Additive Fertigung

Bessere Beinprothesen generativ gefertigt

Die bislang einzigartige Verbindung generativer Fertigungsmethoden mit der Orthopädietechnik eröffnet der Prothetik neue Wege. Das gebräuchliche System der Modularbauweise wurde neu überdacht: Anstatt der aufwändigen Anpassung am Patienten werden die erforderlichen Daten und Maße direkt am Computer generiert.

Konventionelle Methoden der Modell-erstellung von Prothesen bedeuten eine für den amputierten Patienten langwierige Anpassungsphase, um ein optimales Ergebnis zu erreichen. Diese höchst ineffiziente Methode kann jetzt durch neue Technologien verbessert werden. Der Wunsch, trotz Behinderung Normalität zu erfahren – das ist für jeden Amputierten ein wichtiges Anliegen. Die moderne Orthopädietechnik bietet den Betroffenen neue Möglichkeiten, trotz ihrer Beeinträchtigung den Alltag zu meistern.

Eine neue Generation der Prothesenfertigung wird durch die Kombination neuer Herstellungstechnologien mit innovativen Simulationsstrategien erreicht. Generative Fertigungstechnologien, zum Bespiel Lasersintern, überzeugen dabei durch eine schnelle und flexible Produktion ohne manuelle Umwege, sodass individuelle Bauteile bei geringem Materialverbrauch effizient herstellbar sind. Dabei wird auf der Grundlage von 3D-Geometriedaten im Produktionsprozess Polyamidpulver in dünnen Schichten auf eine Plattform aufgetragen und anschließend jede Schicht mit der darunterliegenden durch einen Laser verschmolzen. Somit können maßgeschneiderte, funktionelle und hochtechnisierte Produkte – auch unter Einbeziehung bionischer Vorbilder – entwickelt und gefertigt werden, ohne spezielle Werkzeuge oder Formen zu benötigen. Eine Trendwende könnte sich abzeichnen – die Ergänzung vom modularen System zur Vision der montagefreien Fertigung. Das spart Zeit und senkt die Herstellungskosten. Zudem erlauben generative Fertigungsverfahren die Herstellung beliebig komplexer Geometrien und innerer Strukturen, sodass sich Bauteile fertigen lassen, die mit konventionellen Verfahren beziehungsweise manuell nicht herzustellen sind.

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Das Design der Prothese ist ein oft in Vergessenheit geratener Aspekt, vor allem in konventionellen Herstellungsprozessen. Die generativen Fertigungsverfahren ermöglichen jedoch die Umsetzung hoher gestalterischer Ansprüche beim Fertigen der Prothese. Schließlich ist diese ein ständiger Begleiter des Amputierten und sollte sich nicht nur funktional, sondern auch gestalterisch an dessen Lebensstil anpassen. Die vom Fraunhofer IPA unter der Anwendung generativer Technologien entwickelte Prothese illustriert in besonderer Art und Weise die Verbindung von Ästhetik und Funktionalität. Anstatt der aufwändigen Anproben am Patienten können zukünftig erforderliche Daten und individuelle Maße direkt am Computer zur Verfügung stehen und in die Konstruktion integriert werden.

In der Fertigung bietet Lasersintern weitere Vorteile. Für die Prothesenfertigung eignet sich vor allem der Kunststoff Polyamid 12. Aufgrund seiner Materialeigenschaften erlaubt er individuelle Anpassungen und Funktionsintegration. Einerseits lassen sich dünne flexible Komponenten bauen, die einen verstellbaren Prothesenschaft ermöglichen. Andererseits können massive und strukturierte Bereiche mit tragenden Funktionen die hohen Kräfte aufnehmen, die auf eine Prothese und deren Bauteile einwirken. Die in der Prothetik geforderten ISO-Normen können generative Fertigungstechnologien aufgrund der guten Materialeigenschaften des Kunststoffs einhalten. Labortests haben bewiesen, dass der generativ gefertigte Prothesenfuß je nach Konstruktion ein Patientengewicht von zirka 450 kg aushalten kann, ohne zu brechen (was somit ISO-Norm 22675 erfüllt). Langzeitstudien im Prothesenbereich dauern derzeit an. Die generativen Fertigungsverfahren, insbesondere das Material, haben sich auch in anderen Bereichen als eine sehr langlebige Alternative zu konventionellen Methoden erwiesen. In der Automatisierungstechnik hat ein vom Fraunhofer IPA entwickelter generativ gefertigter Greifer bereits 15 Millionen Zyklen im Dauertest überstanden.

Die Einhaltung hoher Qualitätsstandards ist somit gesichert. Zusätzlich hilft die komplette digitale Bearbeitung der Prothesen, den Verlust von Informationen auf ein Minimum zu reduzieren, sogar auszuschalten. Die so erreichte Genauigkeit bietet Vorteile im Vergleich zu manueller Arbeit.

Neben der Fertigung sind vorangehende Simulationsstrategien zur Entwicklung neuer Technologien zur Generierung geeigneter Schaftformen in der Prothetik erforderlich. Damit kann dem amputierten Patienten und dem Orthopädietechniker der Anpassungsprozess vereinfacht werden. Die Überprüfung der so entstandenen patientenindividuellen Prothesen soll zukünftig mit Hilfe von Simulations-Software realisiert werden. Werden die Computertomographie- oder Magnetresonanztomographie-Daten eines Beinstumpfes zu einem verformbaren 3D-Modell umgewandelt, kann ein Prothesenschaft virtuell getestet werden. Formveränderungen während der Anproben sind dann nur noch im geringen Ausmaß zu erwarten. Mit Computersimulationen der Weichteildeformierung und der Interaktionskräfte zwischen dem Amputationsstumpfmodell und dem geplanten Prothesenschaftmodell kann eine „virtuelle, statische Anprobe“ ohne den Patienten durchgeführt werden (siehe Abb. 3).

Die bei der dynamischen Belastung entstehenden Kräfte auf die Konstruktion lassen sich darstellen und können bei der Berechnung des Prothesenschaftes berücksichtigt werden. Die Stabilität der Schaftkonstruktion wird so bestimmt, dass es einerseits nicht zur Deformierung der Prothese kommen kann, andererseits aber auch die gewünschte Flexibilität an ausgewählten Stellen realisierbar ist. Dadurch können schädliche Druckspitzen vermieden werden. Da sich das Volumen des Beins partiell ändern kann, besteht auch die Möglichkeit, diese Bereiche nachstellbar zu konstruieren. Damit werden der Gebrauchswert und die Tragedauer der Prothese erheblich gesteigert (Abb. 4). Auf diese Weise ist es möglich, mit den erforderlichen Daten am PC einen Prothesenschaft beziehungsweise eine Prothese zu konstruieren und zu fertigen. Speziell bei medizintechnischen Produkten sind zunehmend neuartige Gestaltungslösungen gefragt, um damit bei komplexen Strukturen gleichzeitig maximale Funktionalität und hohe Benutzerfreundlichkeit zu garantieren.

Durch die individuelle Gestaltung der Prothese kann der Kunde auf das Erscheinungsbild und zusätzliche Funktionselemente Einfluß nehmen. Zudem lassen sich beispielsweise auch salzwasserfeste Badeprothesen „aus einem Stück“ herstellen. Die Ausnutzung der neu gewonnenen Freiheiten in der Konstruktion erlaubt zusätzlich die Einsparung oder Integration von Bauteilen. -mc-


Jannis Breuninger ist Mitarbeiter des Fraunhofer IPA; Ferdinand Gottinger (jetzt im Ruhestand) war bis 2009 Gesellschafter der F. Gottinger Orthopädietechnik GmbH

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