Neue faser­ver­stärk­te Ther­mo­plas­te für ortho­pä­die­tech­ni­sche Konstruktionen

J. Görzen, S. Hannen
Unidirektionale faserverstärkte Tapes bieten der Orthopädie-Technik viele neue Möglichkeiten, um Hilfsmittel zu verstärken, dünner zu gestalten oder der Individualanfertigung anzunähern. Während die Tapes schon in einigen Anwendungen eingesetzt werden, sind viele weitere in der Entwicklung, da diese Art von thermoplastischer Faserverstärkung mit ihren Eigenschaften und Verarbeitungsverfahren für viele Orthopädietechniker neu ist. Mit geeigneten Verfahren werden diese Materialien in naher Zuku nft viele orthopädietechnische Konstruktionen bereichern.

Ein­lei­tung

Faser­ver­bund­kunst­stof­fe (FVK) haben einen fes­ten Stel­len­wert in ortho­pä­die­tech­ni­schen Anwen­dun­gen. Sie wer­den pri­mär ein­ge­setzt, um Bau­tei­len Fes­tig­keit und Stei­fig­keit bei gerin­gem Gewicht zu ver­lei­hen. Als Ver­bund­werk­stof­fe wer­den Mate­ria­li­en bezeich­net, die aus meh­re­ren Ein­zel­werk­stof­fen zu einem neu­en Mate­ri­al zusam­men­ge­setzt wer­den. Sie ver­ei­nen die guten Eigen­schaf­ten der ein­ge­setz­ten Ein­zel­ma­te­ria­li­en; nach­tei­li­ge Eigen­schaf­ten tre­ten häu­fig gemin­dert oder gar nicht mehr auf. Durch eine geeig­ne­te Aus­wahl und Kom­bi­na­ti­on der Ein­zel­werk­stof­fe ent­ste­hen Ver­bund­werk­stof­fe, die defi­nier­ten Anfor­de­run­gen entsprechen.

His­to­risch gese­hen lie­gen die ers­ten Ein­satz­ge­bie­te von FVK dort, wo Gewichts­re­duk­ti­on zu Ener­gie­ein­spa­rung führt und damit Kos­ten­ein­spa­run­gen mög­lich sind. Die Pio­nier­rol­le nimmt dabei die Luft- und Raum­fahrt ein, wo die Ener­gie­ein­spa­rung pro Kilo­gramm Gewichts­ein­spa­rung am höchs­ten ist und die höhe­ren Mate­ri­al­kos­ten der FVK sich schnell amor­ti­sie­ren. Auch ande­re Eigen­schaf­ten von FVK füh­ren dazu, dass ihr Ein­satz vor­teil­haft ist. Inzwi­schen sind sie bei der Wind­ener­gie­er­zeu­gung auf­grund des Leicht­baus und somit neu­er Frei­heits­gra­de, in logis­ti­schen Anwen­dun­gen auf­grund von Volu­men­ge­winn sowie Ener­gie­ein­spa­run­gen und in der Medi­zin­tech­nik auf­grund von Rönt­gen­trans­pa­renz, höchs­ten Fes­tig­kei­ten und Bio­kom­pa­ti­bi­li­tät eta­bliert. Der immer noch höhe­re Mate­ri­al­preis gegen­über Metal­len – ins­be­son­de­re für Lami­na­te mit Koh­len­stoff­fa­sern – erfor­dert, dass einer oder meh­re­re der Vor­tei­le von FVK signi­fi­kant sein müs­sen, damit die Sub­sti­tu­ti­on eines bestehen­den Werk­stof­fes mit einem FVK sinn­voll ist. Gleich­zei­tig sin­ken mit fort­schrei­ten­der Wei­ter­ent­wick­lung von FVK die Mate­ri­al­kos­ten, wodurch die Schwel­le zu ihrem Ein­satz pro­por­tio­nal sinkt.

Die guten Fes­tig­keits­wer­te von FVK bei gleich­zei­tig gerin­gem Gewicht rüh­ren von ihrem Auf­bau. Die eigent­li­che Fes­tig­keit lie­fern die Fasern. Die­se sind in eine Matrix ein­ge­bet­tet, die die Fasern in Posi­ti­on hält und äuße­re Kräf­te auf sie über­trägt. Che­mi­sche und ther­mi­sche Eigen­schaf­ten sind eben­falls haupt­säch­lich von der Matrix abhän­gig. Die Fasern kom­men als Kurz‑, Wirr- oder End­los­fa­sern lose oder in Gewe­ben zum Ein­satz. Am häu­figs­ten wer­den Car­bon- oder Glas­fa­sern ver­wen­det. In duro­plas­ti­schen Sys­te­men wer­den am häu­figs­ten Epoxid­har­ze als Matrix ver­wen­det. Sie sind als Halb­zeu­ge, Gewe­be oder Prep­regs im Fach­han­del erhältlich.

In ortho­pä­die­tech­ni­schen Anwen­dun­gen wer­den bis­her haupt­säch­lich Acryl­har­ze als ther­mo­plas­ti­sche Matrix für FVK ver­wen­det. Ande­re ther­mo­plas­ti­sche Ver­bund­werk­stof­fe nut­zen das Matrix­sys­tem, das zu dem zu ver­stär­ken­den Kunst­stoff kom­pa­ti­bel ist, z. B. Poly­pro­py­len (PP) oder Poly­ethy­len (PE). Dadurch kön­nen die sorten­glei­chen FVK mit den gän­gi­gen Grund­ma­te­ria­li­en aus PP und PE ver­schweißt wer­den, was mit Acryl­har­zen nicht mög­lich ist.

