Tech­no­lo­gie­be­trach­tung neu­ar­ti­ger ther­mo­plas­ti­scher Faser­ver­bund­halb­zeu­ge für Leicht­bau­an­wen­dun­gen in der Orthopädie-Technik

R. Blei, S. Eckardt, T. Lebelt, A. Becke, M. Krahl, N. Modler
Faserverbundwerkstoffe weisen hohe spezifische Steifigkeiten und Festigkeiten auf und sind sowohl durch die variable Konfigurierbarkeit der Bauteilgeometrie als auch durch ihre Materialeigenschaften für Anwendungen in der Orthopädie-Technik prädestiniert. Bisher werden vornehmlich faserverstärkte Kunststoffe mit duroplastischer Matrix eingesetzt, die in einer Vielzahl manueller Prozessschritte verarbeitet werden. Im Rahmen dieser Veröffentlichung werden neuartige thermoplastische Faserverbundhalbzeuge vorgestellt, die bereits erfolgreich in unterschiedlichen Anwendungen der Automobil- und Luftfahrtbranche eingesetzt werden und die Potenzial zur Kostenreduktion auch in orthopädietechnischen Anwendungen besitzen.

Ein­lei­tung

Als Ersatz für den unfall- oder krank­heits­be­ding­ten Ver­lust von Extre­mi­tä­ten stel­len Pro­the­sen ein weit­ver­brei­te­tes Hilfs­mit­tel für die Betrof­fe­nen dar, um mit wie­der­ge­won­ne­ner Mobi­li­tät wei­ter­hin am täg­li­chen L eben teil­ha­ben zu kön­nen. Dar­über hin­aus gehö­ren Beschwer­den und Erkran­kun­gen des Bewe­gungs­ap­pa­ra­tes zu den häu­figs­ten Gesund­heits­stö­run­gen und wer­den unter ande­rem durch den Ein­satz indi­vi­du­ell ange­pass­ter ortho­pä­di­scher Hilfs­mit­tel behan­delt. Die demo­gra­fi­sche Ver­schie­bung in West­eu­ro­pa führt zu einer wach­sen­den älte­ren Bevöl­ke­rung und somit zu einem stei­gen­den Durch­schnitts­al­ter mit erhöh­tem Pfle­ge­be­darf bei gleich­zei­ti­gem Wunsch nach dau­er­haf­ter Mobi­li­tät. Gleich­zei­tig nimmt die Zahl der sich auf Knie- und Fuß­ge­len­ke aus­wir­ken­den Krank­hei­ten wie Osteo­ar­thri­tis oder Osteo­po­ro­se zu. Erkran­kun­gen des Bewe­gungs­ap­pa­ra­tes gehö­ren dem­nach zu den acht häu­figs­ten Krank­heits­bil­dern in Euro­pa; schät­zungs­wei­se lei­den fast 25 % der Erwach­se­nen unter lang­jäh­ri­gen Sym­pto­men 1. Dar­über hin­aus wird der Markt durch eine stei­gen­de Zahl von Ver­let­zun­gen und Frak­tu­ren sowie durch wach­sen­de Pro-Kopf-Aus­ga­ben für die Gesund­heits­ver­sor­gung beeinflusst.

Die­se Ent­wick­lun­gen füh­ren unter ande­rem dazu, dass die Gesund­heits­wirt­schaft im Ver­gleich zur Gesamt­wirt­schaft über­durch­schnitt­li­che Wachs­tums­ra­ten auf­weist: Sie ist in den letz­ten zehn Jah­ren mit 4,1 % pro Jahr stär­ker gewach­sen als die deut­sche Volks­wirt­schaft ins­ge­samt. Vom welt­wei­ten Gesamt­um­satz der Medi­zin­tech­nik ent­fal­len 16 % auf das Seg­ment „Ortho­pä­die, Gelen­ke, Pro­the­tik und Implan­ta­te“. Der Jah­res­um­satz die­ses Seg­ments wird auf 26,5 Mrd. US-Dol­lar im Jahr 2017 bezif­fert, und es kann eine Umsatz­stei­ge­rung auf 47,1 Mrd. US-Dol­lar im Jahr 2024 erwar­tet wer­den 2. Damit unter­liegt die Bran­che einem enor­men Wachs­tum, was auch zur Fol­ge­hat, dass der stei­gen­de Bedarf an maß­ge­schnei­der­ten ortho­pä­di­schen Pro­duk­ten neue, teils auto­ma­ti­sier­te Her­stel­lungs­pro­zes­se erfor­dert, die bis­he­ri­ge, durch Hand­ar­beit gekenn­zeich­ne­te Ver­fah­rennur bedingt leis­ten kön­nen 3.

