Zukunft und Gegen­wart der Digitalisierung

„Die­se zwei Minu­ten mehr Rede­zeit wer­de ich ger­ne fül­len“, erklär­te Prof. Ber­tolt Mey­er, ers­ter Red­ner beim Semi­nar der Bun­des­fach­schu­le für Ortho­pä­die-Tech­nik (Bufa) zur „Digi­ta­len Fer­ti­gung“ am 12. Janu­ar. Dr. Ann-Kath­rin Höm­me, Lei­te­rin des Insti­tuts für Mess­tech­nik und Bio­me­cha­nik und Lei­tung des Stu­di­en­gangs Ortho­pä­die- und Reha­bi­li­ta­ti­ons­tech­nik der Bufa, hat­te die rund 85 Teilnehmer:innen an den Bild­schir­men zum ers­ten Tag des Semi­nars aus Dort­mund begrüßt und war mit ihrem Part die besag­ten zwei Minu­ten eher fer­tig gewor­den, so dass Mey­er in den digi­ta­len Mit­tel­punkt rückte. 

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Ent­wick­lung bio­in­spi­rier­ter und selbst­for­men­der Orthe­sen per 4D-Druck

T. Cheng, M. Thie­len, S. Pop­pinga, Y. Tahouni, D. Wood, Th. Stein­berg, A. Men­ges, Th. Speck
Unter dem Begriff „4D-Druck“ ver­steht man 3D-Druck­ver­fah­ren, bei denen sich die erzeug­ten Werk­stü­cke noch nach dem eigent­li­chen Druck­ver­fah­ren durch exter­ne Sti­mu­li wie Tem­pe­ra­tur oder Feuch­tig­keit kon­trol­liert ver­for­men. Die vier­te Dimen­si­on ist somit die Zeit bis zum Errei­chen einer spä­te­ren Gestalt. In die­sem Arti­kel wird ein Ansatz zur Mate­ri­al­pro­gram­mie­rung für selbst­for­men­de Mate­ri­al­sys­te­me auf der Grund­la­ge bio­lo­gi­scher Vor­bil­der vor­ge­stellt, die per 4D-Druck erstellt wer­den. Der Ansatz basiert auf einem Berech­nungs­mo­dell zur Bestim­mung mecha­ni­scher Eigen­schaf­ten und zur Gestal­tung von Form­än­de­run­gen. Mit Hil­fe des 3D-Drucks wer­den mit­tels Extru­si­on die gewünsch­ten Eigen­schaf­ten und Ver­hal­tens­wei­sen in einem Mul­ti-Mate­ri­al- und Mul­ti-Lay­er-Sys­tem kodiert, das auf der Meso­ska­la mit einer maxi­ma­len Auf­lö­sung von 0,5 mm struk­tu­riert ist.
Die Metho­dik wur­de anhand einer Fall­stu­die zum bio­mime­ti­schen Design eva­lu­iert. Hier­bei wur­de die Haft­stra­te­gie einer sich win­den­den Klet­ter­pflan­ze, der Luft­kar­tof­fel (Dio­scorea bul­bi­fera), die auf der Gene­rie­rung von Anpress­kräf­ten beruht, abs­tra­hiert und auf eine durch 4D-Druck her­ge­stell­te Orthe­se über­tra­gen. Die von den bio­in­spi­rier­ten Mecha­nis­men erzeug­ten Anpress­kräf­te wur­den anschlie­ßend mit Sen­so­ren gemessen.
Schließ­lich wur­den die pro­gram­mier­ten auf Selbst­span­nung beru­hen­den Anpress­kräf­te und die inte­grier­te Mul­ti­funk­tio­na­li­tät in eine Rei­he pro­to­ty­pi­scher Hand­ge­lenk-Unter­arm-Schie­nen in Form von Demons­tra­to­ren über­tra­gen – ein gän­gi­ges ortho­pä­di­sches Hilfs­mit­tel für die Stel­lungs­kor­rek­tur oder Ent­las­tung die­ses Kör­per­ab­schnitts. Die aus dem vor­ge­stell­ten Design­an­satz resul­tie­ren­den per 4D-Druck ent­stan­de­nen Mate­ri­al­sys­te­me unter­strei­chen die Vor­tei­le der Über­tra­gung bio­mime­ti­scher Prin­zi­pi­en auf ortho­pä­di­sche Hilfs­mit­tel und dar­über hinaus.

