Poten­zia­le addi­ti­ver Fer­ti­gungs­ver­fah­ren für die Orthopädie-Technik

J. Breuninger, U. Daub, R. Werder, U. Schneider
Additive Fertigungsverfahren, auch 3-D-Druck genannt, bieten eine Reihe an neuen Möglichkeiten für die Orthopädie-Technik. Das Selektive Lasersintern (SLS), das bereits in der industriellen Fertigung vertreten ist, bietet einige Vorteile gegenüber traditionellen Fertigungsverfahren. So können leichtbauoptimierte Orthesen, individuell konstruierte Prothesenfüße oder salzwasserfeste Badeprothesen über diese Verfahren hergestellt werden. Aber auch das Fused Deposition Modeling (FDM), das aufgrund der günstigen Maschinen umfangreich in den Medien präsentiert wird, bietet interessante Ansätze für die Fertigung von Hilfsmitteln. Die gesamten Vorteile sind allerdings erst mit einer digitalen Prozesskette zu erreichen, die neben dem 3-D-Druck auch Scannen, CAD-Konstruktion und virtuelle Belastungstests einschließt.

Ein­lei­tung

Vie­le Berufs­bil­der wan­deln sich im Lau­fe der Zeit. Schrift- und Foto­set­zer wur­den zu Gra­fik­de­si­gnern, und auch Tech­ni­sche Zeich­ner arbei­ten mitt­ler­wei­le nicht mehr am Reiß­brett, son­dern mit Hil­fe von CAD-Pro­gram­men am Com­pu­ter. In vie­len Berei­chen ist der Ein­zug digi­ta­ler Pro­zess­schrit­te zu ver­spü­ren. Die moder­ne Indus­trie benö­tigt fle­xi­ble, digi­ta­le und ver­netz­te Pro­duk­ti­ons­schrit­te. Ermög­licht wird dies ins­be­son­de­re durch addi­ti­ve Fer­ti­gungs­ver­fah­ren, umgangs­sprach­lich auch „3‑D-Druck“ genannt.

Die­se Ent­wick­lung ist auch in der Medi­zin­tech­nik zu beob­ach­ten. Hier ist die Zahn­tech­nik Vor­rei­ter, die bereits seit eini­ger Zeit mit Scan­tech­no­lo­gien, CAD-Model­lie­rung und addi­ti­ven Ver­fah­ren arbei­tet. Addi­ti­ve Fer­ti­gungs­ver­fah­ren wur­den bis­her haupt­säch­lich im Pro­to­ty­pen­bau ein­ge­setzt. Doch seit eini­gen Jah­ren ist zuneh­mend der Trend zu ver­spü­ren, die­se Fer­ti­gungs­ver­fah­ren auch zur direk­ten Her­stel­lung der Pro­duk­te zu nut­zen – aus dem ehe­ma­li­gen „Rapid Pro­to­typ­ing“ wird zuneh­mend ein „Rapid Manufacturing“.

Neben der Zahn­tech­nik wer­den addi­ti­ve Tech­no­lo­gien trotz des hohen Zulas­sungs­auf­wan­des mitt­ler­wei­le auch für Implan­ta­te ein­ge­setzt. Per selek­ti­vem Laser­schmel­zen und Elek­tro­nen­strahl­schmel­zen her­ge­stell­te Hüft­pfan­nen sind seit Jah­ren im Ein­satz 1. Durch die­se spe­zi­el­le Fer­ti­gungs­wei­se ist es mög­lich, eine hoch­kom­ple­xe Ober­flä­chen­struk­tur her­zu­stel­len, wel­che sich für Kno­chen­zel­len beson­ders gut eig­net, um sich mit ihr zu ver­bin­den und fest zu ver­wach­sen. Sol­che Geo­me­trien sind durch kein ande­res Ver­fah­ren herstellbar.

