Forscher der University of Michigan (UM) haben damit begonnen, ein neues orthopädisches und prothetisches Ausrüstungssystem zu entwickeln. Dabei kommen 3D-gedruckte Hilfsmittel zum Einsatz, die individuell auf die Patienten zugeschnitten werden und deutlich schneller verfügbar sind.

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Die Ingenieure und Techniker des „UM College of Engineering and Orthotics and Prosthetics Center“ sind der Meinung, dass ihr neues Cyber-Fertigungssystem gegenüber den traditionellen Herstellungsmethoden eine große Verbesserung darstellt. Derzeit müssen die Betroffenen Tage oder sogar Wochen auf Orthesen oder Prothesen warten. Mit dem neuen UM-System würde sich diese Wartezeit auf einen Tag verringern. Ein weiterer Vorteil dieser Technik liegt darin, dass die gedruckte Orthese von Fall zu Fall angepasst wird, wodurch sie eine wesentlich bessere Stütze darstellt.

Während Prothesen Arme und Beine ersetzen können, handelt es sich bei Orthesen um Klammern oder Schalen, die die Gliedmaßen schützen, ausrichten, in ihrer Funktion verbessern und Stabilität verleihen sollen. Das UM-Team begann damit, Knöchel- und Fuß-Orthesen mit einem 3D-Drucker von Stratasys beispielsweise Schlaganfall-Patienten, die wieder neu Laufen lernen müssen, aber auch Kinder mit Zerebralparese, Myelomeningozele und andere Erkrankte profitieren.

Neue Orthese an einem Tag

Die Vision der UM-Forscher ist, dass ein Patient am Morgen zu einem optischen Scan kommt und die Techniker dann am Nachmittag mit dem 3D-Druck der Orthese beginnen könnten, so Albert Shih, Professor für Mechanik und Biomedizintechnik an der UM, im Blog der University of Michigan.

3D-gedruckte Orthese.
Blick von oben in eine 3D-gedruckte Orthese. (Bild: © University of Michigan)

Verfahrensweise

Zuerst wird ein 3D-Scan des betroffenen Bereiches angefertigt. Dazu nutzt UM modernste Bildgebungstechnologie. Die einzelnen Scans werden dann an ein Cloud-basiertes Design-Center weitergeleitet, wo dann mit der Gestaltung der Orthese begonnen wird. Die so erzeugten Design-Dateien werden dann wieder an die UM gesandt, wo ein On-site-3D-Drucker die Orthese Schicht für Schicht druckt. Dieser Prozess dauert nur wenige Stunden.

Bei der herkömmlichen Produktion der Orthesen, die im übrigen sehr kostspielig und zeitintensiv ist, müssen unter anderem ein Glasfaser-Band, Gips und erwärmter Kunststoff eingesetzt werden. Zugleich ist es notwendig, diese Materialien noch von Hand zu bearbeiten. Dafür sind sowohl ein geschultes Personal als auch die technischen Vorrichtungen notwendig. Das neue Verfahren erfordert nur einen optischen Scanner, einen Computer, einen 3D-Drucker und natürlich das notwendige Druckmaterial.

„Traditionelle handgefertigte Orthesen bestehen aus massivem Kunststoff und müssen eine gewisse Dicke aufweisen, da sie während des Herstellungsprozesses um ein physisches Modell gewickelt werden müssen,“ äußerte Jeff Wensman, Direktor für klinische und technische Dienstleistungen im UM Orthotics and Prothetics Center. „Das 3-D-Drucken beseitigt diese Beschränkung. Wir können für einige Stellen feste und für anderen hohle Vorrichtungen entwickeln und die Dicke viel genauer variieren. Wir haben nun eine ganze Reihe neuer Werkzeuge, mit denen wir arbeiten können.“

Die UM 3D-Drucktechnik wird auch als „Sparse Struktur“ (Spärliche Struktur) bezeichnet. Entwickelt wurde sie von Robert Chiserna, Maschinenbau-Doktorand am UM. Die Struktur eignet sich für die Herstellung hohler Orthesen, ist mit einer gewellten inneren Struktur ausgestattet, gewichtssparend und zugleich kraftstärkend.

Die Software soll frei verfügbar sein und so dafür sorgen, dass der 3D-Druck auch von Krankenhäusern in entlegensten Regionen genutzt werden kann, sofern ein 3D-Drucker vorhanden ist. Das UM-Projekt wird von der National Science Foundation und America Makes finanziert, der 3D-Drucker von Stratasys zur Verfügung gestellt. An der Entwicklung der Software sind die Unternehmen Altair und Standard Cyborg beteiligt.

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