In der Medi­zin­tech­nik weit ver­brei­tet ist die Anwen­dung faser­ver­stärk­ter Kunst­stof­fe mit duro­plas­ti­schen Matrix-Mate­ria­li­en. Damit las­sen sich Stei­fig­kei­ten im Bau­teil gezielt ein­stel­len und eine hohe Mas­se­e­in­spa­rung erzie­len. Jedoch erfor­dert die Ver­ar­bei­tung per Handlaminier‑, Vaku­um­in­fu­si­ons- oder druck­un­ter­stütz­tem Harz­in­fu­si­ons­ver­fah­ren einen kom­pli­zier­ten manu­el­len Arbeits­auf­wand, lan­ge Zyklus­zei­ten und die Ver­wen­dung zahl­rei­cher Hilfs­ma­te­ria­li­en. Hin­zu kom­men nach­träg­li­che Aus­dunstun­gen, hohe Mate­ri­al­kos­ten, kaum Mög­lich­kei­ten zur Nach­ver­for­mung sowie feh­len­de Wie­der­ver­wend­bar­keit. Den­noch sind duro­plas­ti­sche Faser-Kunst­stoff-Ver­bun­de (FKV) in orthe­ti­schen und pro­the­ti­schen Anwen­dun­gen Stand der Tech­nik. Jedoch sto­ßen die kon­ven­tio­nel­len Her­stel­lungs­ver­fah­ren mit zuneh­men­der Kom­ple­xi­tät der Pro­duk­te, erhöh­tem Kos­ten­druck und gleich­zei­ti­gem Wunsch nach indi­vi­du­ell ange­pass­ten Hilfs­mit­teln an ihre Grenzen.

Auch ther­mo­plas­ti­sche Werk­stof­fe sind in ortho­pä­die­tech­ni­schen Anwen­dun­gen kei­nes­falls unbe­kannt; sie wer­den vor­wie­gend für gering bean­spruch­te Bau­teil­struk­tu­ren wie etwa Schu­hein­la­gen oder Kor­set­te ein­ge­setzt. Dabei kom­men auch hier ein­fa­che manu­el­le Pro­zes­se wie das Vaku­um­tief­zie­hen zum Ein­satz. Ein beson­ders gro­ßer Vor­teil der Ther­mo­plast­bau­tei­le ist die nach­träg­li­che Ver­form­bar­keit des Werk­stoffs, was die Anpas­sung an kör­per­li­che Ver­än­de­run­gen beim Pati­en­ten ermög­licht (Tab. 1).

Der Ein­satz faser­ver­stärk­ter Ther­mo­plast­werk­stof­fe kon­zen­triert sich dage­gen bis­lang auf nicht­me­di­zi­ni­sche Anwen­dungs­be­rei­che. So ist in den letz­ten Jah­ren eine Viel­zahl ver­schie­de­ner Tech­no­lo­gien zur seri­en­fä­hi­gen Her­stel­lung von Ther­mo­plast-Faser­ver­bund­struk­tu­ren ent­wi­ckelt wor­den. Ein hoher Auto­ma­ti­sie­rungs­grad, kur­ze Zyklus­zei­ten sowie eine repro­du­zier­ba­re Bau­teil­qua­li­tät ermög­li­chen die wirt­schaft­li­che Pro­duk­ti­on ther­mo­plas­ti­scher Leicht­bau­struk­tu­ren vor­nehm­lich für Anwen­dun­gen im Luftfahrt‑, Auto­mo­bil-oder Frei­zeit­be­reich (Abb. 1). Eine Über­füh­rung des bestehen­den Know­hows auf das The­men­feld der Ortho­pä­die-Tech­nik steht jedoch bis­lang noch aus, denn es ist unbe­streit­bar eine gro­ße Her­aus­for­de­rung, die hoch auto­ma­ti­sier­ten Ver­ar­bei­tungs­ver­fah­ren mit den manu­el­len Fer­ti­gungs­pro­zes­sen der Ortho­pä­die-Tech­nik zu ver­ei­nen. Im Fol­gen­den wer­den neu­ar­ti­ge Lösungs­mög­lich­kei­ten für die­ses Pro­blem aufgezeigt.

Vor­stel­lung der Pro­zess­ent­wick­lung ther­mo­plas­ti­scher Faser­ver­bund­halb­zeu­ge für ortho­pä­die­tech­ni­sche Anwendungen

Ins­be­son­de­re für pro­the­ti­sche und orthe­ti­sche Anwen­dun­gen mit Pati­en­ten­kon­takt bie­ten sich faser­ver­stärk­te ther­mo­plas­ti­sche Halb­zeu­ge an, da sich gegen­über den bis­her eta­blier­ten duro­plas­ti­schen Ver­fah­ren nun völ­lig neue Mög­lich­kei­ten der Bau­teil- und Pro­zess­ge­stal­tung eröff­nen. Eine exem­pla­ri­sche Pro­zess­ket­te zur Fer­ti­gung der­ar­ti­ger Bau­tei­le wird in Abbil­dung 2 auf­ge­zeigt. Der Pro­zess gestal­tet sich dem­nach wie folgt:

  • Die Her­stel­lung der Ver­stär­kungs­fa­sern sowie die Zusam­men­füh­rung mit der ther­mo­plas­ti­schen Matrix erfolgt bereits beim Halb­zeug­her­stel­ler (Schritt 1).
  • In der anschlie­ßen­den tex­til­tech­ni­schen Wei­ter­ver­ar­bei­tung kön­nen sowohl flä­chi­ge als auch quer­schnitts­auf­ge­lös­te Pre­forms (sie­he unten) auto­ma­ti­siert gefer­tigt wer­den (Schritt 2).
  • Das Zusam­men­füh­ren der Ein­zel­la­gen und die Aus­for­mung der Bau­teil­geo­me­trie erfol­gen sodann im Kon­so­li­die­rungs­pro­zess (Schritt 3).
  • Die ther­mo­plas­ti­schen Mate­ri­al­ei­gen­schaf­ten erlau­ben es anschlie­ßend, wei­te­re Funk­tio­na­li­sie­run­gen, etwa mit­tels Spritz­gie­ßen, Schwei­ßen oder Nach­ver­for­men, durch­zu­füh­ren (Schritt 4).