Für die Her­stel­lung über addi­ti­ve Fer­ti­gungs­ver­fah­ren gibt es eine rei­che Aus­wahl an Tech­no­lo­gien. Vie­le eig­nen sich jedoch auf­grund der schlech­ten mecha­ni­schen Eigen­schaf­ten nur für Anschau­ungs­mo­del­le. Bes­se­re mecha­ni­sche Eigen­schaf­ten kön­nen mit Ver­fah­ren wie Elek­tro­nen­strahl­schmel­zen, Selek­ti­vem Laser­schmel­zen oder Selek­ti­vem Laser­sin­tern erreicht wer­den. Die­se ähneln sich sehr in ihrer Fer­ti­gungs­wei­se: Es wird ein pul­ver­för­mi­ger Aus­gangs­werk­stoff auf eine höhen­ver­stell­ba­re Bau­platt­form auf­ge­tra­gen. Die Schicht, die sich dadurch bil­det, ist in der Regel ca. 0,1 mm dick. Die für das spä­te­re Werk­stück benö­tig­ten Berei­che die­ser Schicht wer­den dann mit einem Laser- oder Elek­tro­nen­strahl ver­schmol­zen. Anschlie­ßend senkt sich die Bau­platt­form um eine Schicht­stär­ke ab, und eine neue Pul­ver­schicht wird auf­ge­tra­gen. Schicht für Schicht ent­steht so ein drei­di­men­sio­na­ler Kör­per. Wäh­rend beim Selek­ti­ven Laser­sin­tern eher Kunst­stof­fe ein­ge­setzt wer­den, wird beim Elek­tro­nen­strahl­schmel­zen sowie beim Selek­ti­ven Laser­schmel­zen ten­den­zi­ell eher mit metal­li­schen Aus­gangs­werk­stof­fen gear­bei­tet; die oben ange­spro­che­nen Implan­ta­te wer­den bei­spiels­wei­se aus Titan oder Cobalt-Chrom hergestellt.

Neue Ein­satz­ge­bie­te

Neben dem Ein­satz von Metall für Pro­duk­te wie Implan­ta­te zeich­net sich seit eini­gen Jah­ren auch der Ein­satz von Kunst­stoff für am Kör­per getra­ge­ne Hilfs­mit­tel ab. Bis­her war die­ser Bereich auf­grund der ein­ge­schränk­ten mecha­ni­schen Eigen­schaf­ten, aber auch hoher Prei­se für Maschi­nen und Mate­ri­al oft nicht wirt­schaft­lich ein­setz­bar. Dies hat sich jedoch in den letz­ten Jah­ren deut­lich ver­bes­sert. Güns­ti­ge­re Scan­tech­no­lo­gien, bes­se­re 3‑D-Dru­cker und höhe­re Ver­füg­bar­keit der Maschi­nen unter­stüt­zen die­sen neu­en Trend in der addi­ti­ven Bran­che. Auch der stär­ke­re Kon­kur­renz­druck unter Dienst­leis­tern, der zu deut­lich güns­ti­ge­ren Prei­sen führt, macht seit eini­gen Jah­ren den wirt­schaft­li­chen Ein­satz der Ver­fah­ren möglich.

Die Grö­ße des Mark­tes die­ser Hilfs­mit­tel darf nicht unter­schätzt wer­den. Mitt­ler­wei­le gibt es in Deutsch­land 1.471 pro­du­zie­ren­de Unter­neh­men im Bereich der Ortho­pä­die-Tech­nik (exkl. Ortho­pä­die-Schuh­ma­cher). Der Umsatz der Bran­che belief sich 2010 auf 2,9 Mrd. Euro 2. Bezo­gen auf End­kun­den im Bereich der Pro­the­tik kön­nen in Deutsch­land min­des­tens 46.922 Per­so­nen mit einer Bein­am­pu­ta­ti­on iden­ti­fi­ziert wer­den (2011) 3. In Indus­trie­län­dern (die Sta­tis­tik bezieht sich auf Däne­mark) sind ca. 87 % aller Ampu­ta­tio­nen durch arte­ri­el­le Durch­blu­tungs­stö­run­gen begrün­det (60 % davon auf­grund von Dia­be­tes mel­li­tus). 8,2 % der Ampu­ta­tio­nen wer­den durch Krebs­er­kran­kun­gen oder Tumo­re, Trau­ma­ta, Infek­tio­nen oder ange­bo­re­ne Fehl­bil­dun­gen ver­ur­sacht 4. Durch die Viel­zahl ver­schie­de­ner Ursa­chen für Ampu­ta­tio­nen eben­so wie durch die zahl­rei­chen Krank­heits­bil­der, die eine orthe­ti­sche Ver­sor­gung erfor­der­lich machen, bil­det sich eine gro­ße Band­brei­te an ver­schie­de­nen Pro­duk­ten für den jewei­li­gen Anwendungsfall.