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Fin­ger­be­we­gungs­or­the­se zur Unter­stüt­zung der Reha­bi­li­ta­ti­on nach Fingerverletzungen

J. Kux, M. Bra­vo, T. Het­ten­hau­sen, V. Bartels, C. Gar­cía, S. Bau­er, A. F. Schilling
Das Grün­der­team „3Digity“ an der Georg-August-Uni­ver­si­tät Göt­tin­gen ent­wi­ckelt eine motor­be­trie­be­ne Fin­ger­be­we­gungs­or­the­se, um den Reha­bi­li­ta­ti­ons­pro­zess nach Fin­ger­ver­let­zun­gen zu unter­stüt­zen. Der Fer­ti­gungs­pro­zess ver­läuft kom­plett digi­tal; die Orthe­se wird mit­tels 3D-Druck her­ge­stellt. Sie kann daher indi­vi­du­ell und pass­ge­nau auf die jewei­li­ge Indi­ka­ti­on und auf die Bedürf­nis­se der Pati­en­tin­nen und Pati­en­ten zuge­schnit­ten werden.
Eine dadurch ermög­lich­te digi­tal erwei­ter­te Bewe­gungs­the­ra­pie soll ange­sichts des Fach­kräf­te­man­gels in die­sem Bereich mög­li­che Fol­ge­schä­den wie Bewe­gungs­ein­schrän­kun­gen der Fin­ger ver­mei­den hel­fen. Ein inter­dis­zi­pli­nä­res For­scher­team arbei­tet im Rah­men eines For­schungs­trans­fer-Pro­gramms an der Grün­dung eines Spin-off-Unter­neh­mens, um die­se Inno­va­ti­on auf den Markt zu bringen.

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Der digi­ta­le Schuhmacher

Schon seit Jah­ren ist Ortho­pä­die­schuh­ma­cher-Meis­ter Mar­tin Jae­ger begeis­tert von den Mög­lich­kei­ten digi­ta­ler Fer­ti­gungs­tech­ni­ken. Anfang 2020 sprach die OT-Redak­ti­on mit ihm über sei­ne Erfah­run­gen und sei­ne Pro­gno­se für die Zukunft. Jetzt, mehr als zwei­ein­halb Jah­re spä­ter, wid­met sich der 61-Jäh­ri­ge dem The­ma in Voll­zeit. Sei­ne Antei­le an der Ortho­pä­die­tech­nik W. Jae­ger GmbH hat er an sei­nen Bru­der ver­kauft und gemein­sam mit sei­ner Frau Mar­ti­na Jae­ger die Fir­ma Trans2form gegrün­det, für die er als CEO Betrie­be und Her­stel­ler aus den Berei­chen Ortho­pä­die-Schuh­tech­nik und Ortho­pä­die-Tech­nik auf dem Weg in die digi­ta­le Welt berät.

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Otto­bock setzt auf 3D-gedruck­te Prothesenschäfte

Die Addi­ti­ve Fer­ti­gung hält in immer mehr Berei­chen der Ortho­pä­die-Tech­nik Ein­zug. Bei Otto­bock wird bei­spiels­wei­se auf 3D-gedruck­te Pro­the­sen­schäf­te gesetzt. Trotz erschwer­ter Bedin­gun­gen auf­grund der Coro­na­pan­de­mie ist der Schaft MyFit TT nun auf dem Markt. Wie dem Hilfs­mit­tel­her­stel­ler das gelun­gen ist und wel­che Vor­tei­le die Tech­nik und das Pro­dukt bie­ten, erläu­tert Fran­zis­ka Leh­mann, Seni­or Digi­tal Pro­duct Mana­ger iFab, im Gespräch mit der OT-Redaktion.

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Ent­wick­lung eines addi­tiv ­gefer­tig­ten Multifunktions­bauteils für einen Roll­stuhl in Leichtbauweise

