor dem Scan funk­tio­nell aus­zu­tes­ten. Dabei kann zum einen eva­lu­iert wer­den, wie viel Kor­rek­tur der Pati­ent tole­riert, zum ande­ren kann bereits vor der Form­er­fas­sung über­prüft wer­den, ob der Pati­ent in einer defi­nier­ten Kor­rek­tur tat­säch­lich ein ver­bes­ser­tes funk­tio­nel­les Out­co­me zeigt. Das ist neu und eine wesent­li­che Ver­bes­se­rung im Ver­gleich zu den tra­di­tio­nel­len Pro­zes­sen der Hilfs­mit­tel­ver­sor­gung. Sowohl im Bereich der Rumpf- als auch der Extre­mi­tä­ten­ort­he­tik kann durch die­se Vor­ab­si­mu­la­ti­on eine deut­li­che Ver­bes­se­rung der Ergeb­nis­qua­li­tät erzielt werden.

Digi­ta­le Modellierung

Nach der digi­ta­len Form­er­fas­sung wird der gescann­te Kör­per­teil einer maß­tech­ni­schen Kon­trol­le und Ober­flä­chen­be­ar­bei­tung unter­zo­gen. Im Anschluss wird das Modell in die Model­lier-Soft­ware der Ortho­pä­die-Tech­nik ein­ge­le­sen. Je nach Pro­dukt­art wur­den ver­schie­de­ne Work­flows mit dazu­ge­hö­ri­gen Tem­pla­tes (spe­zi­fi­schen Form­scha­blo­nen) erstellt, die über dem vir­tu­el­len Kör­per­mo­dell ange­ord­net wer­den kön­nen. Die His­to­ri­en der Model­lie­rung erfol­gen in Anleh­nung an die ortho­pä­di­schen Wirk­prin­zi­pi­en und in den meis­ten Fäl­len ana­log zur bekann­ten Gips­mo­del­lie­rung (Abb. 7). Der ent­schei­den­de Vor­teil gegen­über der tra­di­tio­nel­len Gips­mo­del­lier­tech­nik besteht dar­in, dass man in jeder Arbeits­pha­se auf das Grund­mo­dell zurück­grei­fen und so jeg­li­che Ände­run­gen sehr gut nach­voll­zie­hen bzw. rück­gän­gig machen kann. Nach der Model­lie­rung wird die Modell­da­tei abge­spei­chert und zur wei­te­ren Bear­bei­tung in die CAD-Kon­struk­ti­ons-Soft­ware transferiert.

CAD-Kon­struk­ti­on des Hilfsmitteldesigns

Com­pu­ter Aided Design (CAD) spielt bei den drei­di­men­sio­nal gedruck­ten Pro­duk­ten eine gro­ße Rol­le. Die Ortho­pä­die-Tech­nik hat in der Kon­struk­ti­on bis­her einen star­ken Fokus auf die Werk­stoff­ei­gen­schaf­ten gelegt. Das ver­än­dert sich natür­lich auch nicht bei der Aus­wahl der 3D-Druck-Mate­ria­li­en. Muss­te in tra­di­tio­nel­len Werk­stoff­kom­bi­na-tio­nen mit Leder, Metal­len, Ther­mo­plas­ten und Faser­ver­bund­werk­stof­fen ein Hilfs­mit­tel sta­bi­ler kon­stru­iert wer­den, wur­de in der Regel der Quer­schnitt erhöht. Kom­ple­xe drei­di­men­sio­na­le Kon­struktionen lie­ßen sich dabei jedoch kaum rea­li­sie­ren. Durch die Mög­lich­kei­ten der CAD-Kon­struk­ti­on kön­nen sowohl die tra­di­tio­nel­len Kon­struk­ti­ons­über­le­gun­gen ein­flie­ßen – z. B. die Fest­le­gung der auf­tre­ten­den Kräf­te­ver­hält­nis­se unter Berück­sich­ti­gung des kor­ri­gie­ren­den 3‑Punkt-Kon­struk­ti­ons­prin­zips (Abb. 8) – als auch die Inte­gra­ti­on der funk­tio­na­len 3D-Struk­tur­ele­men­te erfol­gen. Auf die­se Wei­se kann die Hilfs­mit­tel­kon­struk­ti­on auf eine deut­lich kom­ple­xe­re Kon­struk­ti­ons­ebe­ne ange­ho­ben wer­den 32 33 34 35 36. Wer­den die­se Mög­lich­kei­ten genutzt, kann dies nicht nur zu einer deut­li­chen Ver­bes­se­rung der Gebrauchs­ei­gen­schaf­ten des Hilfs­mit­tels füh­ren (z. B. Atmungs­ak­ti­vi­tät sowie Erwei­te­rung der Frei­räu­me durch Mini­mie­rung der Kon­struk­ti­on oder Reduk­ti­on des Hilfs­mit­tel­ge­wich­tes), son­dern dar­über ver­mit­telt auch zu einer ver­bes­ser­ten Akzeptanz.