Das Fraun­ho­fer IPA beschäf­tigt sich seit gerau­mer Zeit mit addi­ti­ven Fer­ti­gungs­ver­fah­ren und ent­wi­ckelt Pro­the­sen und Orthe­sen, die mit­tels 3‑D-Druck her­ge­stellt wer­den. Die­se Ent­wick­lun­gen bezie­hen sich jedoch nicht nur auf die rei­ne Her­stel­lung der Pro­duk­te, son­dern die gesam­te digi­ta­le Pro­zess­ket­te wird dabei betrach­tet. Dabei muss die Fra­ge, wie man Daten erfas­sen oder wie man die­se wei­ter­ver­ar­bei­ten kann, beant­wor­tet wer­den. Die addi­ti­ve Her­stel­lung ist nur der letz­te Schritt in der Ent­wick­lung des Produktes.

Durch die Arbeit des Fraun­ho­fer IPA erhält die digi­ta­le Pro­zess­ket­te Ein­zug in die Ortho­pä­die-Tech­nik. Die Vor­tei­le der ein­ge­setz­ten Ver­fah­ren wie die ein­fa­che Indi­vi­dua­li­sie­rung oder auch die Mög­lich­keit, kom­ple­xe Geo­me­trien her­zu­stel­len, sind gera­de­zu prä­de­sti­niert für den Ein­satz addi­ti­ver Ver­fah­ren in der Ortho­pä­die-Tech­nik. Dadurch wird eine gro­ße Band­brei­te an Pro­duk­ten im Bereich Orthe­tik und Pro­the­tik auf­ge­zeigt, die addi­tiv umsetz­bar sind.

Der digi­ta­le Prozess

Um digi­tal arbei­ten zu kön­nen, müs­sen die Daten erst von der Rea­li­tät in die Vir­tua­li­tät über­führt wer­den. Der Wech­sel zwi­schen Rea­li­tät und Vir­tua­li­tät ist jedoch immer mit einem Ver­lust an Infor­ma­tio­nen ver­bun­den. So kön­nen je nach Scan­ver­fah­ren Hap­tik, Far­be oder Elas­ti­zi­tät als Infor­ma­ti­on in den digi­ta­len Daten feh­len. Ande­rer­seits sind vir­tu­ell Genau­ig­kei­ten erreich­bar, die mit hand­werk­li­cher Ver­ar­bei­tung nicht mög­lich sind. Daher ist es wich­tig, die benö­tig­ten Infor­ma­tio­nen zu ermit­teln, um im Vor­aus ein geeig­ne­tes Scan­ver­fah­ren für den jewei­li­gen Anwen­dungs­fall zu wählen.

Daten für Orthe­sen, bei denen haupt­säch­lich die Geo­me­trie des Kör­pers auf­ge­nom­men wird, kön­nen teil­wei­se direkt am Men­schen mit­tels opti­scher Hand­scan­ner gewon­nen wer­den, wäh­rend bei­spiels­wei­se beim Pro­the­sen­schaft zunächst hand­werk­lich eine Zweck­form anhand eines Gips­ab­dru­ckes her­ge­stellt wird. Erst im Anschluss fin­det der Scan­pro­zess statt, bei­spiels­wei­se per Streifenlichtprojektion.

