AT528258A1 - 3D-gedruckte Orthese und Herstellungsverfahren hierfür - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Orthese (21), gekennzeichnet durch die Schritte: - Bereitstellen eines Multiachsen 3D-Druckers zum Drucken einer Endlosfaser (30), - Drucken eines ersten Stützabschnitts (22) der Orthese (21), wobei die Endlosfaser (30) in gekrümmten Flächen (F1, F2) und/oder in einem Winkel zueinander angeordneten ebenen Flächen gedruckt wird. Die Erfindung betrifft weiters eine mit diesem Verfahren hergestellte Orthese und ein computerimplementiertes Verfahren zur Ermittlung von Ansteuerbefehlen für einen 3D- Drucker zum 3D-Drucken dieser Orthese.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf das Gebiet der Orthopädietechnik, und insbesondere auf Techniken zur Herstellung von maßgeschneiderten Orthesen mittels 3D-

Druckverfahren.

Die Herstellung von Orthesen bleibt eine anspruchsvolle Aufgabe, insbesondere für die unteren Extremitäten wegen der hohen mechanischen Belastungen, die beim Gehen entstehen. Traditionelle Herstellungsmethoden umfassen aufwendige handwerkliche Prozesse, bei denen zunächst ein Gipsmodell oder ein 3D-Scan und anschließend ein CNC gefrästes Schaumstoffmodell des betroffenen Körperteils angefertigt wird. Auf diesen Modellen werden Carbon-Matten mit Epoxidharz aufgetragen, ausgehärtet und anschließend beschliffen. Für eine präzise Anpassung sind oft mehrere Sitzungen mit dem Patienten notwendig. Ein Beispiel einer manuell herzustellenden Orthese ist beispielsweise aus der DE 102010 020 259 A1 bekannt.

Trotz der hohen Qualität der handgefertigten Orthesen und der individuellen Anpassung, die sie bieten, sind diese Methoden zeitintensiv und setzen ein aussterbendes Handwerk voraus, das zunehmend an Fachkräften mangelt. Dies macht es schwierig, die wachsende Nachfrage zu bedienen. Einige Hersteller, bieten zudem komplette Bausätze an, die mechanische Gelenke und die notwendigen Verbindungselemente umfassen, was die Komplexität der

Herstellung weiter erhöht.

Neuere Entwicklungen im Bereich der digitalen Orthopädietechnik umfassen den Einsatz von 3D-Drucktechnologien wie selektiven Lasersintern, die eine automatisierte Herstellung ermöglichen sollen. Plattformen erlauben es Orthopädietechnikern, Orthesen direkt auf Basis von 3D-Scans zu modellieren oder mittels Konfiguratoren zu generieren. Diese Technologien bieten erhebliche Vorteile in Bezug auf die Personalisierung und Geschwindigkeit der Produktion. Jedoch sind die Materialien, die bei Verfahren wie dem selektiven Lasersintern (SLS) verwendet werden, oft auf Polyamid 12 beschränkt, das zwar eine homogene Kräfteübertragung ermöglicht, aber keine dynamische Unterstützung in Form von Energieaufnahme und -abgabe bietet. Weiters können mit SLS hergestellte Orthesen nur ein beschränktes Gewicht aufnehmen. Eine mittels SLS hergestellte Knöchel-Fuß-Orthese

kann beispielsweise nur ein Gewicht von bis zu 60 kg aufnehmen.

Die aktuellen Methoden, einschließlich der 3D-Drucktechnologien, haben zwar die Produktion vereinfacht, jedoch häufig zu einer Verschlechterung der Produktqualität geführt,

ein dynamisches Gangbild zu ermöglichen, bleibt eine Herausforderung.

Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Orthese zu entwickeln, die eine effektive dynamische Unterstützung bietet und gleichzeitig die Fertigung automatisiert, wodurch die oben genannten Nachteile des Standes der Technik zumindest teilweise überwunden werden. Weiters ist es ein Ziel der Erfindung, ein Herstellungsverfahren für

diese Orthese bereitzustellen.

Dieses Ziel wird in einem ersten Aspekt der Erfindung gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen einer Orthese, gekennzeichnet durch die Schritte: - Bereitstellen eines Multiachsen 3D-Druckers zum Drucken einer Endlosfaser, - Drucken eines ersten Stützabschnitts (z.B. ein Fußteil, eine hintere oder vordere Beinanlage, eine Oberschenkelschale oder einer Schuheinlage, im Allgemeinen auch Orthesenschale genannt) der Orthese, wobei die Endlosfaser in gekrümmten Flächen

und/oder in einem Winkel zueinander angeordneten ebenen Flächen gedruckt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen der Orthese bzw. des Stützabschnitts umfasst insbesondere zwei Maßnahmen, die in Kombination zu einer besonders vorteilhaften Orthese führen: Einerseits der Einsatz der 3D-gedruckten Endlosfasern als Körper der Orthese bzw. des Stützabschnitts und andererseits das Drucken der Endlosfaser mittels eines Multiachsen 3D-Druckers in gekrümmten Flächen und/oder in einem Winkel zueinander

angeordneten ebenen Flächen.

Einerseits wird somit eine 3D-gedruckte Endlosfaser herangezogen, um die Orthese bzw. zumindest den Stützabschnitt der Orthese zu drucken. Der Endlosfaser 3D-Druck bietet signifikante Vorteile, da die Orthese bzw. der Stützabschnitt der Orthese an Festigkeit und Steifigkeit gewinnt, wodurch teilweise sogar die Eigenschaften von Metallen übertroffen werden können. Diese Methode verbessert nicht nur die Haltbarkeit und Belastbarkeit der

Orthese, sondern ermöglicht auch eine besonders leichte Bauweise.