Gegen­über durome­ren Har­zen sind ther­mo­plas­ti­sche Matrix­sys­te­me im Schmel­ze­zu­stand deut­lich hoch­vis­ko­ser, was die Imprä­gnie­rung von Ver­stär­kungs­fa­sern bei der Bau­teil­her­stel­lung spür­bar erschwert. Aus die­sem Grund haben sich Faser­halb­zeu­ge wie ther­mo­plas­ti­sche Hybrid­gar­ne oder vor­i­m­prä­gnier­te Tapes durch­ge­setzt, bei denen Faser und Ther­mo­plast­ma­trix direkt im Garn­quer­schnitt mit­ein­an­der kom­bi­niert wer­den. Die Fließ­we­ge der Schmel­ze kön­nen so auf ein Mini­mum redu­ziert wer­den. Dadurch sind nur nied­ri­ge Pro­zess­drü­cke bei Bau­teil­aus­for­mung und Kon­so­li­die­rung not­wen­dig; gleich­zei­tig kön­nen die Zyklus­zei­ten gering gehal­ten wer­den. Dar­über hin­aus lässt sich eine her­vor­ra­gen­de Lami­nat­qua­li­tät mit gerin­gem Poren­ge­halt und hoher Ober­flä­chen­gü­te erreichen.

Bei der Her­stel­lung von Hybrid­gar­nen wer­den Ther­mo­plast- und Ver­stär­kungs­fila­men­te im Garn­quer­schnitt mit­ein­an­der ver­mischt. Dazu wer­den spe­zi­el­le Ver­ar­bei­tungs­ma­schi­nen wie Com­ming­ling- oder Online-Hybrid­garn­spinn­an­la­gen ein­ge­setzt. Damit lässt sich eine Viel­zahl unter­schied­li­cher Mate­ri­al­kom­bi­na­tio­nen fer­ti­gen, und die Eigen­schaf­ten sind hin­sicht­lich des Faser­vo­lu­men­ge­hal­tes indi­vi­du­ell ein­stell­bar  4 (Abb. 3).

Im Ver­gleich zu Hybrid­gar­nen sind die Fasern in ther­mo­plas­ti­schen Tapes bereits voll­stän­dig mit der Matrix imprä­gniert. So wer­den etwa im Schmelz­im­prä­gnier­ver­fah­ren die Fila­men­te („Rovings“) der Ver­stär­kungs­fa­ser kon­ti­nu­ier­lich mit dem auf­ge­schmol­ze­nen ther­mo­plas­ti­schen Matrix­ma­te­ri­al durch­tränkt. In der­ar­ti­gen Pro­zes­sen wird ins­be­son­de­re sicher­ge­stellt, dass die Fasern gestreckt vor­lie­gen und dass kon­stan­te und hohe Faser­vo­lu­men­ge­hal­te von mehr als 50 % umge­setzt wer­den kön­nen 5. Her­stel­lung und kom­mer­zi­el­ler Erwerb die­ser Halb­zeu­ge sind in ver­schie­de­nen Mate­ri­al­kom­bi­na­tio­nen mög­lich. Ther­mo­plas­ti­sche Poly­me­rewie Poly­ethy­len (PE), Poly­pro­py­len (PP) sowie Poly­amid 12 (PA12) bil­den dabei die Band­brei­te an mög­li­chen Matrix­ma­te­ria­li­en ab, die ent­spre­chend ortho­pä­di­schen und ortho­pä­die­tech­ni­schen Bedürf­nis­sen hin­sicht­lich gerin­ger Ver­ar­bei­tungs­tem­pe­ra­tu­ren und guter mecha­ni­scher Eigen­schaf­ten gezielt aus­ge­wählt wer­den können.

Ein wesent­li­cher Vor­teil der Hybrid­garn- und Tape­halb­zeu­ge ist deren auto­ma­ti­sier­te tex­til­tech­ni­sche Wei­ter ver­ar­bei­tung zu soge­nann­ten Pre­forms. Neben bekann­ten Ver­fah­ren wie dem Weben bie­tet sich dazu ins­be­son­de­re die Flecht­tech­no­lo­gie an, mit der sowohl geschlos­se­ne als auch offe­ne tex­ti­le Struk­tu­ren für Pro­the­tik- und Orthe­tik­an­wen­dun­gen gefer­tigt wer­den kön­nen. Bei­de FKV-Ther­mo­plast­halb­zeu­ge las­sen sich auf Flü­gel­rad­flecht­ma­schi­nen ver­ar­bei­ten, wodurch in einem auto­ma­ti­sier­ba­ren Fer­ti­gungs­schritt hohe Mate­ri­al­ab­la­ge­ra­ten mög­lich sind und kur­ze Pre­forming­zeiten erreicht wer­den. Die Faser­win­kel kön­nen in bia­xia­len Geflech­ten zwi­schen ± 15° und ± 70° indi­vi­du­ell ein­ge­stellt wer­den und ermög­li­chen so eine belas­tungs­an­ge­pass­te und ‑opti­mier­te Aus­le­gung von Bau­tei­len. Dar­über hin­aus kön­nen mit­tels ein­stell­ba­rer Bestü­ckun­gen der Flecht­an­la­ge unter­schied­li­che tex­ti­le Bin­dungs­ar­ten (z. B. Leinwand‑, Köper- oder Atlas­bin­dung) gefer­tigt wer­den, um den anwen­dungs­spe­zi­fi­schen Anfor­de­run­gen hin­sicht­lich Dra­pier­bar­keit, Sta­bi­li­tät und Hand­hab­bar­keit der Pre­form sowie den mecha­ni­schen Eigen­schaf­ten des Bau­teils gerecht zu werden.