Der Ein­satz faser­ver­stärk­ter Kunststoffe

Bis zum Ein­zug der faser­ver­stärk­ten Kunst­stof­fe dien­ten vor allem Mate­ria­li­en wie Holz, Leder und Metall als Grund­werk­stof­fe in der Ortho­pä­die-Tech­nik. Der Ein­satz die­ses High­tech-Werk­stoffs mit sei­nen diver­sen Fer­ti­gungs­tech­no­lo­gien hat die Welt der Ortho­pä­die-Tech­nik ver­än­dert und neue Mög­lich­kei­ten geschaf­fen. Mit einer Dich­te von 1,8 g/cm³ sind Car­bon­fa­sern bei ver­gleich­ba­rer Stei­fig­keit um bis zu 70 % leich­ter als Stahl und rund 30 % leich­ter als Alu­mi­ni­um. Bei Glas­fa­sern beträgt die Dich­te 2,46 g/cm³ 1.

In jün­ge­rer Zeit gewinnt Epoxid­harz in der Ortho­pä­die-Tech­nik an Bedeu­tung. Als Duro­plast ist es dadurch gekenn­zeich­net, dass es nach der Ver­fes­ti­gung nicht mehr nach­form­bar ist. Aktu­ell wird es in der Ortho­pä­die-Tech­nik vor allem beim Orthe­sen­bau, bei Pro­the­sen­schäf­ten, Pro­the­sen-Pas­s­tei­len, Ver­stär­kun­gen und Rah­men, z. B. im Kor­sett­bau, bei Sitz­scha­len sowie bei Roll­stüh­len und The­ra­pie­ge­rä­ten ein­ge­setzt. Vor­ge­fer­tig­te ther­mo­plas­ti­sche FVK las­sen sich dage­gen wie­der erwär­men und unter Tem­pe­ra­tur nach­for­men, solan­ge sie nicht über­hitzt wer­den. Die­se Eigen­schaft begüns­tigt eine nach­träg­li­che Kor­rek­tur. Sie sind auf dem ortho­pä­die­tech­ni­schen Markt im Gegen­satz zu den Duro­plas­ten weni­ger ver­brei­tet, fin­den aber schon Anwen­dung in Orthe­sen und in der Schuhtechnik.

Da alle FVK vie­le Eigen­schaf­ten von der Kunst­stoff­ver­ar­bei­tung über­neh­men (z. B. die Mög­lich­keit, kom­ple­xe For­men zu bil­den, sowie magne­ti­sche Neu­tra­li­tät, che­mi­sche Bestän­dig­keit oder leich­te Rei­ni­gung), sind die Ein­satz­ge­bie­te und ‑poten­zia­le bereits heu­te groß. Sie brin­gen jedoch auch zusätz­li­che Eigen­schaf­ten mit, die den höhe­ren Preis von FVK gegen­über rei­nen Kunst­stof­fen recht­fer­ti­gen. Dazu gehö­ren eine hohe Fes­tig­keit und Stei­fig­keit bei gleich­zei­tig sehr nied­ri­ger Dich­te, die Mög­lich­keit der frei­en Form­ge­stal­tung und eine kos­ten­güns­ti­ge Inte­gra­ti­on meh­re­rer Ein­zel­kom­po­nen­ten. Hin­zu kom­men die elek­tri­schen Eigen­schaf­ten, die vom sehr guten Iso­la­tor bis zum Lei­ter rei­chen, eine gerin­ge Wär­me­leit­fä­hig­keit bei gleich­zei­tig hohen Fes­tig­kei­ten, ein vier- bis fünf­mal höhe­res Ener­gie­auf­nah­me­ver­mö­gen als metal­li­sche Struk­tu­ren, eine Gesamt-Ener­gie­bi­lanz, die viel güns­ti­ger als bei Metal­len ist, und eine Rönt­gen­trans­pa­renz von bestimm­ten FVK efn_note]Schürmann H. Kon­stru­ie­ren mit Faser-Kunst­stoff-Ver­bun­den. 2., bear­bei­te­te und erwei­ter­te Aufl. Ber­lin: Sprin­ger, 2007[/efn_note].

Faser­ver­stärk­te Ther­mo­plas­te in ortho­pä­die­tech­ni­schen Konstruktionen

Die Ver­ar­bei­tung von ther­mo­plas­ti­schen FVK war bis Anfang der 2000er Jah­re nur mit ent­spre­chen­den tech­ni­schen Anla­gen mög­lich 2. Sie kön­nen als Kurz- oder Lang­fa­sern im Spritz­guss ein­ge­setzt und als soge­nann­te Organo­ble­che gepresst oder tief­ge­zo­gen wer­den. Organo­ble­che sind Plat­ten, die aus Faser­ge­le­gen bestehen und in eine ther­mo­plas­ti­sche Kunst­stoff­ma­trix ein­ge­bet­tet sind. In ortho­pä­die­tech­ni­schen Anwen­dun­gen wer­den Organo­ble­che bei­spiels­wei­se zur Ver­stär­kung von Schuh­soh­len eingesetzt.