An dieser Stelle sei erwähnt, dass die Endlosfaser üblicherweise in einem Matrixmaterial wie einem thermoplastischen Material vorliegt. Beispielswiese kann die Endlosfaser bereits vor dem Druckvorgang vom Matrixmaterial umhüllt bzw. infiltriert sein oder auch erst

während, oder nach dem Druckvorgang mit dem Matrixmaterial umhüllt bzw. infiltriert

Stützabschnitt oder durch die gesamte Orthese verlegt sein.

Der Einsatz von Endlosfasern alleine führt jedoch noch nicht zum gewünschten Erfolg, da ein „klassisches“ FDM (Fused Deposition Modeling) 3D-Drucken für den vorliegenden Zweck unzureichend wäre, wie kurz im Folgenden erläutert wird. Ein klassischer FDM 3DDrucker ist eine Art von 3D-Drucker, der Objekte durch schichtweises Aufschmelzen und Ablagern von Druckmaterial herstellt. Der Druckkopf bewegt sich in X- und Y-Richtung, um das Druckmaterial entsprechend der Form der jeweiligen ebenen Schicht abzulegen. Die Druckplatte selbst kann sich in der Z-Richtung bewegen, um den Aufbau von Höhe zu ermöglichen. Würde man nun so einen klassischen FDM 3D-Drucker heranziehen, um eine Orthese mittels Endlosfaser zu drucken, würde die Orthese durch die in X- und Y-Richtung verlaufenden und in z-Richtung gestapelten Schichten vordefinierte Schwachstellen

aufweisen, z.B. bei Torsion brechen können.

Erfindungsgemäß wird die Orthese bzw. zumindest der Stützabschnitt der Orthese (ein Stützabschnitt ist ein Element, das einen Körperteil stützt) somit mittels eines Multiachsen 3D-Druckers zum Drucken von Endlosfasern hergestellt, der die Endlosfaser in gekrümmten Flächen und/oder in einem Winkel (der insbesondere ungleich 0° und/oder ungleich 90° ist und z.B. zwischen 0° und 90° liegt oder mehr als 90° beträgt) zueinander angeordneten ebenen Flächen druckt. Es versteht sich, dass die Endlosfaser innerhalb des Stützabschnitts bzw. der Orthese sowohl in gekrümmten Flächen als auch in ebenen Flächen, die parallel oder in einem Winkel zueinander angeordnet sind, vorliegen können. Beispielsweise könnte die Endlosfaser innerhalb des Fußteils ausschließlich in gekrümmten Flächen angeordnet sein und in einem Übergangsbereich zu einem Anschluss für ein Gelenk in zueinander

parallelen ebenen Flächen.

Ein Multiachsen 3D-Drucker erweitert die herkömmlichen Fähigkeiten eines klassischen FDM (Fused Deposition Modeling) 3D-Druckers, indem er zusätzliche Achsen hinzufügt, über die die Bewegungen des Druckkopfes oder der Druckplatte gesteuert werden. Beispielsweise kann eine dreh- und schwenkbare Druckplatte herangezogen werden, auf welche die Orthese bzw. der Stützabschnitt gedruckt wird. Ein Multiachsen 3D-Drucker hat

werden kann.

Der Multiachsen 3D-Drucker ermöglicht, dass die Faserrichtung der Endlosfaser durch die Bewegung entlang mehrerer Achsen besser kontrolliert werden kann, was zu verbesserten mechanischen Eigenschaften und struktureller Integrität der Orthese führt. Insbesondere kann eine individuelle Legung der Endlosfaser innerhalb des Stützabschnitts bzw. der Orthese erzielt werden, um erwarteten Krafteinflüssen vorzubeugen bzw. entsprechend

darauf zu reagieren.

In einem Beispiel kann der Stützabschnitts bzw. die Orthese derart gedruckt werden, dass die Endlosfaser in einer gekrümmten Fläche liegt, die der Anatomie des jeweiligen Körperteils entspricht, z.B. der Fußsohle. Im Allgemeinen kann zusammengefasst werden, dass bevorzugt ist, wenn zumindest eine der genannten gekrümmten Flächen einer anatomischen Form eines Körperteils des Benutzers entspricht. Innerhalb dieser Fläche kann die Endlosfaser wiederum beliebig angeordnet werden, um bestimmte mechanische Eigenschaften zu erzielen. Wenn diese gekrümmte Fläche jene ist, die am nächsten zum Körperteil angeordnet ist, können auf dieser weitere gekrümmte Flächen gedruckt werden, damit die Orthese bzw. der Stützabschnitt eine entsprechende Dicke erhält. Es kann somit auch hier ein Schichtaufbau vorliegen, jedoch ein Schichtaufbau von gekrümmten Flächen von Endlosfasern. Es versteht sich, dass der Druckvorgang auch bei der äußersten Schicht beginnen kann. Es kann somit zusammengefasst werden, dass in einer besonders bevorzugten Ausführungsform beim Schritt des Druckens mehrere gekrümmte Flächen von Endlosfaser übereinander gedruckt werden. Hierbei können sich die Endlosfaser in zumindest zwei übereinanderliegenden Schichten der Endlosfaser auch zumindest in einem Abschnitt überkreuzen, um diesem besondere mechanische Eigenschaften zu verleihen. Die Erfindung ist jedoch nicht auf dieses Beispiel beschränkt, sodass die Endlosfaser auch in anderen gekrümmten Flächen in einem Winkel zueinander angeordneten ebenen Flächen angeordnet werden kann, von denen keine einer anatomischen Form eines Körperteils des

Benutzers entspricht.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform erfolgt das Drucken der Endlosfaser in gekrümmten Flächen, wobei die Endlosfaser innerhalb der gekrümmten Flächen in gekrümmten Linien angeordnet sind. Unter gekrümmten Linien wird hierin verstanden, dass

die Endlosfaser innerhalb einer Fläche nicht in geraden, parallelen Linien verläuft, sondern

Endlosfaser innerhalb einer Fläche in geraden, parallelen Linien verläuft.