T. Goll­mer, St. Pluppins
Der Arti­kel behan­delt die Ent­wick­lung eines addi­tiv gefer­tig­ten mul­ti­funk­tio­nel­len Bau­teils für indi­vi­du­el­le Aktiv­roll­stüh­le in Leicht­bau­wei­se. Zunächst wer­den Grund­be­grif­fe geklärt, um ein grund­sätz­li­ches Ver­ständ­nis über die Tech­no­lo­gie der addi­ti­ven Fer­ti­gung zu ver­mit­teln. Anschlie­ßend erfolgt die Kon­zep­ti­on des Bau­teils. Dazu wird ein ers­tes Kon­zept als Grund­la­ge für das Bau­teil­de­sign erstellt. In einem wei­te­ren Schritt wird eine soge­nann­te Topo­lo­gie­op­ti­mie­rung durch­ge­führt, um eine Vor­stel­lung von der opti­ma­len Mate­ri­al­ver­tei­lung inner­halb des Bau­teils zu erhal­ten. Dies und beson­de­re Richt­li­ni­en, die im „Prac­ti­cal Gui­de to Design for Addi­ti­ve Manu­fac­tu­ring“ von Die­gel et al. fest­ge­hal­ten sind, sind essen­zi­el­le Aspek­te einer adäqua­ten Ent­wick­lung addi­ti­ver Bau­tei­le (Quel­le: Die­gel O, Nor­din A, Mot­te D. A Prac­ti­cal Gui­de to Design for Addi­ti­ve Manu­fac­tu­ring. Sin­ga­po­re: Sprin­ger Natu­re, 2020). Nach­dem ein ent­spre­chen­des Bau­teil­de­sign ent­wi­ckelt wor­den ist, wird das addi­ti­ve Bau­teil per CAD kon­stru­iert und anschlie­ßend simu­liert. Es folgt eine Opti­mie­rung und Wei­ter­ent­wick­lung des Bau­teils in meh­re­ren Ite­ra­ti­ons­schlei­fen. Abschlie­ßend wird ein grund­le­gen­der Ver­gleich mit einem CNC-gefer­tig­ten Bau­teil gezo­gen, um die Eigen­schaf­ten der bei­den Fer­ti­gungs­ver­fah­ren ein­an­der gegen­über­zu­stel­len. Dabei wer­den geo­me­tri­sche, mecha­ni­sche und nach­hal­ti­ge Aspek­te mit­ein­an­der verglichen.

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Digi­ta­li­sie­rung und 3D-Druck als Werk­zeu­ge in der Ortho­pä­die­tech­nik – Pro­zess­op­ti­mie­rung zur wis­sens­ba­sier­ten Kon­struk­ti­on und Aus­le­gung von Bewe­gungs­ele­men­ten für die Her­stel­lung indi­vi­du­el­ler Orthesen

L. Mika, A. Hil­big, U. Geb­hardt, F. Hirsch, P. Naa­ke, M. Buro, S. Holtz­hau­sen, K. Paetzold
Ziel des vor­ge­stell­ten Pro­jekts ist die Ent­wick­lung einer durch­gän­gi­gen digi­ta­len Pro­zess­ket­te in Ver­bin­dung mit der Bereit­stel­lung einer Tool­box zur wis­sens­ba­sier­ten Para­me­ter­aus­wahl für die Gene­rie­rung last­an­ge­pass­ter Bewe­gungs­ele­men­te indi­vi­du­el­ler Orthe­sen. Grund­la­ge ist die para­me­tri­sche Beschrei­bung und Erzeu­gung dis­kre­ter Geo­me­trien sowie die nume­ri­sche Aus­le­gung einer ent­spre­chen­den Anzahl zufäl­lig gewähl­ter Para­me­ter­sät­ze für die Anlern­pha­se des maschi­nel­len Ler­nens. Die geo­me­tri­schen Model­le ste­hen auf die­se Wei­se den Ortho­pä­die­tech­ni­ke­rin­nen und ‑tech­ni­kern für die digi­ta­le Orthe­sen­mo­del­lie­rung zur Ver­fü­gung. Das (Teil-)Forschungsprojekt erfolg­te in Koope­ra­ti­on der Pro­fes­sur für Nume­ri­sche und Expe­ri­men­tel­le Fest­kör­per­me­cha­nik der TU Dres­den sowie der Ortho­pä­die- und Reha­tech­nik Dres­den GmbH.

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Mecha­ni­sche Unter­su­chung von addi­tiv gefer­tig­tem Poly­amid 12 unter Berück­sich­ti­gung werk­stoff­be­ein­flus­sen­der Fak­to­ren aus dem All­tag ortho­pä­di­scher Hilfsmittel