Ther­mo­plas­ti­sche FVK haben eini­ge Vor­tei­le gegen­über duro­plas­ti­schen FVK. Der wesent­li­che Vor­teil ist die Nach­form­bar­keit. Dadurch kön­nen Nach­jus­tie­run­gen oder Anpas­sun­gen vor­ge­nom­men wer­den, ohne das Mate­ri­al zu schä­di­gen. Damit kann bei­spiels­wei­se eine Orthe­se im Behand­lungs­ver­lauf immer wie­der ange­passt wer­den. Ein wei­te­rer Aspekt ist die Aniso­tro­pie, die beson­ders in uni­di­rek­tio­na­len Tapes zur Gel­tung kommt. Die­se Tapes kön­nen in kon­ven­tio­nel­les Plat­ten­ma­te­ri­al ein­ge­bracht wer­den, um ihm aniso­tro­pe Eigen­schaf­ten zu ver­lei­hen. Dadurch erhält man auf güns­ti­ge­re Wei­se aniso­tro­pe Eigen­schaf­ten, da nicht mehr das gesam­te Teil aus FVK bestehen muss. Wer­den Organo­ble­che genutzt, ist die Aniso­tro­pie inner­halb die­ser ein­stell­bar – je nach­dem, wie die Gewe­be­la­gen aus­ge­rich­tet, lokal auf­ge­dickt und geschich­tet wer­den. So wird erreicht, dass der Werk­stoff in Last­rich­tung ver­steift wird, wäh­rend die ande­ren Rich­tun­gen fle­xi­bel blei­ben. Dadurch eig­nen sich FVK-Tapes beson­ders für Indi­vi­du­al­an­fer­ti­gun­gen oder für Stan­dard­an­fer­ti­gun­gen, in denen unter­schied­li­che Stei­fig­kei­ten in ver­schie­de­ne Rich­tun­gen benö­tigt wer­den. Wenn die Haupt­be­las­tungs­rich­tung deut­lich aus­ge­prägt ist, reicht oft die Fes­tig­keit bzw. Stei­fig­keit des Grund­werk­stoffs aus, und es genügt eine Ver­stär­kung in die­ser Rich­tung. Ist dage­gen die Last­rich­tung nicht exakt bekannt oder wirkt sie deut­lich in ver­schie­de­ne Rich­tun­gen, soll­te eine Ver­stär­kung in meh­re­ren Rich­tun­gen erfol­gen – ggf. mit einer stär­ke­ren Ver­stär­kung in der zu erwar­ten­den Haupt­be­las­tungs­rich­tung. Auch die Ver­ar­bei­tung ist ein­fa­cher, da vie­le Zwi­schen­schrit­te in der Bear­bei­tung weg­fal­len. Um die end­gül­ti­ge Form zu errei­chen, muss das Aus­gangs­ma­te­ri­al als Tape, Stab oder Organo­blech ledig­lich bei der Ver­for­mungs­tem­pe­ra­tur in die jewei­li­ge Form gebracht wer­den. Um das ther­mo­plas­ti­sche Faser­ver­bund­halb­zeug wei­ter­zu­ver­ar­bei­ten, eig­net sich das Ver­schwei­ßen des Halb­zeugs unter Tem­pe­ra­tur oder das Ver­kle­ben. Dadurch wer­den auch die Pro­zess­kos­ten gerin­ger. Gegen­über Prep­regs haben ther­mo­plas­ti­sche FVK den Vor­teil, dass an sie bezüg­lich der Lage­rung kei­ne beson­de­ren Anfor­de­run­gen gestellt wer­den. Tabel­le 1 gibt die E‑Module und Zug­fes­tig­kei­ten von Kunst­stof­fen und ver­schie­de­nen faser­ver­stärk­ten Kunst­stof­fen im Ver­gleich an.

Uni­di­rek­tio­na­le ther­mo­plas­ti­sche FVK-Tapes als Aus­gangs­ma­te­ri­al für inno­va­ti­ve Anwendungen

Uni­di­rek­tio­na­le ther­mo­plas­ti­sche Tapes (UD-Tapes) sind in der Ortho­pä­die-Tech­nik eine Neu­heit. Uni­di­rek­tio­nal bedeu­tet, dass die Fasern im Tape alle die­sel­be Aus­rich­tung haben und über die gesam­te Län­ge des Tapes ver­lau­fen. Das führt dazu, dass die Tapes in Längs­rich­tung die vol­le Kraft der Fasern auf­neh­men kön­nen. Quer zu den Tapes dage­gen kön­nen kaum Kräf­te auf­ge­nom­men wer­den. Damit eig­nen sich Tapes beson­ders für Anwen­dun­gen, die aniso­tro­pe Ver­stär­kun­gen benö­ti­gen. Die Tapes gibt es in ver­schie­de­nen Faser-Matrix-Kom­bi­na­tio­nen. Die­se rei­chen von Stan­dard­kom­bi­na­tio­nen wie Car­bon- oder Glas­fa­ser mit einer PP- oder PE-Matrix über spe­zi­el­le Matrix­sys­te­me wie Poly­car­bo­nat (PC), das sich sehr gut zum Ver­kle­ben eig­net, oder PEEK, das eine hohe Schmelz­tem­pe­ra­tur hat, bis hin zu Blends, bei denen ver­schie­de­ne Fasern und ver­schie­de­ne Kunst­stof­fe in einem Tape ein­ge­setzt wer­den. Dadurch kön­nen noch mehr posi­ti­ve Ver­bund­ei­gen­schaf­ten in einem Werk­stoff ver­eint und indi­vi­du­ell auf die Anwen­dung abge­stimmt werden.