Weiters bevorzugt ist, wenn beim Schritt des Druckens mehrere gekrümmte Flächen von Endlosfaser übereinander gedruckt werden und sich die Endlosfaser in zumindest zwei übereinanderliegenden Schichten der Endlosfaser überkreuzen. Dadurch kann eine besonders hohe Steifigkeit der Orthese bzw. des Stützabschnitts erzielt werden. Es könnte auch vorgesehen werden, dass sich die Endlosfaser in übereinander befindlichen Schichten nur abschnittsweise kreuzt oder berührt, z.B. um an Stellen, an denen sich diese nicht kreuzt oder

berührt, andere mechanische Eigenschaften herbeizuführen.

Das vorgenannte Herstellungsverfahren eignet sich insbesondere dazu, keine vollständig steifen Orthesen bzw. Stützabschnitte herzustellen, sondern auch, um eine passiv dynamische Orthese zu fertigen. Hierunter versteht man, dass die Orthese passive Kräfte nutzt, um eine funktionelle Bewegung zu erleichtern oder pathologische Bewegungsmuster zu verhindern. Klassische passıv dynamische Orthesen nutzen die Elastizität von Materialien wie Federn oder elastischen Bändern, um sanften Widerstand oder Unterstützung zu bieten, was dabei hilft, die Muskeln und Gelenke zu trainieren oder zu entlasten und ihre Funktion zu verbessern. Erfindungsgemäß kann diese passiv dynamische Funktion aber auch strukturell in der Orthese bzw. in dem Stützabschnitt integriert sein, indem die Ausrichtung der Endlosfaser entsprechend gewählt wird. Als theoretischen Hintergrund kann man sich hierbei vorstellen, dass eine Platte gerade Endlosfaserabschnitte aufweisen kann, die sich in X-Richtung erstrecken, wobei mehrere Endlosfaserabschnitte in Y-Richtung vorliegen. Eine derartige Platte wäre um eine in Y-Richtung verlaufende Achse biegesteifer bzw. weniger federnd als um eine in X-Richtung verlaufende Achse. Diesen Effekt kann man auch in der hierin beschriebenen Orthese bzw. deren Herstellungsverfahren ausnutzen, indem die Endlosfaser in einem Bereich, in dem eine Federwirkung erwünscht ist, entsprechend angeordnet wird. Zusammengefasst ist bevorzugt, dass die Endlosfaser beim Schritt des Druckens in zumindest einem vorbestimmten Abschnitt des ersten Stützabschnitts derart

gelegt wird, dass diese eine Federwirkung ausübt.

Um die Federwirkung zu erzielen, kann die Endlosfaser im vorbestimmten Abschnitt beispielsweise in einer Sattelform gelegt werden. Alternativ kann die Endlosfaser zur Erzielung der Federwirkung auch in einer anderen Form mit doppelter Krümmung, insbesondere negativer Gaußscher Krümmung, aber auch positiver Gaußscher Krümmung

und Null Gaußsche Krümmung, gelegt werden, wie etwa einer hyperbolischen

Schwungphase freigesetzt werden, um das Anheben des Fußes zu unterstützen.

Wie bereits erwähnt ist die Sattelform zur Erzielung der Federwirkung jedoch nicht zwingend und es könnte auch eine andere Form mit negativer Gaußscher Krümmung bzw. doppelter Krümmung eigesetzt werden. So kann beispielsweise die Integration einer Form eines hyperbolischen Paraboloids die Lastverteilung verbessern und Patienten mit einer Schwäche der Dorsalextensoren und Plantarflexoren eine detaillierte dynamische Unterstützung bieten, während S-förmige Federmuster eine verbesserte Stoßdämpfung für Personen mit verminderter Plantarflexionskraft bieten könnten. Ebenso können Sattel- oder antiklastische Schalenformen für gezielte Steifigkeit und verbesserte Flexibilität sorgen, spiralförmig gekrümmte Strukturen können eine anpassungsfähigere Ausrichtung des Sprunggelenks ermöglichen, eine bikonkave Federform kann Gelenkbewegungen modulieren und geriffelte Oberflächen können sowohl Haltbarkeit als auch kontrollierte

Biegung für Patienten bieten, die eine nuancierte Unterstützung benötigen.

Die Realisierung der genannten Sattelform erfordert fortschrittliche Fertigungstechnologien, die durch den Einsatz von Endlosfasern im Multiachsen-3D-Druck ermöglicht werden. Der mehrachsige 3D-Drucker ermöglicht die präzise Platzierung der Endlosfaser in komplexen

dreidimensionalen Geometrien und ermöglicht so die Bildung der Sattelform. Durch die

geeigneten Matrixmaterialien ermöglicht die erforderliche Festigkeit und Elastizität.

Zusammengefasst sind die Vorteile der Integration der Sattelform in Orthesen: Verbesserte Energieeffizient: Durch die Speicherung und Freisetzung Energie kann der Energieaufwand für den Patienten reduziert und Gelenke entlastet werden. Dynamische Unterstützung: Erleichtert Bewegungen, insbesondere für Patienten mit Muskelschwäche oder orthopädischen bzw. neurologischen Beeinträchtigungen sowie Fehlstellungen und Gelenkschäden.

Anpassungsfähigkeit: Die Eigenschaften der Sattelform können individuell auf die spezifischen Bedürfnisse des Patienten zugeschnitten werden.

Innovatives Design: Die Anwendung biomimetischer Prinzipien führt zu neuartigen

Orthesen-Konzepten mit verbesserten funktionellen Eigenschaften.