Die Fach­leu­te in der 3D-Kon­struk­ti­on bedie­nen sich bei der Erstel­lung des indi­vi­du­el­len Hilfs­mit­tels moderns­ter Metho­den zur Über­prü­fung der Hilfs­mit­tel­kon­struk­ti­on. Bereits im Vor­feld müs­sen hier­zu Ziel­wer­te defi­niert und ent­spre­chen­de Kon­struk­ti­ons­va­ri­an­ten getes­tet wer­den. Die zykli­sche Aus­tes­tung von Dau­erge­brauchs­ei­gen­schaf­ten sowie die Durch­füh­rung maxi­ma­ler Belas­tungs­tests (Abb. 9), die bis zu einem Bau­teil­bruch füh­ren, sind dabei eben­so not­wen­dig wie die Erpro­bung von Test­kör­pern, die spä­te­re Über­prü­fun­gen im Rah­men der Pro­duk­ti­on ermög­li­chen. Die ermit­tel­ten Norm-Belas­tungs­wer­te flie­ßen neben den Pro­por­tio­nen als Kenn­grö­ßen in eine Struk­tur­si­mu­la­ti­on ein, die im Rah­men der Fini­te-Ele­men­te-Metho­de (FEM) auf das jeweils kon­stru­ier­te Hilfs­mit­tel ange­wandt wird (Abb. 10).

Addi­ti­ver Herstellungsprozess

Die Her­stel­lung des indi­vi­du­el­len Hilfs­mit­tels erfolgt beim 3D-Druck durch den Ein­satz einer Druck­an­la­ge zum Selek­ti­ven Laser­sin­tern (SLS) (Abb. 11). Dabei wird das pul­ver­för­mi­ge Grund­ma­te­ri­al durch schicht­wei­ses Auf­tra­gen auf eine Bau­platt­form unter den hohen Tem­pe­ra­tu­ren eines CO2-Lasers zu einem homo­ge­nen Ver­bund ver­schmol­zen. Ent­schei­dend für den Ein­satz die­ses Druck­sys­tems sind die gleich­blei­bend hohe Druck­qua­li­tät, die Homo­ge­ni­tät des Mate­ri­al­ver­bun­des, die mecha­ni­sche Belast­bar­keit sowie die neu­tra­le Far­be des Printproduktes.

Auf­grund der Dau­er­be­las­tun­gen eines ortho­pä­die­tech­ni­schen End­pro­duk­tes eig­nen sich Poly­ami­de in den Qua­li­tä­ten PA11, PA12 und TPAs in beson­de­rem Maße zur Her­stel­lung rigi­der und semi­ri­gi­der Bau­tei­le in der Hilfs­mit­tel­ver­sor­gung. Fak­to­ren, die die Druck­qua­li­tät beein­flus­sen, sind in der Qua­li­tät des STL-Files, der Lage des Objek­tes im Bau­raum, der Qua­li­tät des Druck­pul­vers sowie den räum­lich-kon­ti­nu­ier­li­chen Bedin­gun­gen des Dru­cker­plat­zes zu finden.

Als End­re­sul­tat eines erfolg­rei­chen Druck­vor­gan­ges im SLS-Ver­fah­ren steht ein Hilfs­mit­tel­roh­ling aus dem gewähl­ten Druck­ma­te­ri­al (Abb. 12), der nach dem Ent­pa­cken und Säu­bern einer ers­ten Anpro­be durch den Ortho­pä­die-­Tech­ni­ker zuge­führt wer­den kann.

Anpro­be der Hilfsmittelversorgung

Die Anpro­be des 3D-Prin­troh­lings erfolgt durch den Ortho­pä­die-Tech­ni­ker. Über­prüft wer­den zunächst die Pass­form und die the­ra­peu­tisch-mecha­ni­sche Funk­ti­on des Hilfs­mit­tels. Ände­run­gen kön­nen durch spe­zi­fi­sches Erwär­men und Nach­ver­for­mun­gen in gering­fü­gi­gem Aus­maß erfol­gen. Klas­si­sche Heiß­luft­ge­blä­se sind für die­sen Vor­gang unge­eig­net, da durch unspe­zi­fi­zier­te Erwär­mung die Gefahr der Zer­stö­rung des Mate­ri­al­ver­bun­des besteht. Pass­form und Volu­men kön­nen durch die Inte­gra­ti­on elas­ti­scher Pads beein­flusst wer­den (Abb. 13).