Die Matrix umman­telt die Fasern. Sie hat die Auf­ga­be, die Fasern in Posi­ti­on zu hal­ten und die äuße­ren Kräf­te auf die Fasern zu über­tra­gen. Außer­dem schützt die Matrix die Fasern vor Umwelt­ein­flüs­sen. Somit resul­tie­ren vie­le der che­mi­schen Eigen­schaf­ten der Tapes aus den Eigen­schaf­ten der Matrix. Auch die Haf­tung der Tapes gegen­über dem zu ver­stär­ken­den Mate­ri­al wird durch die Matrix bestimmt. Als Fasern wer­den vor­wie­gend Glas- und Car­bon­fa­sern ein­ge­setzt. Glas­fa­ser­Tapes bie­ten hohe Zug- und Druck­fes­tig­kei­ten, eine hohe Bruch­deh­nung, eine gerin­ge Feuch­tig­keits­auf­nah­me sowie eine gute elek­tri­sche Iso­la­ti­ons­fä­hig­keit. Sie haben den güns­tigs­ten Preis aller Fasern. Dafür ist ihr E‑Modul gerin­ger als bei ande­ren Fasern; zudem soll­te Haut­kon­takt ver­mie­den wer­den. Car­bon­fa­ser-Tapes haben sehr gute Fes­tig­keits- und Stei­fig­keits­wer­te. Abbil­dung 1 zeigt ein Car­bon-PP-Tape. Eini­ge Car­bon­fa­sern sind medi­zi­nisch zuge­las­sen und wer­den auch im direk­ten Haut­kon­takt ein­ge­setzt. Auf der ande­ren Sei­te sind die Fasern kni­ck­emp­find­lich. Wei­te­re Fasern wie ultra­hoch­mo­le­ku­la­re Poly­ethy­len­fa­sern haben höchs­te Fes­tig­keits­wer­te, sind nicht kni­ck­emp­find­lich und kön­nen sogar in Gelenk­stel­len ein­ge­setzt werden.

Wäh­rend UD-Tapes in ande­ren Bran­chen wie im Auto­mo­bil­sek­tor oder in der Kunst­stoff­in­dus­trie bereits ihre viel­fäl­ti­gen Vor­zü­ge zur Gel­tung brin­gen, ist die Ortho­pä­die-Tech­nik auf­grund der ver­gleichs­wei­se gerin­gen Stück­zah­len für die meis­ten Tape­Her­stel­ler, die stan­dar­di­sier­te Tapes in sehr gro­ßer Men­ge pro­du­zie­ren, unin­ter­es­sant. Das liegt auch an der feh­len­den Mate­ri­al­fle­xi­bi­li­tät die­ser Her­stel­ler, an unaus­ge­reif­ten Ver­fah­ren für vie­le Mate­ria­li­en und an Uner­fah­ren­heit mit ther­mo­plas­ti­schen faser­ver­stärk­ten Werk­stof­fen. Durch die Ent­wick­lung neu­er Ver­fah­ren kön­nen jedoch auch für klei­ne Stück­zah­len ange­pass­te Tapes her­ge­stellt wer­den; der Markt­ein­tritt erfolgt dabei über gemein­sa­me For­schung und Ent­wick­lung zwi­schen Tape-Her­stel­ler und Ortho­pä­die-Unter­neh­men (sie­he das Inter­view im Anhang die­ses Arti­kels) oder durch geför­der­te For­schungs­pro­jek­te. So sind in den letz­ten fünf Jah­ren vie­le Koope­ra­tio­nen zwi­schen Her­stel­lern einer­seits und Ortho­pä­die­tech­ni­kern und Sani­täts­häu­sern ande­rer­seits ent­stan­den, die sich mit der Ent­wick­lung neu­er Anwen­dun­gen durch die Nut­zung von UD-Tapes befas­sen. Dazu gehört die Neu- und Wei­ter­ent­wick­lung von Ver­ar­bei­tungs­ver­fah­ren, die auch für Ortho­pä­die­tech­ni­ker in klei­ne­ren Werk­stät­ten nutz­bar sind.

Die tech­ni­schen Aspek­te der Ver­ar­bei­tung von UD-Tapes sind nicht iden­tisch mit denen duro­plas­ti­scher Faser­ver­stär­kun­gen. Her­aus­for­de­run­gen sind ins­be­son­de­re das Schrumpf­ver­hal­ten, das Ondu­lie­ren und das Dela­mi­nie­ren. Beim Abküh­len schrump­fen der Kunst­stoff und die Fasern unter­schied­lich stark, wodurch Ver­zug ent­ste­hen kann. Durch kon­trol­lier­tes Abküh­len und einen geeig­ne­ten Auf­bau kann die­ser Effekt beherrscht wer­den. Wenn Tapes im schmelz­för­mi­gen Zustand gebo­gen wer­den oder zu heiß wer­den, kön­nen sie ondu­lie­ren, was sich durch eine gewell­te Optik bemerk­bar macht. Die Fasern lie­gen dann nicht mehr opti­mal gera­de; dadurch nimmt die faser­par­al­le­le Fes­tig­keit ab. Die Nut­zung eines geeig­ne­ten Trä­ger­ma­te­ri­als kann die­sen Effekt behe­ben. Wenn bei der Ver­ar­bei­tung zu hohe Tem­pe­ra­tu­ren auf die ther­mo­plas­ti­schen FVK ein­wir­ken, kön­nen die­se dela­mi­nie­ren. Dies äußert sich in einer schlech­te­ren Haf­tung und einer schwä­che­ren Performance.