Die Ver­ar­bei­tung von Tapes und Hybrid­gar­nen auf Flecht­ma­schi­nen unter­schei­det sich bezüg­lich der zu ver­wen­den­den Klöp­pel­tech­nik, da die Faden­spu­len und ‑füh­run­gen an die spe­zi­fi­schen Gar­n­ei­gen­schaf­ten ange­passt wer­den müs­sen: Wäh­rend Hybrid­gar­ne auf­grund ihrer geo­me­tri­schen Ähn­lich­keit mit tro­cke­nen Ver­stär­kungs­fa­sern auf kon­ven­tio­nel­len Flecht­klöp­peln ver­ar­beit­bar sind, müs­sen für das Tape­flech­ten umfang­rei­che Modi­fi­ka­tio­nen am Klöp­pel bei Faden­spu­le und ‑füh­rung vor­ge­nom­men wer­den, damit die bie­ge­stei­fen ther­mo­plas­tisch vor­i­m­prä­gnier­ten Tapes ver­floch­ten wer­den können.

Dazu wur­de am Dresd­ner Insti­tut für Leicht­bau und Kunst­stoff­tech­nik (ILK) umfang­rei­ches tech­no­lo­gi­sches Know-how sowohl bezüg­lich der Klöp­pel­tech­nik als auch der Pro­zess­füh­rung auf­ge­baut, das nun zur Anwen­dung der neu­ar­ti­gen Tape-Flecht- Tech­no­lo­gie in der Indus­trie genutzt wer­den kann. Als spe­zi­fi­sche Vor­tei­le bezo­gen auf die Anwen­dung im Bereich Ortho­pä­die-Tech­nik sind zum einen das Dra­pier­ver­hal­ten der Pre­forms und die dadurch ver­ein­fach­te Anfor­mung an indi­vi­du­ell geform­te Kör­per­tei­le von Pati­en­ten, zum ande­ren das mecha­ni­sche Ver­hal­ten nach Sto­ßund Impakt­be­las­tun­gen zu nennen.

Die tex­ti­len Pre­forms der hier vor­ge­stell­ten Ver­fah­rens­va­ri­an­ten unter­schei­den sich jedoch vor allem hin­sicht­lich ihres Dra­pier- und Kom­pak­tie­rungs­ver­hal­tens. So wei­sen Tape­Ge­flech­te eine aus­ge­zeich­ne­te Faser­stre­ckung auf; zudem ist auf­grund der Imprä­gnie­rung der Fasern sicher­ge­stellt, dass Faser­ab­rieb und ‑schä­di­gun­gen ver­mie­den wer­den. Auf Sei­ten der Hybrid­gar­ne sorgt das bie­ge­schlaf­fe Ver­hal­ten der Gar­ne für eine im Ver­gleich ver­bes­ser­te Dra­pier­bar­keit. Zudem muss die deut­lich höhe­re Quer­kom­pak­tie­rung der Hybrid­garn­p­re­forms bei der Bau­teil­aus­for­mung berück­sich­tigt wer­den, die sowohl das Wär­me­über­tra­gungs­ver­hal­ten als auch die Lami­nat­qua­li­tät beein­flusst. Im Anschluss an die Pre­form­fer­ti­gung mit­tels Flecht­ver­fah­ren fol­gen die Aus­for­mung der Bau­teil­geo­me trie und die Kon­so­li­die­rung die­ses Zustands (Abb. 4). Im Gegen­satz zu duro­plas­ti­schen FKV ver­läuft die Kon­so­li­die­rung von Ver­bund­werk­stof­fen mit ther­mo­plas­ti­scher Matrix ohne lang­wie­ri­ge che­mi­sche Ver­net­zungs­vor­gän­ge. Viel­mehr erfol­gen sowohl die Bau­teil­aus­for­mung als auch die Kon­so­li­die­rung in einem vario­ther­men Fer­ti­gungs­pro­zess. Die Pre­form wird zunächst bei Raum­tem­pe­ra­tur im Form­werk­zeug ins Werk­zeug ein­ge­legt und in der Form manu­ell dra­piert. Nach Schlie­ßen der Kavi­tät wird die Pre­form unter Druck­be­auf­schla­gung auf­ge­heizt, bis das Matrix­ma­te­ri­al einen schmelz­flüs­si­gen Zustand erreicht hat. Nun erfolgt mit erhöh­tem Pro­zess­druck (zwi­schen 3 und 10 bar) die Aus­for­mung zur fina­len Bau­teil­geo­me­trie. Das Abküh­len aus dem Schmelz­be­reich bis unter die Rekris­tal­li­sa­ti­ons­tem­pe­ra­tur des Ther­mo­plasts führt dann zum Erstar­ren der form­ge­ben­den Kunst­stoff­mas­se. Die resul­tie­ren­de Lami­nat­qua­li­tät wird dabei von der Hal­te­dau­er im auf­ge­schmol­ze­nen Zustand, vom Pro­zess­druck sowie von der Abkühl­ra­te bestimmt 6.