Der Multiachsen-3D-Drucker ermöglicht es, die Endlosfaser entlang der komplexen Geometrie der Sattelform zu verlegen, wobei die Faserrichtung optional so gewählt wird, dass sie den Hauptbelastungsrichtungen entspricht. Dadurch werden die Materialeigenschaften optimal genutzt und die Energieeffizienz der Orthese maximiert. Je nach Anwendungsfall können die Endlosfasern aber auch schräg zu den

Hauptbelastungsrichtungen angeordnet sein.

Um die Sattelform strukturell besonders integer auszubilden, kann die Endlosfaser in einer ersten Lage im Wesentlichen entlang der ersten Richtung geführt werden und in einer zweiten Lage im Wesentlichen entlang der zweiten Richtung geführt werden. In anderen Worten kann die Endlosfaser an der Sattelform überkreuz geführt werden, d.h. auch in

mehreren Schichten.

Es versteht sich, dass die federnde Wirkung alternativ oder zusätzlich auch im Verbindungsabschnitt und/oder im zweiten Stützabschnitt vorgesehen werden kann, z.B. um eine federnde Unterschenkelschale herzustellen. Anders kann definiert werden, dass die Endlosfaser derart im ersten Stützabschnitt gelegt ist, dass der Stützabschnitt in einem ersten Abschnitt eine größere federnde Wirkung als in einem zweiten Abschnitt des Stützabschnitts

aufweist. Es sei jedoch erwähnt, dass diese federnde Ausrichtung der Endlosfaser in der

entweder steif, federnd und/oder flexibel ausgeführt werden können.

In einer bevorzugten Ausführungsform kann das Verfahren ferner den folgenden Schritt umfassen:

- Drucken eines Verbindungsabschnittes zur Verbindung des ersten Stützabschnitts mit einem zweiten Stützabschnitt oder einem Gelenk, wobei der Verbindungsabschnitt einstückig am Stützabschnitt gedruckt wird (d.h. die Endlosfaser verläuft vom ersten Stützabschnitt in den Verbindungsabschnitt), und

- optional, Drucken des zweiten Stützabschnitts und gegebenenfalls eines dritten Stützabschnitts, wobei der zweite Stützabschnitt einstückig am Verbindungsabschnitt gedruckt wird und der gegebenenfalls vorgesehene dritte Stützabschnitt einstückig am zweiten Stützabschnitt oder an einem zweiten Verbindungsabschnitt gedruckt

wird, der einstückig am zweiten Stützabschnitt gedruckt ist.

In anderen Worten könnte die gesamte Orthese in einem 3D-Druckvorgang gedruckt werden, oder einzelne Elemente könnten mit einem 3D-Druckvorgang gedruckt und dann mittels mechanischer Gelenke verbunden werden. Wenn der Verbindungsabschnitt und einer der Stützabschnitte einstückig gefertigt werden, kann die Endlosfaser an der Kontaktstelle zwischen Verbindungsabschnitt und Stützabschnitte gegebenenfalls derart gelegt werden, dass die Orthese an dieser Kontaktstelle federnd und/oder biegeweicher ist als außerhalb der Kontaktstelle. Dies kann beispielswiese derart erfolgen, dass zumindest ein Teil der Endlosfaser parallel zu einer Achse gelegt werden, um welche die Biegung bzw. federnde Wirkung erzielt werden soll. Weiters könnte auch ein Anschnitt, der eine Verbindung zu einem mechanischen Gelenk herstellen soll, federnd ausgeführt werden. Ebenso kann die

gesamte Orthese für die Erzeugung einer Federkraft genutzt werden.

Ein dritter Stützabschnitt kann beispielsweise eine Oberschenkelschale sein, in welchem Fall die Orthese eine KAFO (knee-ankle-foot orthosis) sein kann, mit einem Fußabschnitt als erstem Stützabschnitt und einer Waden- oder Schienbeinanlage als zweiten Stützabschnitt. Es versteht sich, dass statt den einstückig verbindenden Verbindungsabschnitten auch Gelenke eingesetzt werden können, z.B. mechanische Gelenke und/oder hydraulische und

über einen Mikroprozessor gesteuerte Gelenke. Bei derartigen Orthesen können somit

einstückig und/oder mittels gesonderten Gelenken verbunden sind.

An dieser Stelle erwähnt, dass die Endlosfaser bei der vorliegenden Orthese nicht lediglich als Versteifung anderer Elemente vorgesehen wird, sondern den eigentlichen „Körper“ der Orthese bzw. der Stützabschnitts bilden sollen. In anderen Worten kann definiert werden, dass der Anteil der Endlosfaser (oder der Anteil an Endlosfaser zusammen mit einem Matrixmaterial, in dem die Endlosfaser vorliegt) am ersten Stützabschnitt zumindest 10 Vol.-%, bevorzugt zumindest 30 Vol.-%, zumindest 50 Vol.-%, zumindest 70 Vol.-% oder zumindest 80 Vol.-%, beträgt. Die restlichen Vol.-% können beispielsweise schützendes Basis-Material sein, auf dem die Endlosfaser gedruckt wurde. Man könnte auch definieren, dass die gesamte Orthese, nach der Entfernung gegebenenfalls vorhandener Gelenke, einen Anteil von zumindest 10 Vol.-%, bevorzugt zumindest 30 Vol.-%, zumindest 50 Vol.-%, zumindest 70 Vol.-% oder zumindest 80 Vol.-%, an Endlosfaser (oder an Endlosfaser

zusammen mit einem Matrixmaterial, in dem die Endlosfaser vorliegt) umfasst.

Besonders bevorzugt wird beim Schritt des Druckens eine Kohlenstofffaser, eine Glasfaser, eine Basaltfaser, eine Kevlarfaser (Para-Aramidfaser) oder eine Aramidfaser als Endlosfaser gedruckt. Diese Fasertypen eignen sich besonders gut für die Endlosfaser der erfindungsgemäßen Orthese. Die Endlosfaser könnte jedoch auch eine andere Faser sein und z.B. weitere funktionale Eigenschaften implementieren. Beispielsweise könnte die Endlosfaser eine programmierbare Faser sein, wie sie beschrieben ist in: Loke, G., Khudiyev, T., Wang, B. et al. Digital electronics in fibres enable fabric-based machinelearning inference. Nat Commun 12, 3317 (2021). https://doi.0rg/10.1038/s41467-02123628-5.