Mög­lich­kei­ten des Ein­sat­zes von UD-Tapes in der Orthopädie-Technik

UD-Tapes die­nen als Grund­la­ge vie­ler wei­te­rer Pro­duk­te. Sie kom­men dort zum Ein­satz, wo dünn­wan­di­ge­re und fle­xi­ble­re Ver­stär­kun­gen benö­tigt wer­den. Ein Tape hat eine Dicke zwi­schen 0,075 mm und 0,5 mm, je nach­dem, wel­che Fasern ver­wen­det wer­den und für wel­che Anwen­dung sie benö­tigt wer­den. Um bei­spiels­wei­se eine hohe Schlag­fes­tig­keit zu errei­chen, kön­nen vie­le sehr dün­ne Tapes auf­ein­an­der abge­legt wer­den. Sie kön­nen auf­ein­an­der ver­schweißt wer­den, um mehr­la­gi­ge Stä­be zu erhal­ten, die einen hohen Ver­stei­fungs­ef­fekt in Orthe­sen erzie­len. In Abbil­dung 2 ist ein Quer­schnitt durch einen sol­chen Stab zu sehen.

Zusam­men­ge­presst bil­den sie eine Plat­te, die aniso­tro­pe Eigen­schaf­ten auf­weist. Die­se Eigen­schaf­ten kön­nen, je nach Aus­rich­tung der Tapes, unter­schied­lich stark aus­ge­prägt sein. Die Plat­ten ver­stär­ken bei­spiels­wei­se Ein­le­ge­soh­len gezielt, wobei die Ver­ar­bei­tung – vom Her­aus­schnei­den bis zum Schlei­fen und Auf­kle­ben – mit her­kömm­li­chen Werk­zeu­gen und Kleb­stof­fen mög­lich ist. Abbil­dung 3 zeigt eine auf die­se Wei­se ver­stärk­te Soh­le. Auch ein Pres­sen von Tapes in Kunst­stoff­plat­ten ist mög­lich, um loka­le Ver­stär­kun­gen zu erhal­ten. Ein Bei­spiel dafür sind tape­ver­stärk­te Kor­set­te. Die ein­fachs­te Anwen­dung besteht jedoch dar­in, dass die Tapes mit einem dau­er- oder schmelz­k­leb­ri­gen Kleb­stoff benetzt sind. Dadurch ist das Appli­zie­ren ein schnel­ler und tri­via­ler Pro­zess. Mög­li­che Anwen­dungs­bei­spie­le für UD-Tapes:

  • par­ti­el­le indi­vi­du­el­le Ver­stär­kun­gen, die im Nach­hin­ein auf Orthe­sen auf­ge­bracht wer­den können
  • indi­vi­du­el­le Verstärkungen/Versteifungen, z. B. im Bereich ortho­pä­di­scher Ein­la­gen oder Schuhe
  • Teil­ele­ment zur Ver­stär­kung eines ortho­pä­di­schen Schuhs, z. B. Arthro-desenkappe
  • Ver­stär­kun­gen von Gur­ten und Verschlusssystemen
  • Ver­stär­kun­gen im Bereich von Laschen und Pols­tern, um mehr Stand zu bekommen
  • Sili­kon­tech­nik zur par­ti­el­len Ver­stär­kung, z. B. bei Orthe­sen oder HTV-Schäften

Tape­ver­stärk­tes Chêneau-Korsett

Ein Bei­spiel, wie UD-Tapes zu einer Wei­ter­ent­wick­lung von Hilfs­mit­teln füh­ren kön­nen, ist ein tape­ver­stärk­tes Chê­ne­au-Kor­sett. Laut ‑Dr.-Ing. Mar­kus Brze­ski, der das Kor­sett mit sei­nem Team in Zusam­men­ar­beit mit der Sano­med Ortho­pä­die­tech­nik GmbH ent­wi­ckelt hat, lau­te­te der Grund­ge­dan­ke, ein Kor­sett mit hoher mecha­ni­scher Per­for­mance her­zu­stel­len, das kom­ple­xe For­men anneh­men kann, nach­form­bar ist, belas­te­te Berei­che gezielt ver­steift und bei dem der Ver­ar­bei­tungs­pro­zess ein­fach ist. Ortho­pä­die­tech­ni­ker sol­len wei­ter­hin ihre gewohn­ten Pro­zes­se nut­zen kön­nen, dabei aber in den Genuss der Vor­tei­le der Ver­stär­kun­gen kom­men. Die Vor­tei­le sol­len vor allem in einer deut­lich gerin­ge­ren Gesamt­be­las­tung der Pati­en­ten bestehen. Die­ses Ent­wick­lungs­ziel wur­de erreicht: Durch ein gerin­ge­res Gewicht des Kor­setts und 40 bis 50 Pro­zent weni­ger Ober­flä­che ist der Tra­ge­kom­fort für Pati­en­ten höher, was sich auch in Pati­en­ten­be­fra­gun­gen gezeigt hat. Das gerin­ge­re Gewicht resul­tiert dar­aus, dass die Mate­ri­al­stär­ke der Aus­gangs­plat­te redu­ziert und in nicht bean­spruch­ten Berei­chen Plat­ten­ma­te­ri­al ent­fernt wer­den kann, wodurch sich auch die ver­rin­ger­te Ober­flä­che ergibt. Durch die Nach­form­bar­keit kann das bestehen­de Kor­sett schnell nach­ge­bes­sert wer­den, und es muss kein neu­es her­ge­stellt wer­den. In Abbil­dung 4 ist ein mit UD-Tapes ver­stärk­tes Kor­sett dar­ge­stellt, wie es aktu­ell ein­ge­setzt wird. Die Faser­ver­stär­kung ist in 30-Grad-Rich­tung gelegt, was der Haupt­be­las­tungs­rich­tung entspricht.