Ein für die Her­stel­lung von Hohl­pro­fi­len geeig­ne­tes Ver­fah­ren stellt der Blas­form­pro­zess dar. Die aus Hybrid­garn bzw. Tape-Geflecht bestehen­den mehr­la­gi­gen  Pre­forms wer­den dabei mit­tels eines geeig­ne­ten Druck­schlauch­sys­tems gegen die Innen­kon­tur eines star­ren Form­werk­zeu­ges gepresst. Die­se Innen­kon­tur bestimmt somit die äuße­re Geo­me­trie des FKV-Hohl­pro­fils, wäh­rend sich die inne­re Bau­teil­ober­flä­che durch die Abfor­mung der mit Druck beauf­schlag­ten Blas­mem­bran ergibt. Auf­grund der fle­xi­blen Blas­mem­bran und der Dra­pier­bar­keit der tex­ti­len Pre­form ste­hen geo­me­tri­sche Bau­teil- Gestal­tungs­mög­lich­kei­ten zur Ver­fü­gung, die über die  für gera­de zylin­dri­sche Struk­tu­ren weit hin­aus­ge­hen: Konisch zulau­fen­de Bau­tei­le oder Geo­me­trien mit ver­än­der­li­chem Durch­mes­ser zei­gen­die Design­frei­heit und poten­zi­el­le fach­spe­zi­fi­sche Anwen­dun­gen dabei nur im Ansatz auf.

Die mit den hier dar­ge­stell­ten Halb­zeu­gen und Ver­fah­ren her­ge­stell­ten Bau­tei­le zeich­nen sich durch einen gerin­gen Poren­ge­halt (<  1  %) und hohe Faser­vo­lu­men­ge­hal­te aus 7. Somit lässt sich der Mate­ri­al­ein­satz redu­zie­ren, was für betrof­fe­ne Pati­en­ten vor allem den Tra­ge­kom­fort ortho­pä­die­tech­ni­scher Pro­duk­te erhöht. Durch die Druck­auf­brin­gung von innen kommt es dar­über hin­aus zu einer Auf­wei­tung der Pre­form, wodurch Fasern gestreckt vor­lie­gen und Fal­ten­bil­dung ver­mie­den wird.

Für den Ortho­pä­die­tech­ni­ker bie­ten sich auf­grund der rever­si­blen Auf­schmelz­bar­keit des ther­mo­plas­ti­schen Matrix­werk­stof­fes zusätz­lich viel­fäl­ti­ge Mög­lich­kei­ten zur wei­te­ren indi­vi­du­el­len Funk­tio­na­li­sie­rung der Bau­teil­struk­tu­ren. So kön­nen etwai­ge­ther­mo­plas­ti­sche Funk­ti­ons­ele­men­te bei­spiels­wei­se im Schweiß­ver­fah­ren ohne zusätz­li­che Hilfs­stof­fe­an­ge­bracht wer­den. Auch ein loka­les Ver­for­men oder das Ein­brin­gen metal­li­scher Inserts kann mit gerin­gem maschi­nel­lem Auf­wand rea­li­siert wer­den. Dar­über hin­aus bie­tet die Kom­bi­na­ti­on mit groß­se­ri­en­fä­hi­gen Ver­ar­bei­tungs­ver­fah­ren wie etwa dem Spritz­gie­ßen ein gro­ßes Poten­zi­al zur kos­ten­ef­fi­zi­en­ten Fer­ti­gung kom­ple­xer Bau­tei­le 8. Bezo­gen auf die Ortho­pä­die-Tech­nik sind hier­bei Funk­tio­na­li­sie­rungs­schrit­te zur Inte­gra­ti­on von Adap­tern oder auch pro­the­ti­schen Ven­ti­len denkbar.

Auto­ma­ti­sier­te Her­stel­lung indi­vi­du­ell anpass­ba­rer Prothesenschäfte

Im Rah­men des „Zen­tra­len Inno­va­ti­ons­pro­gramms Mit­tel­stand“ (ZIM) des Bun­des­mi­nis­te­ri­ums für Wirt­schaft und Ener­gie (BMWi) wird am Insti­tut für Leicht­bau und Kunst­stoff­tech­nik Dres­den in enger Koope­ra­ti­on mit den Pro­jekt­part­nern der­zeit an einer neu­ar­ti­gen Lösung für Unter­schen­kel­pro­the­sen gear­bei­tet. Zen­tra­ler For­schungs­ge­gen­stand ist dabei die Ent­wick­lung einer Tech­no­lo­gie zur auto­ma­ti­sier­ten Her­stel­lung indi­vi­du­ell anpass­ba­rer Pro­the­sen­schäf­te auf der Basis ther­mo­plas­ti­scher Tapes. Der neu­ar­ti­ge tech­no­lo­gi­sche Ansatz ist in Abbil­dung 5 dar­ge­stellt: Mit­tels des bereits beschrie­be­nen Flecht­pro­zes­ses wer­den die ein­zel­nen Tapes zu einer koni­schen Tape-Pre­form ver­ar­bei­tet, die sich neben ihren tex­ti­len Eigen­schaf­ten wie der sehr guten Dra­pier­bar­keit vor allem durch die hohen erreich­ba­ren Bau­teil­qua­li­tä­ten aus­zeich­net. Im fol­gen­den Pro­zess­schritt wird im Spritz­guss­ver­fah­ren das fuß­sei­ti­ge Las­tein­lei­tungs­ele­ment ange­spritzt und mate­ri­al- sowie form­schlüs­sig mit der Tape-Pre­form ver­bun­den. Die­se wird dazu wäh­rend des Spritz­guss­pro­zes­ses im Bereich des Las­tein­lei­tungs­ele­men­tes lokal kon­so­li­diert, behält aber ihre – im für die spä­te­re Anpas­sung an den Pati­en­ten­re­le­van­ten Bereich – tex­ti­len Eigen­schaf­ten bei. Das anzu­sprit­zen­de Las­tein­lei­tungs­ele­ment selbst besteht aus einer ther­mo­plas­ti­schen Spitz­guss­mas­se und kann in einem inte­gra­ti­ven Pro­zess­schritt mit wei­te­ren Funk­ti­ons­ele­men­ten wie bei­spiels­wei­se Adap­tern zur Anbin­dung der spä­te­ren Pro­the­tik oder Ven­ti­len für gän­gi­ge Fixie­rungs­sys­te­me des Pro­the­sen­schaf­tes am Stumpf des Pati­en­ten ver­se­hen werden.