Wäh­rend Gips­ab­drü­cke auf­grund beschränk­ter Lager­ka­pa­zi­tä­ten nur bedingt auf­ge­ho­ben wer­den, kön­nen die Daten, wenn sie ein­mal digi­ta­li­siert sind, mühe­los und platz­spa­rend in digi­ta­len Archi­ven dau­er­haft abge­spei­chert wer­den. Die gespei­cher­ten digi­ta­len Daten bie­ten neben der rei­nen Platz­erspar­nis sowie der Erspar­nis an Ver­brauchs­ma­te­ri­al auch wei­te­re prak­ti­sche Vor­tei­le: Schäf­te, die zu ver­schie­de­nen Zeit­punk­ten erstellt wur­den, kön­nen mit­ein­an­der ver­gli­chen wer­den. Somit ist es auch mög­lich, die Ver­än­de­rung von Stümp­fen über die Zeit auf­zu­zei­gen. Durch eine Aus­wer­tung die­ser Ver­glei­che kann das Ver­ständ­nis für die­se Stumpf­ver­än­de­run­gen gestei­gert wer­den, um noch bes­ser auf die auf­kom­men­den Bedürf­nis­se des Ampu­tier­ten ein­ge­hen zu kön­nen. Die digi­ta­le Spei­che­rung der Schaft­da­ten ermög­licht dem Ortho­pä­die-Tech­ni­ker eben­falls, unab­hän­gig vom Aus­fall­grund schnell einen Ersatz­schaft fer­ti­gen zu las­sen. Doch wie sieht die­se digi­ta­le Pro­zess­ket­te im Detail aus? Im Fol­gen­den wer­den die ein­zel­nen Schrit­te am Bei­spiel einer Unter­schen­kel­pro­the­se aufgezeigt.

Im Bereich der Pro­the­tik unter­schei­den sich die ers­ten Schrit­te nicht von der tra­di­tio­nel­len Fer­ti­gung: Der Pati­ent erhält vom Arzt ein Rezept für eine Pro­the­se und beauf­tragt ein Ortho­pä­die-Tech­nik-Unter­neh­men mit dem Bau die­ser Pro­the­se. Im ers­ten Schritt wird eine Test­pro­the­se in Modu­larbau­wei­se her­ge­stellt. Jeder Ortho­pä­die-Tech­ni­ker hat hier eine eige­ne Vor­ge­hens­wei­se. Ten­den­zi­ell wer­den die meis­ten Schäf­te über Gips­ab­druck und/oder Mes­sun­gen am Stumpf model­liert sowie ein ers­ter sta­ti­scher Auf­bau defi­niert. Zusam­men mit dem Pati­en­ten folgt dar­auf­hin der Fein­schliff der Pro­the­se. Letz­te Anpas­sun­gen am Schaft sowie des sta­ti­schen Auf­baus wer­den durch funk­tio­nel­le Unter­su­chun­gen mit dem Pati­en­ten durchgeführt.

Der Unter­schied zwi­schen dem digi­ta­len Pro­zess und der her­kömm­li­chen Pro­the­sen­her­stel­lung zeigt sich erst bei der Über­füh­rung der Test­pro­the­se in eine Defi­ni­tiv­pro­the­se. Hier­für wird die kom­plet­te Pro­the­se ein­ge­scannt. Um das opti­ma­le Scan­ver­fah­ren für die­sen Anwen­dungs­fall zu ermit­teln, haben Exper­ten des Fraun­ho­fer IPA ver­schie­de­ne Scan­ner getes­tet (Abb. 1).

Die Duwe-3d AG ist spe­zia­li­siert auf opti­sche und tak­ti­le Koor­di­na­ten­mess­tech­nik und Ansprech­part­ner hin­sicht­lich Ver­trieb und Trai­ning zur Soft­ware Poly­Works. Die­se Soft­ware und ein geeig­ne­tes Scan­sys­tem ermög­li­chen es, Außen­flä­che und Schaftin­nen­flä­che in einem ein­zi­gen Scan zu erfas­sen. Zudem kön­nen in der Soft­ware die Scan­roh­da­ten in kur­ven­ba­sier­te Flä­chen- und Volu­men­da­ten umge­wan­delt wer­den, um eine Wei­ter­be­ar­bei­tung in ver­schie­de­nen CAD-Pro­gram­men zu ermöglichen.