Weiters kann der erste Stützabschnitt ein Basismaterial (Base-Material) umfassen, welches bevorzugt die Endlosfaser und gegebenenfalls auch Matrixmaterial, in dem die Endlosfaser vorliegt, allseitig umschließt oder zumindest einseitig lagert oder stützt, wobei das Basismaterial bevorzugt Nylon (z.B. PA6, PA11, PA12), PETG, PLA, ABS, TPU, PET, PCTG, PCT, PP, PEEK, PEKK oder Epoxidharz ist. Ein derartiges Basis- oder Matrixmaterial eignet sich besonders zum Schutz der Endlosfaser. Bevorzugt gehört das

Base-Material zu einer gleichen Polymerfamilie, zu der das Matrixmaterial gehört. In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Orthese, umfassend zumindest einen

ersten Stützabschnitt, wobei der erste Stützabschnitt 3D-gedruckte Endlosfasern umfasst, die

in gekrümmten Flächen und/oder in einem Winkel zueinander angeordneten ebenen Flächen

angeordnet sind. Diese Orthese wird bevorzugt mittels eines Multiachsen 3D-Druckers gedruckt, könnte aber theoretisch auch von einem Multiachsen Roboterarm 3D-Drucker gedruckt worden sein, was jedoch die Nachteile hat, dass dieser Roboterarm hohe Kosten mit sich bringt und einen hohen Bauraum benötigt. Weiters würde ein Roboterarm eine

geringere Baugenauigkeit und eine geringere Druckgeschwindigkeit aufweisen.

An dieser Stelle sei auch erwähnt, dass aus der erfindungsgemäß hergestellten Orthese selbst ersichtlich ist, dass es sich bei der Endlosfaser um eine „3D-gedruckte“ Endlosfaser handelt, da diese Endlosfasern steif sind und z.B. von Fäden, die wie bei der DE 10 2010 020 259 in

Gewebe eingenäht sind, unterschieden werden können.

In einem weiteren Verfahren schafft die Erfindung ein computerimplementiertes Verfahren zur Ermittlung von Ansteuerbefehlen für einen 3D-Drucker zum 3D-Drucken einer Orthese umfassend zumindest einen ersten Stützabschnitt, der eine Endlosfaser umfasst, die in gekrümmten Flächen und/oder in einem Winkel zueinander angeordneten ebenen Flächen angeordnet ist, wobei das computerimplementierte Verfahren folgende Schritte umfasst:

- Bereitstellen von Benutzerdaten, insbesondere von biometrischen Daten des Benutzers und/oder eines 3D-Scans eines Körperteils des Benutzers und/oder Motion-Capture-Daten eines Benutzers, und optional auch Daten eines externen Gelenks, das in der Orthese verbaut werden soll,

- Erzeugen eines Referenzmodells der Orthese auf Basis der biometrischen Daten des Benutzers und eines 3D-Scans eines Körperteils des Benutzers und optional auch auf Basis der Daten des externen Gelenks,

- Planen eines Pfades für die Endlosfaser auf Basis des Referenzmodells zur Erzeugung eines Pfadmodells der Orthese,

- Ausgeben von Ansteuerbefehlen auf Basis des Pfadmodells.

In anderen Worten kann auch ein Verfahren bereitgestellt werden, das Ansteuerbefehle für einen 3D-Drucker, insbesondere einen Multiachsen-3D-Drucker, erzeugt. Dieses Verfahren kann im Rahmen eines sogenannten Slicers bzw. Custom Slicers implementiert werden, d.h. ein Computerprogramm, das aus einem Referenzmodell Steuerbefehle, einen sogenannten

G-Code, für einen 3D-Drucker ausgibt.

Im vorgenannten Verfahren werden die Eingaben in zwei oder drei Teilen gesammelt — Benutzerdaten wie biometrische und biomechanische Daten der Patienten wie Muskelkraft, Bewegungsumfang der Gelenke, ein Scan des Beins (LIDAR-Scan und/oder andere) und

optional Daten eines externen Gelenks. Die Daten eines externen Gelenks können

beispielsweise sein, dass das Gelenk ein "Double Action"-Gelenk mit 2 Federeinheiten in Dorsalextension sowie Plantarflexion ist. Die Arten von Patientendaten, die gesammelt werden können, sind Patienteninformationen (Gewicht, Größe, Alter, Aktivitätsgrad, vorherige Versorgung, klinische Diagnosen, z. B. Aralysis, Schlaganfall, Zerebralparese, Rückenmarksverletzung (Paraplegie), Post-Polio-Syndrom, Charcot-Marie-Tooth-Krankheit, Verletzungen, Teilfußamputation, Sprunggelenk- und Kniearthrose), die Muskelkraft, z.B. auf einer Skala von 0 bis 5 (Hüftbeugung und -streckung, Kniebeugung und -streckung, Dorsalflexion und Plantarflexion), das Gangmuster (Gehgeschwindigkeit, Schrittlänge, Druckmittelpunkt, Beckenrotation und -neigung, Muskelaktivierungsmuster, Schrittsymmetrie, Schwunggeschwindigkeit der Gliedmaßen, Fußfreiheit, Zeit für Doppelund Einzelstütz) und/oder die Gelenkfunktion (Bewegungsbereich des oberen Sprunggelenks (Dorsalflexion und Plantarflexion), Knie- und Hüftpositionen (Varusdeformität, Valgusdeformität, Hyperextension, Extensionslimitierung)). Wenn die Orthese ein Teil eines Exoskeletts ist, könnten keine Patientendaten vorliegen, sondern andere biomechanische Daten der Person. Alle vorgenannten Daten können mit den 3D-Scandaten der unteren Gliedmaßen des Patienten kombiniert werden. Andere Arten von Benutzerdaten stammen beispielsweise aus Druck- oder Positionssensoren. Weiters könnten die Benutzerdaten auch

Motion-Capture-Daten sein.