Der erzeug­te Pro­the­sen­roh­ling zeich­net sich durch einen hohen Grad an Auto­ma­ti­sier­bar­keit aus und bie­tet für den Ortho­pä­die­tech­ni­ker eine opti­ma­le Aus­gangs­ba­sis zur Erzeu­gung der fina­len Pro­the­se. Dazu wird der Roh­ling auf einem indi­vi­du­ell ange­fer­tig­ten Gips­mo­dell des Stump­fes des zu ver­sor­gen­den Pati­en­ten auf­ge­bracht und gege­be­nen­falls nach­be­ar­bei­tet. Die bis­lang bei­be­hal­te­nen tex­ti­len Eigen­schaf­ten der Tape-Pre­form ermög­li­chen nun die geziel­te Anpas­sung an die kör­per­li­chen Gege­ben­hei­ten des jewei­li­gen Pati­en­ten durch den Ortho­pä­die­tech­ni­ker, wäh­rend wei­te­re – bei her­kömm­li­chen Ver­fah­ren not­wen­di­ge – Bear­bei­tungs­schrit­te­zur Anbin­dung der Las­tein­lei­tung und zur Erzeu­gung der Ver­bund­struk­tur ent­fal­len kön­nen. Nach erfolg­ter Anpas­sung an den Pati­en­ten wird der Pro­the­sen­roh­ling auf dem Gips­mo­dell kon­so­li­diert, und der Pro­the­sen­schaft erhält sei­ne fina­le Form und sei­ne fina­len mecha­ni­schen Eigen­schaf­ten. In die­sem Pro­zess­schritt besteht eine der zen­tra­len Her­aus­for­de­run­gen der tech­no­lo­gi­schen Ent­wick­lung, da hier­für nicht auf die bereits weit­ge­hend beherrsch­ten Blas­form­pro­zes­se zurück­ge­grif­fen wer­den kann. Denn anders als beim Blas­for­men muss die Form­ge­bung hier­bei von außen erfol­gen; zudem muss der Pro­zess mit der manu­fak­tur­ar­ti­gen Fer­ti­gungs­wei­se inner­halb der Ortho­pä­die-Tech­nik ver­ein­bar sein. Der fer­ti­ge Pro­the­sen­schaft bleibt dank des ther­mo­plas­ti­schen Matrix­sys­tems wei­ter­hin ther­mo­form- und damit anpass­bar, was den Ver­zicht auf häu­fig not­wen­di­ge Inte­rims­pro­the­sen zur Erst­ver­sor­gung der Pati­en­ten ermög­licht und außer­dem eine dau­er­haf­te, kom­for­ta­ble Nut­zung sicher­stellt. Dar­über hin­aus sind neben her­kömm­li­chen Recy­cling­pro­zes­sen für ther­mo­plas­ti­sche Ver­bund­struk­tu­ren auch die erneu­te Anpas­sung und Ver­wen­dung der Pro­the­sen­schäf­te für ande­re Pati­en­ten und somit meh­re­re Lebens­zy­klen des Schaf­tes denkbar.

Ent­wick­lung aktiv gesteu­er­ter Fuß­he­ber­or­the­sen in Ther­mo­plast- Faserverbundbauweise

Der Ein­satz ther­mo­plas­ti­scher Faser­ver­bund­halb­zeu­ge beschränkt sich nicht auf die Umset­zung pas­si­ver Bau­teil­struk­tu­ren. Am ILK wur­den über vie­le Jah­re Tech­no­lo­gien zur Inte­gra­ti­on elek­tri­scher, sen­so­ri­scher sowie akto­ri­scher Kom­po­nen­ten direkt im Ther­mo­plast­ver­ar­bei­tungs­pro­zess ent­wi­ckelt. Die­ses Know-how wird im Rah­men eines For­schungs­vor­ha­bens gemein­sam mit ver­schie­de­nen Pro­jekt­part­nern genutzt, um eine neu­ar­ti­ge akti­ve und situa­ti­ons­ge­steu­er­te Fuß­he­ber­or­the­se umzu­set­zen. Erst­ma­lig wer­den dabei Form­ge­dächt­nis­dräh­te ein­ge­setzt, um den Pro­zess des Fuß­an­he­bens aktiv zu unter­stüt­zen. Die Ent­wick­lung sol­cher als „künst­li­che Mus­keln“ bezeich­ne­ter Akto­ren ist aktu­ell Gegen­stand ver­schie­de­ner inter­na­tio­na­ler For­schungs­vor­ha­ben und ver­spricht im Anwen­dungs­fall der Fuß­he­ber­or­the­se viel­fäl­ti­ge Vor­tei­le gegen­über bestehen­den Lösun­gen. So wird die neu ent­wi­ckel­te Orthe­se gegen­über ande­ren akti­ven Sys­te­men (basie­rend auf Funk­tio­nel­ler Elek­tro­sti­mu­la­ti­on, FES) auch bei einem Kom­plett­ver­sa­gen der ent­spre­chen­den Mus­ku­la­tur – z. B. bei peri­phe­ren Ner­ven­sys­tem­schä­di­gun­gen durch Band­schei­ben­vor­fäl­le oder Ope­ra­ti­ons­schä­den – ein­ge­setzt wer­den kön­nen, um die Mobi­li­tät der Betrof­fe­nen wiederherzustellen.