Die Daten der Schaftin­nen­flä­che flie­ßen dabei direkt in die wei­te­re Kon­struk­ti­on ein, wäh­rend die Außen­geo­me­trie der Pro­the­se als Ori­en­tie­rung des sta­ti­schen Auf­baus im digi­ta­len Raum dient. Dabei wer­den Tei­le aus einer digi­ta­len Biblio­thek aus­ge­wählt, anhand des Scans aus­ge­rich­tet und im CAD-Pro­gramm mit­ein­an­der ver­bun­den. Theo­re­tisch könn­te die gesam­te Pro­the­se mono­li­thisch her­ge­stellt wer­den. In der Pra­xis wird auf­grund ver­schie­de­ner Anpas­sungs­mög­lich­kei­ten sowie Zusatz­funk­tio­nen zumeist der Pro­the­sen­fuß von der rest­li­chen Pro­the­se getrennt und mit­tels eines geeig­ne­ten Adap­ter­sys­tems ver­bun­den. So kön­nen auch noch letz­te Fein­ein­stel­lun­gen in die­sem Bereich vor­ge­nom­men wer­den (Abb. 2).

Der her­kömm­li­che Auf­bau von Pro­the­sen wird mit ver­schie­de­nen Ver­bund­werk­stof­fen ent­spre­chend den Erfah­run­gen des Ortho­pä­die-Tech­ni­kers hin­sicht­lich der Anfor­de­run­gen des Pati­en­ten zusam­men­ge­fügt. Im Gegen­satz zu CAD-gene­rier­ten Kon­struk­tio­nen kön­nen dabei kei­ne digi­ta­len Simu­la­ti­ons­mo­del­le erzeugt wer­den. Die­se ermög­li­chen es, mecha­ni­sche Belas­tun­gen vir­tu­ell nach­zu­stel­len und eine Aus­sa­ge über die Fes­tig­keit der Pro­the­se zu tref­fen, bevor die­se her­ge­stellt wird. Man spricht hier­bei von einer Fest­körper­si­mu­la­ti­on nach der Fini­te-Ele­men­te-Metho­de. Die­se Simu­la­ti­on in Ver­bin­dung mit der addi­ti­ven Fer­ti­gung bie­tet den Vor­teil einer kon­ti­nu­ier­li­chen simu­la­ti­ons­ge­stütz­ten Form­op­ti­mie­rung. Über ver­schie­de­ne Ver­fah­ren kann die Mate­ri­al­ver­tei­lung ent­spre­chend den Belas­tungs­an­for­de­run­gen abge­stimmt werden.

Die soge­nann­te Topo­lo­gie­op­ti­mie­rung ist eine bio­nisch inspi­rier­te Metho­de zur Mini­mie­rung des Gewichts von Bau­tei­len unter Berück­sich­ti­gung defi­nier­ter Sta­bi­li­täts­fak­to­ren. Die soge­nann­te Soft-Kill-Opti­on (SKO) ori­en­tiert sich bei­spiels­wei­se am Vor­bild der Osteo­klas­ten (Fress­zel­len des mensch­li­chen Kör­pers), die dem Kno­chen sei­ne schwamm­för­mi­ge Matrix ver­lei­hen und somit ein opti­ma­les Gleich­ge­wicht zwi­schen Gewicht und Sta­bi­li­tät anstre­ben 5. Bei der Kon­struk­ti­on kön­nen somit fle­xi­ble und stei­fe Berei­che im Modell frei defi­niert und ent­spre­chend den Anfor­de­run­gen an auf­kom­men­de Belas­tun­gen erstellt wer­den. Eine leich­te­re Bau­wei­se als gesamt­ge­fer­tig­te Pro­the­se ist durch die­se Opti­mie­rung mög­lich. Aber auch ein simu­la­ti­ons­ge­stütz­ter Schaft mit Anbin­dung an das Modu­lar­sys­tem, der die Kraft­an­stren­gung bei der all­täg­li­chen Bewe­gung ver­rin­gert, könn­te durch com­pu­ter­ge­stütz­te Opti­mie­rungs­ver­fah­ren in Zukunft mög­lich sein. Auch Simu­la­tio­nen und Opti­mie­run­gen auf beson­de­re Anfor­de­run­gen und Belas­tun­gen im Sport- oder Frei­zeit­be­reich sind denk­bar. So könn­ten bei der Kon­struk­ti­on fle­xi­ble­re und stei­fe­re Berei­che im Modell defi­niert wer­den, die den beson­de­ren Anfor­de­run­gen entsprechen.