Wur­de im Vor­feld bei der digi­ta­len Form­er­fas­sung das Kor­rek­tur­er­geb­nis am Kör­per gewis­sen­haft simu­liert und erprobt (sie­he oben: Digi­ta­le Form­er­fas­sung in der OT), sind die not­wen­di­gen Modi­fi­ka­tio­nen in der Regel aus­rei­chend. Gegen indi­ka­ti­ons­be­ding­te Stel­lungs- und Volu­men­än­de­run­gen des Kör­pers sind jedoch auch die digi­ta­len Pro­zes­se macht­los. In die­sen Fäl­len ist ein erneu­ter 3D-Druck des Hilfs­mit­tels unaus­weich­lich. Das Hilfs­mit­tel soll­te vor der Fer­tig­stel­lung stets einer dau­er­haf­ten Tra­ge- und Erpro­bungs­pha­se unter­zo­gen wor­den sein.

Farb­ge­bung und Fer­tig­stel­lung des Hilfsmittels

Nach erfolg­rei­cher Durch­füh­rung der Anpro­be wird zunächst die Ober­flä­che des 3D-Druck­roh­lings end­be­ar­bei­tet, ver­dich­tet und ver­edelt (Abb. 14). Dies ist sowohl als Vor­aus­set­zung für die Durch­füh­rung eines homo­ge­nen Fär­be­pro­zes­ses als auch zur Ver­bes­se­rung der Schmutz­re­sis­tenz und der Ober­flä­chenhap­tik ange­zeigt. Im Anschluss wird der Fär­be­pro­zess gestar­tet. Das Auf­tra­gen einer ca. 0,2 mm dicken Fär­be­schicht dient neben der Farb­ge­bung des Hilfs­mit­tels auch der UV-Resis­tenz der Ober­flä­che sowie der Lang­le­big­keit. Im Rah­men der Fer­tig­stel­lung kön­nen druck­ent­las­ten­de Gel­pads an Druck­be­las­tungs­zo­nen ange­bracht sowie etwai­ge Ver­schluss­me­cha­nis­men befes­tigt werden.

Ers­te Ergebnisse

Der 3D-Druck wur­de im Hau­se der Ver­fas­ser zunächst durch Design­stu­di­en in den groß­or­tho­pä­di­schen Ver­sor­gungs­be­rei­chen der Orthe­tik der obe­ren und unte­ren Extre­mi­tä­ten sowie in der Arm- und Bein­pro­the­tik (Abb. 15) erprobt. Ein ers­ter Work­flow konn­te für die Ver­sor­gung mit spi­ral­för­mig ange­ord­ne­ten Unter­arm-Printorthe­sen® erfolg­reich umge­setzt werden.

Zum Ver­gleich mit der tra­di­tio­nel­len Fer­ti­gungs­me­tho­de wur­den Pati­en­ten im Rah­men einer Test­rei­he sowohl mit klas­si­schen Unter­arm-Hand-Orthe­sen in kon­ven­tio­nel­ler PE-Tech­nik als auch mit den neu­ar­ti­gen Orthe­sen in 3D-Print­tech­nik ver­sorgt. Die kon­ven­tio­nel­le Orthe­se wur­de in bekann­ter Fer­ti­gungs­tech­nik mit ther­mo­plas­ti­schem Kunst­stoff erzeugt – vom Gips­ab­druck über das Tief­zie­hen bis hin zur Anpro­be der Poly­ethy­len-Orthe­se. Die neu­en 3D-Printorthe­sen wur­den in der Arbeits­me­tho­dik kom­plett digi­tal beschrie­ben – vom simu­lier­ten Scan über die digi­ta­le Model­lie­rung und Kon­struk­ti­on bis hin zur Fer­ti­gung der Orthe­se unter Anwen­dung eines addi­ti­ven Fer­ti­gungs­ver­fah­rens. Die Anpro­be der Orthe­se erfolg­te in gewohn­ter Wei­se und ana­log zur Orthe­se in kon­ser­va­ti­ver Herstellungstechnik.

Die ver­sorg­ten Pati­en­ten wur­den nach einer jewei­li­gen Tra­ge­zeit von ca. sechs Wochen mit einem erwei­ter­ten DASH/ OPUS/Cheq-Index-Fra­ge­bo­gen befragt. Anschlie­ßend wur­den die doku­men­tier­ten Daten in Bezug auf die bei­den Orthe­sen­ty­pen ver­glei­chend beschrie­ben und analysiert.