Für die tra­gen­de Struk­tur der Orthe­se kommt ein koh­len­stoff­fa­ser­ver­stärk­ter ther­mo­plas­ti­scher Kunst­stoff zum Ein­satz. Gegen­über bestehen­den unver­stärk­ten Poly­mer­sys­te­men kann mit den hier ein­ge­setz­ten Ther­mo­plast-Faser­ver­bund­halb­zeu­gen eine deut­li­che Stei­ge­rung der Ein­satz­dau­er sowie eine Mas­se­r­e­duk­ti­on der Orthe­se erreicht wer­den. Dar­über hin­aus kann eben­so eine nach­träg­li­che Anpass­bar­keit an den Pati­en­ten durch den Ortho­pä­die­tech­ni­ker sicher­ge­stellt wer­den. Im Rah­men der For­schungs­ar­bei­ten wer­den aus­schließ­lich Ver­bund­werk­stof­fe unter sucht,deren ther­mo­plas­ti­sche Matrix bei Tem­pe­ra­tu­ren zwi­schen 150 und 200 °C ver­ar­beit­bar ist. Der gesam­te Form­ge­bungs­pro­zess kann somit unter Ver­wen­dung vor­han­de­ner Fer­ti­gungs­an­la­gen – etwa von Infra­rot­heiz­fel­dern und Mem­bran­pres­sen – erfol­gen. Um den Fuß­he­ber­pro­zess aktiv unter­stüt­zen zu kön­nen, befin­den sich neben den Form­ge­dächt­nis­dräh­ten wei­te­re Peri­phe­rie­ge­rä­te zur Ansteue­rung und Ener­gie­ver­sor­gung an der tra­gen­den Scha­len­struk­tur. Dazu gehö­ren neben einem Lithi­um-Ionen-Akku eine Steu­er­ein­heit für die Akto­ren sowie eine umfas­sen­de Sen­so­rik (Abb. 6).

Fazit

Die vor­ge­stell­ten neu­ar­ti­gen Fer­ti­gungs­ver­fah­ren zur Ver­ar­bei­tung faser­ver­stärk­ter ther­mo­plas­ti­scher Halb­zeu­ge bele­gen sowohl das gro­ße Poten­zi­al einer fle­xi­blen und indi­vi­du­el­len Gestalt­bar­keit als auch die Mög­lich­keit, in tex­ti­ler Ver­ar­bei­tung vor­ge­fer­tig­te Pre­forms aus Tapes und Hybrid­gar­nen auto­ma­ti­siert her­zu­stel­len. Durch eine nach­träg­li­che Ver­form­bar­keit kön­nen die so gefer­tig­ten Pro­duk­te über den Lebens­zy­klus hin­weg an den Pati­en­ten ange­passt wer­den und erhö­hen so nicht nur den Tra­ge­kom­fort, son­dern machen eine bis­lang erfor­der­li­che Neu­pro­duk­ti­on­zu­min­dest zum Teil über­flüs­sig. Damit wird der Arbeits­auf­wand der Ortho­pä­die­tech­ni­ker redu­ziert, Kos­ten gespart und ein Bei­trag zur Nach­hal­tig­keit geleis­tet. Die am ILK durch­ge­führ­ten Ent­wick­lun­gen rei­chen von Ana­ly­se und Simu­la­ti­on hoch­dy­na­misch belas­te­ter Faser­ver­bund­struk­tu­ren über die Pro­zess­ent­wick­lung bis hin zur Fer­ti­gung kom­ple­xer Ver­bund­bau­tei­le. Mit den vor­ge­stell­ten Metho­den und einem über­ge­ord­ne­ten sys­te­ma­tisch-wis­sen­schaft­li­chen­An­satz sol­len ther­mo­plas­ti­sche Faser­ver­bund­struk­tu­ren für den brei­ten Ein­satz in der Ortho­pä­die-Tech­nik befä­higt werden.

För­der­hin­weis

Die hier vor­ge­stell­ten For­schungs- und Ent­wick­lungs­pro­jek­te wer­den mit Mit­teln des Bun­des­mi­nis­te­ri­ums für Wirt­schaft und Ener­gie (BMWi) im Rah­men des Koope­ra­ti­ons­netz­wer­kes „pro-O-light – Inno­va­tio­nen der Medi­zin­tech­nik“ (För­d­er­kenn­zei­chen: Tape­pro­the­se 16KN067301, Fuß­he­ber­or­the­se 16KN067344) geför­dert und vom Pro­jekt­trä­ger VDI/ VDE Inno­va­ti­on + Tech­nik GmbH betreut. Die Ver­ant­wor­tung für den Inhalt die­ser Ver­öf­fent­li­chung liegt bei den Autoren.