Nicht nur Pro­the­sen, son­dern auch Orthe­sen kön­nen durch die digi­ta­le Opti­mie­rung indi­vi­du­ell ange­passt wer­den. Ins­be­son­de­re für die The­ra­pie chro­ni­scher Krank­heits­bil­der, bei denen Schie­nen über einen lan­gen Zeit­raum getra­gen wer­den müs­sen, kann dies Vor­tei­le brin­gen. Die fle­xi­ble Bau­wei­se der Schie­nen­struk­tur erlaubt eine hohe Atmungs­ak­ti­vi­tät ohne Beein­träch­ti­gung der Sta­bi­li­tät. Selbst Schraub­ver­schlüs­se kön­nen über das Laser­sin­ter­ver­fah­ren, inklu­si­ve der frei beweg­li­chen Schrau­be im Gewin­de, direkt aus­ge­druckt wer­den. Dies ist durch den schicht­wei­sen Auf­bau des Objekts, das fein­kör­ni­ge Pul­ver als Roh­ma­te­ri­al sowie die punkt­ge­naue Ver­schmel­zung durch den Laser mög­lich (Abb. 3).

Gro­ße zeit­li­che Ein­spa­run­gen las­sen sich bei der Her­stel­lung zwei­er Pro­the­sen für einen Pati­en­ten rea­li­sie­ren. So kann bei­spiels­wei­se ein bein­am­pu­tier­ter Pati­ent eine zusätz­li­che Ver­sor­gung mit einer was­ser­fes­ten Pro­the­se (Bade­pro­the­se) bean­spru­chen 6. Wäh­rend für die CAD-Kon­struk­ti­on der ers­ten Ver­sor­gung noch eini­ge Stun­den an Arbeits­zeit am Com­pu­ter not­wen­dig sind, kann die Umwand­lung der CAD-Daten von All­tags­pro­the­se zu Bade­pro­the­se inner­halb sehr kur­zer Zeit vor­ge­nom­men werden.

Den­noch kann die digi­ta­le Pro­zess­ket­te nicht dazu ein­ge­setzt wer­den, die hand­werk­li­che Arbeit zu auto­ma­ti­sie­ren. Das ortho­pä­di­sche Fach­wis­sen ist auch bei der addi­ti­ven Fer­ti­gung die wich­tigs­te Grund­la­ge, um qua­li­ta­tiv hoch­wer­ti­ge Pro­the­sen her­zu­stel­len. Ledig­lich ein klei­ner Teil der Arbeits­zeit kann von der Werk­statt an den Com­pu­ter trans­fe­riert werden.

Addi­ti­ve Fer­ti­gung auf dem Prüfstand

In der For­schung am Fraun­ho­fer IPA wur­de die Pro­the­se neben dyna­mi­schen FEM-Simu­la­tio­nen einem eigens ent­wi­ckel­ten robo­ter­ba­sier­ten Test­pro­zess unter­zo­gen. Per mar­ker­ge­stütz­ter drei­di­men­sio­na­ler Bewe­gungs­er­fas­sung wur­den die Gang­da­ten des Pro­ban­den gesam­melt, die dann an einem 6‑Achs-Robo­ter­sys­tem exakt nach­ge­bil­det wer­den kön­nen 7 (Abb. 4). Neben neu­en Test­me­tho­den wer­den auch tra­di­tio­nel­le Test­me­tho­den für die Pro­dukt­ent­wick­lung ein­ge­setzt, sodass bei­spiels­wei­se der addi­ti­ve Pro­the­sen­fuß bereits eine Prü­fung nach DIN EN ISO 10328 erfolg­reich durch­lau­fen hat und eine bal­di­ge Markt­ein­füh­rung durch ein Spin-off des Fraun­ho­fer IPA geplant ist.

