Silikonprothesen von stamos + braun prothesenwerk

3D-Druck von Silikonen

Einleitung
Das generative Fertigungsverfahren Fused Deposition Modeling (FDM) hat sich in vielen Industriezweigen erfolgreich etabliert. Es wird heutzutage nicht mehr nur zur Konzeptmodell- und Prototypengestaltung, sondern auch für die Fertigung von funktionsfähigen Teilen genutzt. [1]

Erst in den letzten Jahren erfolgte ein rasanter Anstieg der Nachfrage nach FDM-Druckern. Dies ist vor allem auf die stetig wachsende Open-Source-Community zurückzuführen, welche den Zugang und die Bezahlbarkeit solcher Systeme deutlich verbessert hat [2][3]. Fast täglich erscheinen neue Entwicklungen im Bereich der FDM-Technologie [2][4][7]. Ein großer Teil der Innovationskraft geht in die Forschung und Entwicklung neuer, druckbarer Materialien [5]. Neben den Standardfilamenten aus Kunststoff, ABS und PLA, gibt es mittlerweile auch exotischeres, wie z.B. holz- oder sandsteinartiges Material. Auch flexible Bauteile aus TPU oder TPE sind möglich. [6]

Eine dieser Innovationen im Materialbereich wird gerade bei der Dresdner Firma stamos + braun prothesenwerk gmbh in Kooperation mit dem Institut für Feinwerktechnik und Elektronik-Design der TU Dresden (IFTE) entwickelt. Stamos & Braun bieten viele verschiedene Arten von Prothesen an, unter anderem Silikonprothesen mit einem sehr realitätsnahen Erscheinungsbild (Bild 1).
Bild 1: Silikonprothese eines Unterarms [11]
Die Arbeitsgruppe „Feinwerktechnische Konstruktionen und Systeme“ am IFTE arbeitet schon geraume Zeit an neuen gerätetechnischen Lösungen für additive Technologien zur Nutzung für Spezialanwendungen [8][9][10]. Die dabei entstandenen Geräte und Erfahrungen waren die Basis für diese Kooperation mit dem Ziel, die komplizierten und aufwendigen Prozesse der Erstellung von Prothesenteilen oder ganzen Prothesen zu beschleunigen.

Wissenschaftliche Untersuchung

Um den 3D-Druck für Silikonanwendungen zu nutzen, mussten zahlreiche Untersuchungen zum Werkstoffverhalten durchgeführt und mit konstruktiven Ideen zur Gestaltung der notwendigen Technik umgesetzt werden.

Mit dem Prototyp eines Silikon 3D-Druckers konnten erste Drucke vorgenommen werden. Nach umfangreichen Tests und Einstellungsänderungen waren auch komplexere Formen möglich (Bild 2). Ein besonderer Vorteil von hochtemperaturvernetzenden (HTV) medical grade Silikon gegenüber anderen gedruckten Materialien ist der, dass eine nahtlose Verbindung der abgelegten Stränge entsteht und somit keine einzelnen Schichten zu erkennen sind. Damit ist ebenso zu erwarten, dass die Belastungseigenschaften von gegossenem und gedrucktem Silikon in etwa gleich sind.
Bild 2: Gedruckte Silikonform
Auf diesen ersten Ergebnissen aufbauend, folgten weiter Untersuchungen um die Grenze des Machbaren zu erweitern. Dabei ging es im ersten Ansatz um verschiedene Varianten der Innenstrukturierung von gedruckten Silikonbauteilen und um die damit verbundenen Belastungseigenschaften. Dafür wurden verschiedene Gitterstrukturen sowie die Kombination mit anderen Materialien getestet (Bild 3).
Bild 3: Silikon mit Silikonblock mit Gittestruktur
Als spezifischer Anwendungsfall galt das Problem des hohen Gewichts und der mangelhaften Aufnahme von Scherkräften von Silikonvorfußprothesen. Gitterstrukturen, wie man sie aus dem herkömmlichen 3D-Druck kennt, bilden dabei eine erste Möglichkeit das Gewicht der Prothesen zu verringern. Dafür wurde für eine Vorfußprothese (Bild 4) ein spezielles Silikonpolster entwickelt und gedruckt. Geschlossene Strukturen mit Infills unter 40% sind möglich.
Bild 4: Vorfußpolster für eine Silikonvorfußprothese
Gegenüber des Originalteils aus Vollsilikon, konnte das Gewicht des gedruckten Kissens mit Gitterstruktur im Innenraum somit um bis zu 70% reduziert werden.