Das genannte computerimplementierte Verfahren kann mittels bestärkenden Lernens (Reinforcement Learning, RL) und der Finite-Elemente-Methode (FEM) verbessert werden, beispielsweise um ein Referenzmodell der Orthese (vor der Planung der Endlosfaser) und/oder ein Pfadmodell der Endlosfaser für die Herstellung der Orthesen mittels 3D-Druck zu optimieren. RL eignet sich für die Handhabung dynamischer Bedingungen und komplexer, sequentieller Entscheidungsfindung und ermöglicht es, Herausforderungen zu bewältigen, die sich aus sich ändernden biomechanischen Parametern ergeben, wie z.B. dynamische Gangzyklen und adaptives Verhalten. Durch die Integration von RL mit FEMBewertungen kann die Methode geometrische Formen oder Faserplatzierungen iterativ anpassen, um bestimmte Zielmetriken wie Festigkeit, Flexibilität, Gewichtsreduzierung,

Gelenkrotation oder Patientenkomfort zu erreichen.

Bei einem bevorzugten Ansatz wird ein Referenzmodell durch einen Zyklus von FEMBewertungen, RL-gesteuerten Modifikationen und Feedback verfeinert, der so lange wiederholt wird, bis die Zielmetrik optimiert ist oder ein Abbruchkriterium erfüllt ist. Dieses Verfahren kann auch auf das Pfadmodell angewendet werden, um optimale Faserorientierungen und -verteilungen zu bestimmen. Obwohl RL mit FEM einen großen

Teil der Optimierung ausmacht, können alternative oder ergänzende Optimierungstechniken

(z. B. genetische Algorithmen, Topologieoptimierung, überwachtes Lernen) eingesetzt und

integriert werden, um die Effizienz zu steigern und die Rechenkomplexität zu reduzieren.

Im hierin eingesetzten RL gibt es verschiedene Algorithmen, die eingesetzt werden können. Beispielhaft werden Deep Q-Networks (DON), Monte Carlo Tree Search (MCTS) und aktorkritische Algorithmen wie Proximal Policy Optimization (PPO), Soft Actor-Critic (SAC), Twin Delayed DDPG (TD3) und Deep Deterministic Policy Gradient (DDPG) genannt.

Bei der genannten FEM können statische und dynamische FEM-Simulationen Bewertungen der mechanischen Eigenschaften liefern und als Feedback für die iterative Optimierung dienen. Die FEM-Integration kann in mehreren Phasen erfolgen, vom ersten Benchmarking bis zur abschließenden Validierung, um sicherzustellen, dass Design und Faserplatzierung

die Zielleistungskriterien erfüllen.

In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung weiters eine Recheneinheit, umfassend einen Prozessor, der so konfiguriert ist, dass er die genannten computerimplementierten Verfahren ausführt.

In einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung ein Computerprogramm, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, das

genannte computerimplementierte Verfahren auszuführen.

In einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung einen computerlesbaren Datenträger, auf

dem das vorgenannte Computerprogramm gespeichert ist.

Alle Ausführungsvarianten und Vorteile, die oben für das erfindungsgemäße

Herstellungsverfahren erläutert wurden, sind auch für die Orthese zutreffend.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des in den Ansprüchen definierten Herstellungsverfahrens

bzw. der Orthese werden in weiterer Folge anhand der Figuren näher erläutert.

Die Figuren 1 und 2 zeigen eine Orthese in einer schematischen Perspektivansicht (Figur 1) und in einer schematischen Seitenansicht (Figur 2).

Figur 3 zeigt in einer schematischen Perspektivansicht, wie eine Endlosfaser bei einer erfindungsgemäß 3D-gedruckten Endlosfaser vorliegen kann.

Figur 4 zeigt die Endlosfaser von Figur 3 in einer weiteren schematischen Perspektivansicht.

Figur 5 zeigt die Endlosfaser von Figur 3 in einer schematischen Vorderansicht.

Figur 6 zeigt einen Querschnitt eines Stützabschnitts der Orthese in einer beispielhaften Ausführungsform.

Figur 7 zeigt eine Sattelform, um eine Federkraft herbeizuführen.

Figur 8 zeigt, wie eine Endlosfaser in einer Sattelform gelegt werden kann.

Die Figuren 9a bis 9e zeigen ein Multiachsen-3D-Druckverfahren für eine Orthese in

schematischen Perspektivansichten.

In Fig. 1 ist perspektivisch eine erste Ausführungsform einer Orthese 11 gemäß dem Stand der Technik dargestellt. Bei dieser Orthese 11 handelt es sich beispielsweise um eine Knöchel-Fuß-Orthese, welche bei Patienten mit hängendem Fuß, Muskelschwäche oder Lähmungen in den unteren Extremitäten bzw. Fußfehlstellungen eingesetzt wird. Die Orthese kann auch Teil eines Exoskeletts sein. Diese Orthese 11 umfasst einen ersten Stützabschnitt 12, der beispielsweise als Fußsohle ausgebildet ist. Des Weiteren umfasst diese Orthese 11 zumindest einen zweiten Stützabschnitt 14, der als Unterschenkelanlage ausgebildet ist. Bei dieser Orthese 11 ist der zweite Stützabschnitt 14 als Wadenanlage (auch hintere Anlage genannt) vorgesehen. Zwischen dem ersten und zweiten Stützabschnitt 12, 14 ist ein Verbindungsabschnitt 16 vorgesehen, der als Bügel ausgebildet ist und einteilig von dem Stützabschnitt 12 in den Stützabschnitt 14 übergeht. Der zweite Stützabschnitt 14 umgreift die Wade zumindest teilweise. Ergänzend sind an den vorderen freien Enden der Stützabschnitte 14 nicht näher dargestellte Befestigungsmittel, wie beispielsweise Bänder mit Klettverschlüssen oder dergleichen, befestigt, um den Stützabschnitt 14 am Unterschenkel zu fixieren. Eine solche Knöchel-Fuß-Orthese wird auch als

Unterschenkelorthese bezeichnet.