Auch in ande­ren Berei­chen kann ein ähn­li­cher Pro­zess­ab­lauf durch­ge­führt wer­den. Zum Bei­spiel kön­nen auf die­se Wei­se auch Orthe­sen oder ande­re Hilfs­mit­tel getes­tet und ver­bes­sert wer­den. Durch die geo­me­tri­sche Frei­heit der addi­ti­ven Ver­fah­ren kön­nen fei­ne Struk­tu­ren dabei hel­fen, die Eigen­schaf­ten der Hilfs­mit­tel zu ver­bes­sern. So kön­nen über die­se Struk­tu­ren bei­spiels­wei­se die bereits auf­ge­führ­te Atmungs­ak­ti­vi­tät wie auch Leicht­bau­struk­tu­ren rea­li­siert wer­den. Zudem sind durch die indi­vi­du­el­le Kon­struk­ti­on jedes Hilfs­mit­tels auch in Bezug auf das Design neue Mög­lich­kei­ten gege­ben und neue For­men umsetz­bar. Das Design des Hilfs­mit­tels ist zwar ein sekun­dä­rer Fak­tor – der Fokus liegt zunächst auf der Funk­tio­na­li­tät, die je nach Pro­dukt Fehl­stel­lun­gen kor­ri­giert, Gelen­ke ent­las­tet oder feh­len­de Glied­ma­ßen best­mög­lich ersetzt. Der Aspekt der Ästhe­tik bzw. des Designs darf jedoch nicht ver­nach­läs­sigt wer­den, denn Pro­the­sen und Orthe­sen ste­hen stets im Zusam­men­hang mit ortho­pä­di­schen, trau­ma­ti­schen oder neu­ro­lo­gi­schen Schick­sa­len, die sich nicht sel­ten nega­tiv auf die psy­chi­sche Ver­fas­sung der Betrof­fe­nen aus­wir­ken. Eine hohe Akzep­tanz des Hilfs­mit­tels ist enorm wich­tig; ein dem Lebens­stil des Betrof­fe­nen ent­spre­chen­des Design kann dazu bei­tra­gen, die­se Akzep­tanz zu errei­chen. Gera­de bei Kin­dern und Jugend­li­chen kann eine Mit­ge­stal­tung des Hilfs­mit­tels beson­ders zur Com­pli­an­ce – also zur The­ra­pie­treue – bei­tra­gen. Das 3‑D-Dru­cken ermög­licht hier eine hohe Design­frei­heit sowie die Mög­lich­keit, auf indi­vi­du­el­le Wün­sche ein­zu­ge­hen und das Hilfs­mit­tel aktiv mitzugestalten.

Die Vor­tei­le der addi­ti­ven Fer­ti­gung müs­sen jedoch auch immer in einem adäqua­ten Ver­hält­nis zu den Kos­ten ste­hen. Der­zeit eig­net sich das oben beschrie­be­ne Laser­sin­ter­ver­fah­ren am bes­ten für die Fer­ti­gung inno­va­ti­ver und hoch­gra­dig funk­tio­nel­ler Hilfs­mit­tel. Rich­tig ein­ge­setzt ist es bereits heu­te in der Lage, wirt­schaft­lich mit tra­di­tio­nel­len Ver­fah­ren mitzuhalten.

Ein ande­res gän­gi­ges Ver­fah­ren der addi­ti­ven Fer­ti­gung ist das soge­nann­te Fused Depo­si­ti­on Mode­ling (FDM), bei dem ein Kunst­stoff­fi­la­ment erhitzt und auf­ge­tra­gen wird. Die­ses 3‑D-Druck­ver­fah­ren ist deut­lich preis­güns­ti­ger, sowohl was die Maschi­nen­prei­se als auch was die Mate­ri­al­kos­ten betrifft. Die so her­ge­stell­ten Hilfs­mit­tel müs­sen ver­fah­rens­be­dingt mit geo­me­trisch ein­fa­che­ren For­men aus­kom­men, da das FDM-Ver­fah­ren hier gewis­se Ein­schrän­kun­gen auf­weist. Ein Pro­the­sen­fuß konn­te als funk­ti­ons­fä­hi­ger Pro­to­typ bereits für die­se Druck­tech­nik ent­wi­ckelt wer­den. Auf dem aktu­el­len Ent­wick­lungs­stand der Tech­nik ist er aller­dings noch nicht mit einem ener­gie­rück­ge­ben­den Kom­po­sit­fuß ver­gleich­bar. Der Fokus liegt der­zei­tig noch schlicht auf Robust­heit und Lang­le­big­keit (Abb. 5, 6, 7).