Eine ers­te Gegen­über­stel­lung zeigt: Die Pati­en­ten mit den Printorthe­sen set­zen die betrof­fe­ne Hand häu­fi­ger bei bima­nu­el­len Tätig­kei­ten ein, berich­ten über eine ver­bes­ser­te tak­ti­le Wahr­neh­mung bei erhöh­tem Tra­ge­kom­fort, schwit­zen deut­lich weni­ger und emp­fin­den die Rah­men­be­din­gun­gen der Mit­ge­stal­tung (Farb- und Desi­gnaus­wahl) sowie das Her­stel­lungs­pro­ze­de­re (Scan­tech­nik) als deut­lich ver­bes­sert. Als Nach­tei­le konn­ten die schwie­ri­ge­re Nach­pass­bar­keit bei ver­än­der­ten Situa­tio­nen sowie das län­ge­re Her­stel­lungs­pro­ze­de­re her­aus­ge­stellt werden.

Fazit

Die Ergeb­nis­se zei­gen, dass die 3D-Print­tech­nik am Anfang einer Ent­wick­lung steht, die das Ver­sor­gungs­spek­trum der Tech­ni­schen Ortho­pä­die in vie­len Berei­chen erwei­tern wird. Die Erwar­tun­gen der Pati­en­ten an das Design des Hilfs­mit­tels, aber auch an den Tra­ge­kom­fort sind nicht zu unter­schät­zen; eine best­mög­li­che Pass­ge­nau­ig­keit und Funk­tio­na­li­tät des Hilfs­mit­tels wird ohne­hin als selbst­ver­ständ­lich vor­aus­ge­setzt. Die Mög­lich­keit der funk­tio­nel­len Kor­rek­tur­si­mu­la­ti­on im Vor­feld bei der Form­er­fas­sung stellt aus Sicht der Autoren eine signi­fi­kan­te Ver­bes­se­rung gegen­über den tra­di­tio­nel­len Mög­lich­kei­ten der Form­er­fas­sung dar. Dar­über hin­aus bie­tet die Print­tech­nik wert­vol­le Gestal­tungs­mög­lich­kei­ten, die den tra­di­tio­nel­len hand­werk­li­chen Fer­ti­gungs­me­tho­den der Ortho­pä­die-Tech­nik über­le­gen sind. Die Erfah­run­gen zei­gen, dass das dar­aus resul­tie­ren­de neu­ar­ti­ge Funk­ti­ons-design einen spür­ba­ren Ein­fluss auf die Akzep­tanz des Hilfs­mit­tels hat.

Trotz aller Begeis­te­rung dür­fen die neu­en digi­ta­len Pro­zes­se jedoch nicht dar­über hin­weg­täu­schen, dass die hier zum Ein­satz kom­men­den Tech­no­lo­gien eben­falls Lücken auf­wei­sen und das wei­te Spek­trum ortho­pä­die­tech­ni­scher All­tags­ver­sor­gun­gen bei Wei­tem noch nicht abzu­de­cken ver­mö­gen. Anschmieg­sa­me Stof­fe, schweiß­auf­nah­me­fä­hi­ge Mate­ria­li­en wie natur­ge­gerb­te Leder oder elas­ti­sche und weich­bet­ten­de geschäum­te Mate­ria­li­en, Nach­pass­bar­keit und umfang­rei­che Ver­än­de­run­gen des End­pro­duk­tes kön­nen bis dato eben­so wenig rea­li­siert wer­den wie die hohen Fes­tig­keits­an­for­de­run­gen an gewichts- und stoß­be­las­te­te Produkte.

Moder­ne digi­ta­le 3D-Druck­ver­fah­ren erwei­tern die Ver­sor­gungs­be­rei­che der Tech­ni­schen Ortho­pä­die und ver­mö­gen die gro­ße Palet­te all­täg­li­cher Anfor­de­run­gen in der Hilfs­mit­tel­ver­sor­gung sinn­voll zu berei­chern. Das ändert jedoch nichts dar­an, dass bei allen addi­tiv gefer­tig­ten indi­vi­du­el­len Hilfs­mit­teln am Schluss nach wie vor das erfolg­rei­che Out­co­me für den Pati­en­ten ste­hen muss. Das Ortho­pä­die-Tech­nik-Hand­werk zählt zu den wenig gefah­ren­ge­neig­ten Beru­fen, und des­halb ist es auch hier unab­ding­bar, dass die ent­spre­chen­de Indi­vi­du­al­ver­sor­gung in allen Pha­sen durch einen ver­sor­gungs­er­fah­re­nen und ver­sier­ten Ortho­pä­die-Tech­ni­ker beglei­tet wird.

Die Autoren:
Chris­ti­an Kienz­le, OTM
Micha­el Schä­fer, OTM
Poh­lig GmbH
Gra­ben­stät­ter Str. 1
83278 Traun­stein
M.Schaefer@pohlig.net

Zita­ti­on
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