Inzwi­schen ist das Kor­sett bereits über zwei Jah­re eta­bliert, wur­de schon von meh­re­ren hun­dert Pati­en­ten getra­gen und wird sowohl von Pati­en­ten als auch von Ortho­pä­die­tech­ni­kern sehr gut auf­ge­nom­men. Durch Wei­ter­ent­wick­lun­gen und den prak­ti­schen Ein­satz haben sich wei­te­re Vor­tei­le her­aus­kris­tal­li­siert: Gera­de bei dün­nen oder hoch­be­las­te­ten Kor­set­ten beginnt das Mate­ri­al eines unver­stärk­ten Kor­setts sich am Rücken platt­zu­drü­cken, wodurch sich die Kor­rek­tur­geo­me­trie ver­schlech­tert. Die­ser Effekt tritt beson­ders in den Som­mer­mo­na­ten auf, da auf das Mate­ri­al dann höhe­re Tem­pe­ra­tu­ren ein­wir­ken. Bei tape­ver­stärk­ten Kor­set­ten tritt die­ser Effekt nicht mehr auf. So ließ sich die Mate­ri­al­stär­ke des Kunst­stof­fes wei­ter redu­zie­ren; es wur­de nach­ge­wie­sen, dass der Kunst­stoff nicht mehr kriecht. Auf der ande­ren Sei­te bedeu­tet der Ein­satz von UD-Tapes, dass die Plat­ten teu­rer sind als rei­ne Kunst­stoff­plat­ten und dass Car­bon-Tapes im Kor­sett Pati­en­ten optisch nicht zusa­gen könn­ten. Eine wei­te­re Her­aus­for­de­rung ist das indi­vi­du­el­le und last­ge­rech­te Ein­brin­gen der Tapes im Kor­sett. Tech­nisch ist es durch­aus mög­lich, dass die Tapes so ein­ge­bracht wer­den, dass eini­ge Berei­che ver­steift wer­den und ande­re fle­xi­bel blei­ben. Prak­tisch führt dies jedoch dazu, dass für jedes Kor­sett ein 3D-Modell erstellt wer­den müss­te, in dem die idea­le Lage der Tapes ver­zeich­net wird, sodass eine pas­sen­de Plat­te her­ge­stellt wer­den kann. Beim Tief­zie­hen müss­te dann im letz­ten Schritt dar­auf geach­tet wer­den, dass die Tapes exakt dort lie­gen, wo sie benö­tigt wer­den. Die­ser zusätz­li­che Auf­wand ist aktu­ell für vie­le Ortho­pä­die­tech­ni­ker zu hoch, wes­halb vor­ab die Berei­che defi­niert wer­den, in denen die Tapes lie­gen, und dann stan­dar­di­siert ver­stärkt werden.

For­schungs­pro­jekt 3DPrint2Fiber

Das For­schungs­pro­jekt 3DPrint2Fiber, das vom Bun­des­mi­nis­te­ri­um für Bil­dung und For­schung geför­dert wur­de, befass­te sich mit der Ent­wick­lung einer pati­en­ten­spe­zi­fi­schen Knö­chel-Fuß-Orthe­se (AFO) 3. Dabei soll­ten die Gestal­tungs­frei­hei­ten des 3D-Drucks und die hohe Leis­tungs­fä­hig­keit faser­ver­stärk­ter ther­mo­plas­ti­scher Car­bon-Tapes kom­bi­niert wer­den, um leich­te, sta­bi­le und auf die Kun­den­be­dürf­nis­se zuge­schnit­te­ne Orthe­sen her­zu­stel­len. Der Weg zur fer­ti­gen Orthe­se ver­läuft dabei in fol­gen­den Schritten:

  • Das Bein des Pati­en­ten wird mit einem mobi­len 3D-Scan­ner vor Ort gescannt.
  • Das Basis-Design der Orthe­se wird an die Ana­to­mie des Pati­en­ten angepasst.
  • Ein detail­lier­tes CAD-Modell wird erstellt.
  • Die Orthe­se wird mit einem Rapid-Manu­fac­tu­ring-Ver­fah­ren (-3D-Druck) aus ther­mo­plas­ti­schem Mate­ri­al hergestellt.
  • Vor Ort wird die Orthe­se mit Hil­fe eines manu­el­len Tape-Legers durch ther­mo­plas­ti­sche UD-Tapes indi­vi­du­ell für den Pati­en­ten verstärkt.

Abbil­dung 5 zeigt eine 3D-gedruck­te Orthe­se, die mit Car­bon-Tapes ver­stärkt wur­de, sowie eine unver­stärk­te Orthe­se. Die Stei­fig­keit der Orthe­se wird durch die auf­ge­kleb­ten Tapes erheb­lich erhöht. Abbil­dung 6 zeigt eine mit einem Glas­fa­ser-Poly­pro­py­len-Stab ver­stärk­te Orthese.