C. Halbau­er, S. Matyssek, M. Boos, J. Gre­go­i­re, F. Capanni
3D-gedruck­te ortho­pä­di­sche Hilfs­mit­tel eröff­nen neue Funk­ti­ons- und Gestal­tungs­mög­lich­kei­ten und ver­bes­sern die Ver­sor­gungs­qua­li­tät mit­tels pati­en­ten­in­di­vi­du­el­ler Lösun­gen. Unab­ding­bar ist dabei die Gewähr­leis­tung der grund­le­gen­den Sicher­heits- und Leis­tungs­an­for­de­run­gen der Hilfs­mit­tel, beson­ders wenn die­se unter­schied­li­chen Belas­tun­gen und Umge­bungs­ein­flüs­sen aus­ge­setzt sind. Um dies zu gewähr­leis­ten, muss fol­gen­de Fra­ge beant­wor­tet wer­den kön­nen: Wel­che im All­tag vor­kom­men­den Fak­to­ren beein­flus­sen die mecha­ni­schen Eigen­schaf­ten 3D-gedruck­ter Mate­ria­li­en und redu­zie­ren womög­lich die Leis­tungs­fä­hig­keit des Hilfs­mit­tels? Die­ser Fra­ge wur­de im Rah­men lau­fen­der For­schungs­pro­jek­te zur Ent­wick­lung addi­tiv gefer­tig­ter Orthe­sen und Pro­the­sen nach­ge­gan­gen [Quel­le: Ent­wick­lung eines Ver­fah­rens zur auto­ma­ti­sier­ten Kon­struk­ti­on, Aus­le­gung und Fer­ti­gung pati­en­ten­in­di­vi­du­el­ler Hilfs­mit­tel im 3D-Druck. ZIM-Koope­ra­ti­ons­pro­jekt, För­der­kenn­zei­chen ZF4137909AW8; Ent­wick­lung eines last­ad­ap­tier­ten Vor­fuß­pro­the­sen­sys­tems zur Indi­vi­du­al­ver­sor­gung von vor­fuß­am­pu­tier­ten Pati­en­ten mit hohem Mobilitäts­anspruch. ZIM-Koope­ra­ti­ons­pro­jekt, För­der­kenn­zei­chen KF2186207AK4]. Anhand eines spe­zi­ell für die­sen Zweck ent­wi­ckel­ten Ablauf­plans wur­de addi­tiv gefer­tig­tes Poly­amid 12 ver­schie­de­nen Ein­flüs­sen aus dem All­tag aus­ge­setzt und in Anleh­nung an eine stan­dar­di­sier­te Bie­ge­prü­fung für Poly­me­re (DIN EN ISO 178) mecha­nisch geprüft und bewertet.

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Im Ein­zel­fall schnel­ler und bes­ser versorgen

Das Sani­täts­haus Klinz mit rund 100 Mitarbeiter:innen in zehn Filia­len in Sach­sen-Anhalt gilt als Vor­rei­ter für ­addi­ti­ve Fer­ti­gung in der Bran­che. Seit 2016 ­eta­blier­te ­Inha­ber und Geschäfts­füh­rer Gerd Klinz Schritt für Schritt eine digi­ta­le Werk­statt. Sein Ziel damals wie heu­te: in beson­de­ren Fäl­len Patient:innen schnel­ler oder bes­ser zu ver­sor­gen bzw. Hilfs­mit­tel zu fer­ti­gen, die in Ver­ges­sen­heit gera­ten sind wie Orthe­sen nach NYROP.

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3D-Druck – Mög­lich­kei­ten und Gren­zen in der Orthopädietechnik

A. Grus­ka, I. Heu­zeroth, K. Popp
Der 3D-Druck ist wei­ter auf dem Vor­marsch und bahnt sich ange­sichts der Her­stell­bar­keit indi­vi­dua­li­sier­ter Pro­duk­te mit­tels digi­ta­ler und auto­ma­ti­sier­ter Fer­ti­gungs­ket­te auch sei­nen Weg in die Medi­zin. Der Ober­be­griff „Addi­ti­ve Fer­ti­gung“ umfasst dabei ein brei­tes Spek­trum unter­schied­li­cher Ver­fah­ren, von denen jedes bestimm­te Vor- und Nach­tei­le auf­weist. Pul­ver­ba­sier­te Tech­no­lo­gien wie das Laser­sin­tern (LS) bie­ten dabei die größ­ten Frei­heits­gra­de bezüg­lich der Kom­ple­xi­tät der Bau­tei­le, ohne dass spe­zi­el­les Stütz­ma­te­ri­al ver­wen­det wer­den muss. Im Fol­gen­den wird das LS-Ver­fah­ren bezüg­lich sei­ner Ver­wen­dungs­mög­lich­kei­ten in der Ortho­pä­die­tech­nik ins­be­son­de­re im Hin­blick auf die ein­setz­ba­ren Mate­ria­li­en und die beson­de­ren Eigen­schaf­ten der auf die­se Wei­se gedruck­ten Bau­tei­le dis­ku­tiert – auch in Abgren­zung zu alter­na­ti­ven Tech­no­lo­gien wie „Mul­ti Jet Fusi­on“ (MJF) und „Fused Lay­er Mode­ling“ (FLM).

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