Für die Autoren:
Dipl.-Ing. Rico Blei
Wis­sen­schaft­li­cher Mit­ar­bei­ter am Insti­tut für Leicht­bau und Kunst­stoff­tech­nik (ILK)
Tech­ni­sche Uni­ver­si­tät Dresden
Hol­bein­str. 3
01307 Dres­den
rico.blei@tu-dresden.de

Begut­ach­te­ter Beitrag/reviewed paper

Zita­ti­on
Blei R, Eckardt S, Lebelt T, Becke A, Krahl M, Mod­ler N. Tech­no­lo­gie­be­trach­tung neu­ar­ti­ger ther­mo­plas­ti­scher Faser­ver­bund­halb­zeu­ge für Leicht­bau­an­wen­dun­gen in der Ortho­pä­die-Tech­nik. Ortho­pä­die Tech­nik. 2020; 71 (2): 50–56
Mate­ria­li­en
unver­stärk­te Ther­mo­plas­te (PP, PE, PA6 usw.)faser­ver­stärk­te Duro­plas­te (häu­fig CF + EP)
Her­stel­lungs­pro­zes­se
Warm­um­for­mung (Mem­bran­tech­no­lo­gie, Tiefziehen)„vacu­um assis­ted resin trans­fer“ (VARI), Handlaminieren
nach­träg­li­che Umformung
gut warm­um­form­bar
stark begrenzt (kaum indi­vi­du­el­le Anpassung)
Her­stel­lungs­auf­wand
(hohe) Tem­pe­ra­tu­ren und ggf. Drü­cke benötigt

zeit­in­ten­siv
spe­zi­fi­sche Eigenschaften
gering
hoch
Tab. 1 Werk­stoff­ver­gleich her­kömm­li­cher Orthe­sen­ma­te­ria­li­en: Über­sicht zum Stand der Tech­nik nach [efn_note]Cherif C (Hrsg.).Textile Werk­stof­fe für den Leicht­bau: Tech­ni­ken – Ver­fah­ren – Mate­ria­li­en – Eigen­schaf­ten. Ber­lin, Hei­del­berg: Sprin­ger, 2011 (Blei R et al. Influ­ence of selec­ted pro­cess para­me­ters on chan­ges of the fiber ori­en­ta­ti­on in uni­di­rec­tio­n­al rein­for­ced ther­mo­plastics during a hot pres­sing pro­cess. Poly­mer Composites,2016; 39 (7): 2241–2249).
  1. MTD-Ver­lag GmbH. Schlum­mern­des Wachs­tums­po­ten­zi­al. Euro­pam­arkt für Orthe­sen und Bandagen/Studie Frost & Sul­li­van (5/2010). https://www.mtd.de/welt-der-medizinprodukte/marktzahlen/188-europamarkt-fuer-orthesen-und-bandagenaktuelle-studie-von-frost-a-sullivan (Zugriff am 07.01.2020)
  2. Bee­res M. Der Markt für Medi­zin­tech­no­lo­gien – Umsät­ze, Expor­te, Arbeits­plät­ze, Unter­neh­men [Prä­sen­ta­ti­ons­fo­li­en]. Ber­lin: Bun­des­ver­band Medi­zin­tech­nik e. V., 2019. https://www.bvmed.de/download/charts-medtech-markt.pdf (Zugriff am 07.01.2020)
  3. Bee­res M. Der Markt für Medi­zin­tech­no­lo­gien – Umsät­ze, Expor­te, Arbeits­plät­ze, Unter­neh­men [Prä­sen­ta­ti­ons­fo­li­en]. Ber­lin: Bun­des­ver­band Medi­zin­tech­nik e. V., 2019. https://www.bvmed.de/download/charts-medtech-markt.pdf (Zugriff am 07.01.2020)
  4. Che­rif C (Hrsg.).Textile Werk­stof­fe für den Leicht­bau: Tech­ni­ken – Ver­fah­ren – Mate­ria­li­en – Eigen­schaf­ten. Ber­lin, Hei­del­berg: Sprin­ger, 2011
  5. Blei R et al. Influ­ence of selec­ted pro­cess para­me­ters on chan­ges of the fiber ori­en­ta­ti­on in uni­di­rec­tio­n­al rein­for­ced ther­mo­plastics during a hot pres­sing pro­cess. Poly­mer Composites,2016; 39 (7): 2241–2249
  6. Bar­fuss D et al. Inte­gral blow moul­ding for cycle time reduc­tion­of CFR-TP alu­mi­ni­um con­tour joint pro­ces­sing. Pro­cee­dings of the 21st inter­na­tio­nal ESAFORM Con­fe­rence on Mate­ri­al Forming, Paler­mo, 2018. AIP Con­fe­rence Pro­cee­dings, 2018; 1960 (1): 6–11
  7. Gart­haus C et al. Funk­tio­na­li­sier­te Faser-Ther­mo­plast- Pro­fil­struk­tu­ren. Pro­zess­ket­te. Light­weight Design, 2016; (1): 40–45
  8. Bar­fuss D et al. Injec­tion forming of gears on high-per­for­mance CF-PAEK dri­ve shafts. Pro­cee­dings of ITHEC Con­fe­rence, 30.–31.10.2018, Bre­men, 2018
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