Fazit

Ther­mo­plas­ti­sche faser­ver­stärk­te Kunst­stof­fe bie­ten ein enor­mes Ent­wick­lungs­po­ten­zi­al für ortho­pä­di­sche Hilfs­mit­tel. Vie­le neu­ar­ti­ge Pro­duk­te wur­den so bereits rea­li­siert; ande­re sind in der Ent­wick­lung und wer­den in den nächs­ten Jah­ren zur Pro­dukt­rei­fe gelan­gen. Da die­ses Mate­ri­al in der Ortho­pä­die-Tech­nik neu ist, ist noch viel Pio­nier­ar­beit zu leis­ten. Inno­va­ti­ons­im­pul­se in der kunst­stoff­ver­ar­bei­ten­den Indus­trie resul­tie­ren zu einem gro­ßen Teil aus der Inter­ak­ti­on von Zulie­fe­rern und Kun­den. Daher ist der Erfolg neu­ar­ti­ger ther­mo­plas­ti­scher faser­ver­stärk­ter Mate­ria­li­en auch davon abhän­gig, dass Her­stel­ler die­ser Mate­ria­li­en und Ortho­pä­die­tech­ni­ker in gemein­sa­men Pro­jek­ten neue Ideen gene­rie­ren und zur Markt­rei­fe ent­wi­ckeln. Ins­be­son­de­re UD-Tapes bie­ten auf­grund ihrer Vari­an­ten und viel­fäl­ti­gen Mög­lich­kei­ten zur Wei­ter­ver­ar­bei­tung enor­mes Poten­zi­al für eine Rei­he von Anwen­dun­gen. Spe­zi­ell dort, wo eine indi­vi­du­el­le Ver­sor­gung mit last­pfad­op­ti­mier­ten Hilfs­mit­teln, die Nut­zung einer Orthe­se für den gesam­ten Behand­lungs­ver­lauf sowie Kos­ten­vor­tei­le durch gerin­ge­re Pro­zess- und Inves­ti­ti­ons­kos­ten ange­strebt wer­den, wer­den FVK ande­re Mate­ria­li­en ablö­sen oder ergän­zen. Eini­ge Anwen­dun­gen sind bereits im Ein­satz, vie­le ande­re noch in der Ent­wick­lung. Bis die­se ein­satz­be­reit sind, müs­sen noch die beschrie­be­nen Her­aus­for­de­run­gen gemeis­tert werden.

Genau­so wie einst das Lami­nie­ren und Prep­regs Neu­hei­ten in der Ortho­pä­die-Tech­nik waren und an deren Anfor­de­run­gen ange­passt wer­den muss­ten, so sind ther­mo­plas­ti­sche UD-Tapes heu­te in die­ser Posi­ti­on. Ihr Ein­satz wird Pro­zes­se ver­än­dern oder ver­drän­gen und neue Mög­lich­kei­ten in der Hilfs­mit­tel­ge­stal­tung schaffen.

Der Autor:
Jakob Gör­zen
A+ Com­po­si­tes GmbH
Rudolf-Die­sel-Stra­ße 7
66919 Wesel­berg
j.goerzen@aplus-composites.de

Begut­ach­te­ter Beitrag/reviewed paper

Zita­ti­on
Gör­zen J, Han­nen S. Neue faser­ver­stärk­te Ther­mo­plas­te für ortho­pä­die­tech­ni­sche Kon­struk­tio­nen. Ortho­pä­die Tech­nik, 2020; 71 (2): 58–63

OTM Sebas­ti­an Han­nen über den Ein­satz faser­ver­stärk­ter Kunst­stof­fe in der Orthopädie-Technik

Sebas­ti­an Han­nen, Ortho­pä­die­tech­ni­ker­meis­ter und Pro­duk­ti­ons­lei­ter der Fir­ma Fuchs & Möl­ler, ist einer der ers­ten Anwen­der von UD-Tapes in der Ortho­pä­die­bran­che. Er ist Spe­zia­list im Bereich Kin­der­or­tho­pä­die mit jah­re­lan­ger Erfah­rung in der Kunst­stoff­ver­ar­bei­tung und der Ver­ar­bei­tung her­kömm­li­cher faser­ver­stärk­ter Mate­ria­li­en mit einer Stück­zahl von ca. 400 Kunst­stoff­orthe­sen im Jahr. Im Gespräch mit Jakob Gör­zen, Geschäfts­füh­rer der A+ Com­po­si­tes GmbH, Her­stel­ler von UD-Tapes, berich­tet er über sei­ne Erfahrungen.

War­um sind faser­ver­stärk­te Kunst­stof­fe für Ihr Hand­werk interessant?

Sebas­ti­an Han­nen: Mitt­ler­wei­le steht uns in der Ortho­pä­die-Tech­nik eine Viel­zahl an Mate­ria­li­en zur Ver­fü­gung. Die­ser inter­es­san­te Mate­ri­al­mix ver­eint die über­wie­gend posi­ti­ven Eigen­schaf­ten mit­ein­an­der und bie­tet uns neue Mög­lich­kei­ten. Die Dyna­mik einer Pero­neus-Orthe­se aus Kunst­stoff bei­spiels­wei­se ist als eher gering ein­zu­stu­fen. Wird sie par­ti­ell durch Fasern ver­stärkt, ent­fal­tet sie ihr neu­es Poten­zi­al. Bei Kor­set­ten bei­spiels­wei­se wird mit Car­bon-PE-Tapes die Bie­ge­stei­fig­keit von 900 bis 1.200 MPa auf 2.300 bis 2.600 MPa erhöht – je nach ver­wen­de­tem Grund­stoff und Steifigkeit.