Aus Fig. 2, einer Seitenansicht der Orthese 11 gemäß Fig. 1, ist zu ersehen, dass der Stützabschnitt 12 bevorzugt einen annähernden anatomischen Fußsohlenverlauf umfasst. Darüber hinaus ist zwischen dem ersten Stützabschnitt 12 und dem Verbindungsabschnitt 16 ein Übergangsbereich 17 geschaffen, der sich ausgehend von der Fußsohle stegförmig verjüngt und im Wesentlichen gegenüber der horizontalen Ausrichtung der Fußsohle in vertikaler Richtung nach oben ausgerichtet ist und in den Verbindungsabschnitt 16 übergeht, der sich in einem ersten Abschnitt hinter dem Knöchel zur Achillessehne und Wade erstreckt und in einem zweiten Abschnitt entlang der Wade nach oben geführt ist, bevor dieser in den

oberen Stützabschnitt 14 übergeht. Orthesen 11, wie in den Figuren 1 und 3 dargestellt, werden üblicherweise dadurch

hergestellt, dass eine Trägerlage aus einem faservestärkten Vlies oder Gewebe auf einem

Positivmodell vorfixiert wird. Anschließend wird die Trägerlage in einer aushärtbaren

Grundmasse getränkt, um die Orthese herzustellen. Alternativ können auch vorgetränkte Matten verwendet werden. Es ist ersichtlich, dass hierfür viele manuelle Schritte notwendig

sind und nur eine begrenzte Materialwahl möglich ist.

In Bezug auf die Figuren 3 bis 5 ist gezeigt, dass eine erfindungsgemäße Orthese 21 auch durch einen 3D-Druck von einer oder mehreren Endlosfasern 30 mittels eines Multiachsen 3D-Druckers hergestellt werden kann. Eine derart hergestellte Orthese 21 kann vollautomatisch hergestellt werden, da lediglich ein entsprechendes Modell (z.B. als Gcode oder 3D-Druckdatei) in den 3D-Drucker geladen wird.

Die erfindungsgemäße Orthese 21 kann wie in den Figuren 1 und 2 eine Knöchel-FußOrthese (AFO) sein, ist jedoch nicht auf diese Ausführung beschränkt. Die erfindungsgemäße Orthese 21 kann beispielswiese auch eine andere Extremitätenorthesen wie eine Fußorthese, eine Beinorthese wie eine Knie-Knöchel-Fuß-Orthese (KAFO), eine Armorhtese, eine Handorthese, eine Hüftorthese, eine Halsorthese oder eine Rumpforthese sein. Im einfachsten Fall kann die Orthese 21 auch nur aus einem ersten Stützabschnitt bestehen, z.B. wenn die Orthese eine Schuheinlage ist. Die erfindungsgemäße Orthese 21 kann auch für Spezialgebiete wie Sportorthesen oder Kinderorthesen herangezogen werden. Ein weiteres Anwendungsgebiet sind Exoskelette, beispielsweise zur Unterstützung bei der Arbeit, zum Vorbeugen von körperlichen Schäden oder um mehr Ausdauer über den Tag zu haben.

Die Orthese 21 weist einen schematisch dargestellten ersten Stützabschnitt 22 auf, der in der dargestellten Variante eine Fußsohle ist. Weiters weist die Orthese 21 einen schematisch dargestellten zweiten Stützabschnitt 24 auf, der in der dargestellten Variante eine Schienbeinanlage (vordere Anlage) ist. Am zweiten Stützabschnitt 24 ist einstückig ein schematisch dargestellter Verbindungsabschnitt 23 vorgesehen. Es ist ersichtlich, dass der erste Stützabschnitt 22 in der dargestellten Variante vom Verbindungsabschnitt 23 getrennt ist. Die Verbindung könnte über ein mechanisches Gelenk hergestellt werden. In anderen Varianten könnte der ersten Stützabschnitt 22 jedoch auch einstückig mit dem Verbindungsabschnitt 23 gefertigt sein. Zusammengefasst sind die Ausführungen für die Figuren 1 und 2 auch auf die erfindungsgemäße Orthese 21 anwendbar, d.h. es ist unerheblich, ob der zweite Stützabschnitt 24 eine vordere Anlage oder eine hintere Anlage

ist.

Es sei jedoch allgemein festgehalten, dass der erste Stützabschnitt 22 keine Fußsohle sein muss, sondern je nach Orthese 21 auch ein anderes Element sein kann, das ein Körperteil

zumindest teilweise stützt.

Es ist ersichtlich, dass der Körper der schematisch dargestellten Orthese 21 aus einer oder mehreren Endlosfasern 30 besteht, die durch den eingangs erwähnten Multiachsen 3DDrucker gedruckt wurden. Die dargestellte Endlosfaser 30 verläuft in mehreren gekrümmten Flächen, die stapelweise angeordnet sein können. Beispielsweise können die gekrümmten Flächen an die anatomische Form des jeweiligen Körperteils angepasst sein, das durch die Orthese 21 gestützt werden soll. Im vorliegenden Beispiel der Figuren 3 bis 5 können die Schichten des ersten Stützabschnitts 22 an die Form des Fußes des Benutzers angepasst sein, die Schichten des zweiten Stützabschnitts 24 und des Verbindungsabschnitts 23 können an die Form des Unterschenkels des Benutzers angepasst sein. So können jeweils mehrere Schichten gestapelt sein, wobei jede Schicht einen anderen Abstand zum Körperteil einnimmt. Weiters ist ersichtlich, dass die Endlosfaser 30 innerhalb der Schichten nicht gerade, d.h. gekrümmt, vorgesehen sind. Die genaue Anordnung der Endlosfaser 30 hängt

von jeweils gewünschten Kraftprofil ab und kann durch eine Software ermittelt werden.