Trotz der hohen Gewichtsreduzierung weist das Silikonkissen in der gedruckten Z-Richtung noch hohe Steifigkeiten auf. Dies kann durch die Lage des Bauteils im Drucker und damit die Lage des Gitters im Bauteil verändert werden.
Bild 5: Silikonvorfußprothese mit 3D-gedrucktem integriertem Silikonpolster
Ein zweiter Ansatz für die Gewichtsreduzierung ist, das Einbringen von anderen, leichteren Materialien, wie z. B. Kunststoffen. In diesem Fall ging es um eine Handprothese. Der Kunststoff soll die Knochen nachahmen und damit eine verbesserte Haptik sowie Steifigkeit erzeugen. Zusätzlich soll durch eine geringe Innenraumfüllung des Kunststoffknochens das Gewicht reduziert werden (Bild 6).
Bild 6: Silikonprothesenhand mit 3D-gedruckter individueller Innenhand
Erste Tests zum kombinierten Druck von Kunststoff und Silikon sind schon erfolgreich verlaufen. Somit könnten künstliche Hände, Finger oder Teilhandprothesen mit den integrierten Knochenstukturen direkt in einem Druckvorgang gefertigt werden.

Ausblick

Die Nutzung des Silikondrucks dürfte sich bei weitem nicht nur auf die Medizintechnik beschränken. Anwendungen in den verschiedensten Bereichen, wie in der Automobil- und Luftfahrtindustrie, im Haushaltsgerätesektor oder sogar in der Maskenbildnerei, sind vorstellbar.

Durch gezieltes Einsetzen von verschiedenen Gitterstrukturen in Silikonprothesen können das Gewicht reduziert und die Steifigkeit erhöht werden. Dies zu optimieren wird einen Großteil der folgenden Untersuchungen ausmachen. Außerdem sollen in Zukunft die kompletten Silikonvorfuß-, Silikonteilhand-, Silikonfinger-, Silikonhand- und Silikonzehenprothesen gedruckt werden.

Den kombinierten Druck von Kunststoffen und Silikonen gilt es nun auf die nächste Ebene zu heben und einen kompletten Silikonfinger mit Kunststoffknochen vollfarbig zu drucken. Weiterhin in der Erprobung befinden sich aus medical grade Silikon 3D gedruckte Animationsorgane wie Herz, Niere, Darm oder Milz sowie maßgefertigte Gesichtsepithesen.

Eine farbliche Anpassung des Silikons ist möglich und derzeit in Arbeit. Erste Ergebnisse stimmen erwartungsvoll.
[1] Gebhard, A.: Generative Fertigungsverfahren. 4. Aufl., München: Carl Hanser Verlag 2013

[2] www.trinckle.com/blog/marktstudie-fur-3d-druck/, download, 19.06.2015

[3] reprap.org/, download, 19.06.2015

[4] www.3ders.org/index.html, download, 19.06.2015

[5] 3druck.com/visionen-prognosen/markt-fuer-3d-druck-materialien-soll-bis-2019-jaehrlich-um-204-wachsen-0228316/, download, 19.06.2015

[6] 3druck.com/3d-druck-material-liste/, download, 19.06.2015

[7] 3druck.com/drucker-und-produkte/3d-hubs-veroeffentlicht-trendreport-fuer-november-5826656/, download, 19.06.2015

[8] Böhme, M.: Optimierung der mechanischen Eigenschaften von mittels 3D-Druck erzeugten Objekten. Diplomarbeit TU Dresden 2015.

[9] Günther, L.:Mechanikkonstruktion eines 3D-Druckers. Diplomarbeit TU Dresden 2014.

[10] Entwicklung eines 3D-Druckers für gelartige Pasten. IFTE 2014.

[11] www.prothesenwerk.com, download, 19.06.2015