Ist die Dyna­mik faser­ver­stärk­ter ther­mo­plas­ti­scher Kunst­stoff­orthe­sen ver­gleich­bar mit der Dyna­mik her­kömm­li­cher Carbon-Orthesen?

Han­nen: Nein, es han­delt sich bei unse­rer Anwen­dung um einen faser­ver­stärk­ten Ther­mo­plast. Er ver­eint die Eigen­schaf­ten von Ther­mo­plas­ten mit den Eigen­schaf­ten der Faser. Car­bon-Orthe­sen z. B. aus Prep­reg sind Duro­plas­te und wei­sen daher ande­re Eigen­schaf­ten auf, z. B. eine hohe Fes­tig­keit oder Stei­fig­keit. Sie sind daher dyna­mi­scher als faser­ver­stärk­te Thermoplaste.

Sie haben bereits eini­ge Mate­ria­li­en getes­tet. Wo lagen bis­her die Schwierigkeiten?

Han­nen: Anfangs hat­ten wir Pro­ble­me, die rich­ti­ge Fer­ti­gungs­tech­nik zu fin­den. Die Ver­stär­kun­gen wur­den wel­lig und waren unschön anzu­schau­en. Auch das Ver­schwei­ßen der Stä­be hat anfangs nicht immer funk­tio­niert. Mitt­ler­wei­le sind die­se Start­schwie­rig­kei­ten aller­dings beho­ben; momen­tan wird an einer Art Umman­te­lung gear­bei­tet, die dafür sorgt, dass die Ver­stär­kung gleich­mä­ßig bleibt und nicht aus­fa­sert. Des Wei­te­ren bie­tet sie die Mög­lich­keit, das Mate­ri­al ein­zu­fär­ben, wodurch es weni­ger auffällt.

Wor­auf ach­ten Sie bei der Ver­ar­bei­tung ther­mo­plas­ti­scher faser­ver­stärk­ter Kunst­stof­fe besonders?

Han­nen: Die vor­ge­schrie­be­ne Tem­pe­ra­tur ist unbe­dingt ein­zu­hal­ten. Das Mate­ri­al soll­te zusam­men im Ofen erhitzt und direkt auf der Trä­ger­plat­te ver­schweißt wer­den. Es muss zügig ver­ar­bei­tet wer­den und darf zwi­schen den Tief­zieh­vor­gän­gen nicht aus­küh­len. Die Hand­grif­fe soll­ten vor­her geübt wer­den; der Zuschnitt und die Posi­ti­on der Ver­stär­kung soll­ten vor­ab genau fest­ge­legt werden.

Die neu­es­te Ent­wick­lung sind ther­mo­plas­ti­sche faser­ver­stärk­te Tapes. Wo sehen Sie hier die größ­ten Potenziale?

Han­nen: Wir haben die Mög­lich­kei­ten, die uns die­se Tapes bie­ten, noch nicht voll­stän­dig erkannt. Ich habe Test­ma­te­ri­al in unse­re ver­schie­de­nen Berei­che gege­ben mit der Bit­te, sich Gedan­ken zu machen, wo uns die­ses Pro­dukt wei­ter­hel­fen könn­te. Die Ergeb­nis­se waren sehr inter­es­sant. So sehen wir zum Bei­spiel Ein­satz­ge­bie­te im Bereich Orthe­tik, wo sie als par­ti­el­le Ver­stär­kung im Nach­hin­ein ange­bracht wer­den kön­nen, aber auch bei ortho­pä­di­schen Ein­la­gen, in der Schuh­tech­nik, bei Begur­tun­gen oder in unse­rer Sili­kon­fer­ti­gung bei HTV-Schäf­ten oder Silikon-Orthesen.

 E‑Modul [GPa]Zug­fes­tig­keit [MPa]Faser­vo­lu­men­ge­halt
Poly­ethy­len (PE)0,9240 %
Poly­pro­py­len (PP)1,2320 %
Car­bon­fa­ser-PE-Tape110120045 %
Car­bon­fa­ser-PP-Tape118145048 %
Car­bon-Prep­reg135190057 %
Car­bon­ge­we­be-Lami­nat5570045 %
Glas­fa­ser-PP-Tape45105061 %
Glas­ge­we­be-Lami­nat2043050 %
Dyneema©-LDPE-Tape65130060 %
Tab. 1 Ver­gleich zwi­schen typi­schen Kunst­stof­fen und FVK anhand des E‑Moduls und der Zugfestigkeit.
  1. Neit­zel M, Mit­schang P, Breu­er U. Hand­buch Ver­bund­werk­stof­fe. Mün­chen: Han­ser, 2014
  2. Zepf H‑P et al. Faser­ver­bund­werk­stof­fe mit ther­mo­plas­ti­scher Matrix. Hoch­leis­tungs­werk­stof­fe für ratio­nel­le Ver­ar­bei­tung. Ren­nin­gen-Malms­heim: expert-Ver­lag, 1997
  3. Rieth C. 3Dprint2Fiber – koh­le­fa­ser­ver­stärk­ter 3D-Druck in der Ortho­pä­die-Tech­nik. Ortho­pä­die Tech­nik, 2019; 70 (5): 24–27
Tei­len Sie die­sen Inhalt
Anzeige