Fazit

Die Tech­nik des 3‑D-Drucks bie­tet eine Viel­zahl an Mög­lich­kei­ten und Vor­tei­len für die Ortho­pä­die-Tech­nik. Den­noch muss auch kri­tisch hin­ter­fragt wer­den, wo und in wel­chem Maß der Ein­satz eines digi­ta­len Pro­zes­ses sinn­voll ist. Dem Anwen­der der vor­ge­stell­ten Ver­fah­ren soll­te auch bewusst sein, dass es noch eine Rei­he an Nach­tei­len gibt. So hat der 3‑D-Druck noch Ent­wick­lungs­be­darf in Punk­ten wie Ober­flä­chen­gü­te, Bio­kom­pa­ti­bi­li­tät oder Qua­li­täts­si­che­rung. Rich­tig ein­ge­setzt bie­tet er jedoch zukunfts­wei­sen­de Per­spek­ti­ven und ist eine Erwei­te­rung der bis­he­ri­gen Ver­fah­ren. Dadurch haben addi­ti­ve Ver­fah­ren das Poten­zi­al, lang­fris­tig einen fes­ten Platz in der Ortho­pä­die­Tech­nik einzunehmen.

Für die Autoren:
M.Sc. Dipl.-Des. (FH) Jan­nis Breuninger
Fraun­ho­fer-Insti­tut für Pro­duk­ti­ons­tech­nik und Auto­ma­ti­sie­rung IPA
Nobel­str. 12
70569 Stutt­gart
Jannis.Breuninger@ipa.fraunhofer.de
Urban.Daub@ipa.fraunhofer.de

Begut­ach­te­ter Beitrag/reviewed paper

Zita­ti­on
Bre­u­n­in­ger J, Daub U, Wer­der R, Schnei­der U. Poten­zia­le addi­ti­ver Fer­ti­gungs­ver­fah­ren für die Ortho­pä­die-Tech­nik. Ortho­pä­die Tech­nik, 2015; 66 (6): 22–27
  1. Murr LE, Gay­tan SM, Mar­ti­nez E, Medi­na F, Wicker RB. Next genera­ti­on ortho­pa­e­dic implants by addi­ti­ve manu­fac­tu­ring using elec­tron beam mel­ting. Inter­na­tio­nal Jour­nal of Bio­ma­te­ri­als, 2012: 245727. doi: 10.1155/2012/245727
  2. Sta­tis­ti­sches Bun­des­amt (Desta­tis). Pro­du­zie­ren­des Gewer­be. Unter­neh­men, täti­ge Per­so­nen und Umsatz im Hand­werk, Berichts­jahr 2010 (Fach­se­rie 4 Rei­he 7.2), 2013
  3. Sta­tis­ti­sches Bun­des­amt (Desta­tis). Sozi­al­leis­tun­gen. Schwer­be­hin­der­te Men­schen, Berichts­jahr 2011 (Fach­se­rie 13 Rei­he 5.1), 2013
  4. Baum­gart­ner R, Bot­ta P. Ampu­ta­ti­on und Pro­the­sen­ver­sor­gung. 3. Auf­la­ge. Stutt­gart, New York: Thie­me Ver­lag, 2007
  5. Bre­u­n­in­ger J. Gene­ra­ti­ve Fer­ti­gung mit Kunst­stof­fen. Kon­zep­ti­on und Kon­struk­ti­on für selek­ti­ves Laser­sin­tern. Ber­lin [u. a.]: Sprin­ger, 2013
  6. Bun­des­so­zi­al­ge­richt Az: B 3 KR 2/08 R – Ent­schei­dungs­da­tum: 25.06.2009
  7. Star­ker F, Den­ner­lein F, Blab F, Schnei­der U. Simu­la­ti­on des Pro­the­sen­gangs mit­tels eines Sechs-Achs-Robo­ters. Ortho­pä­die Tech­nik, 2013; 64 (9): 36–45
Tei­len Sie die­sen Inhalt
Anzeige