Figur 6 zeigt eine beispielhafte Schnittdarstellung eines ersten Stützabschnitts 22 einer Orthese 21. Es soll hervorgehoben werden, dass diese Darstellung rein schematisch ist und insbesondere die dargestellten Größenverhältnisse nicht proportional zu tatsächlichen Ausführungsformen sind. Es ist ersichtlich, dass die Endlosfaser 30 in gekrümmten Flächen F1, F2 gedruckt wurde. In Figur 6 sind schematisch eine X-Richtung und eine Z-Richtung dargestellt, sodass sich die Endlosfaser z.B. in Y-Richtung erstreckt. Die Endlosfaser 30 kann sich in Y-Richtung linear erstrecken (d.h. keinen Gradienten in X-Richtung und/oder Z-Richtung aufweisen) oder auch einen Gradienten in X-Richtung und/oder Z-Richtung aufweisen, d.h. die Krümmung der Flächen F1, F2 kann in drei Dimensionen beliebig

gewählt werden.

Weiters ist aus Figur 6 ersichtlich, ist, dass die Endlosfaser 30 in Matrixmaterial 25 umhüllt bzw. infiltriert ist. Weiters ist die im Matrixmaterial 25 eingebettete Endlosfaser 30 von einem Basismaterial 26 umgeben, was jedoch nur optional ist, denn das Basismaterial 26 könnte auch entfallen oder nur einseitig vorgesehen sein, d.h. die im Matrixmaterial 25

eingebettete Endlosfaser 30 nicht umschließen.

Damit die Orthese eine federnde Wirkung aufweisen kann, kann die Endlosfaser 30 in

zumindest einem Abschnitt in einer Sattelform gedruckt werden. Figur 7 zeigt das Prinzip

der in einer Sattelform ausgeführten Feder, die entlang der Richtungen R1 konkav ausgeführt ist und entlang der Richtungen R2 konvex. Wird eine derartige Feder aus den Richtungen R1 gedrückt, verformt sich diese entlang der Richtungen R2, sodass diese Energie speichern kann und bei einem Nachlassen der Kräfte entlang der Richtung R1

Energie freigeben kann.

Um das Prinzip der Feder aus Figur 7 umzusetzen, kann die Endlosfaser 30 beispielsweise wie in Figur 8 dargestellt gedruckt werden. Wie dargestellt verläuft wie Endlosfaser 30 in einer Ebene im Wesentlichen parallel zu jener Richtung, in der die Sattelform konvex ausgeführt ist, und in einer anderen Ebene im Wesentlichen parallel zu jener Richtung, in der die Sattelform konkav ausgeführt ist. In beiden Ebenen ist die Endlosfaser im Wesentlichen sattelförmig ausgeführt. Es könnte aber auch nur eine der dargestellten Ebenen eingesetzt

werden, sodass sich die Endlosfaser im dargestellten Bereich nicht überkreuzt.

Die Figuren 9a bis 9e zeigen ein Verfahren zum Multiachsen-3D-Drucken der Orthese 21 oder des ersten Stützabschnitts 22 mittels eines Multiachsen-3D-Druckers. Bei dem dargestellten Verfahren kommt beispielsweise ein Multiachsen-3D-Drucker zum Einsatz, der eine Druckplatte 102 und einen Druckkopf 103 umfasst, wobei der Druckkopf 103 entlang einer x-Achse und einer y-Achse verfahrbar ist. Die Druckplatte 102 ist entlang der zRichtung verfahrbar und kann um die x-Achse als auch um die y-Achse verschwenkt werden, sodass dieser Multiachsen-3D-Drucker fünf Freiheitsgrade aufweist. Gegebenenfalls könnte der Multiachsen-3D-Drucker 1 auch vier oder sechs Freiheitsgrade aufweisen. Das erfindungsgemäße Verfahren ist somit nicht auf den dargestellten Multiachsen-3D-Drucker beschränkt, sondern kann auch mit einem anderen Multiachsen-3D-Drucker durchgeführt

werden.

Zurückkommend auf die Figuren 9a bis 9e ist ersichtlich, dass mit einem derartigen Multiachsen-3D-Drucker im Schritt der Figur la zuerst eine Stützstruktur 104 gedruckt werden kann. Die Stützstruktur 104 wird in der Regel im herkömmlichen 3D-Druck gedruckt, d.h. während sich die Druckplatte 102 in einer horizontalen Lage befindet. Der Ausdruck „horizontal“ wird hierin als parallel zu jener Ebene angesehen, welche die x-

Achse und die y-Achse umfasst.

Sobald die Stützstruktur 104 gedruckt wurde, kann auf die Stützstruktur 4 der herzustellende erste Stützabschnitt 22 bzw. die herzustellende Orthese 21 gedruckt werden, wobei die Druckplatte 102 jeweils derart verschwenkt wird, dass der Druckkopf 103 normal auf die

Baukörperoberfläche steht, d.h. normal auf die Stützstruktur 104 oder auf eine bereits im

Multiachsen-3D-Druck gedruckte Lage. Dieses Drucken wird hierin als „Multiachsen-3D-

Druck“ bezeichnet.

Gemäß einem besonderen Beispiel, das in den Figuren 9b bis 9d dargestellt ist, wird eingangs eine erste Deckschicht 105, die aus Basismaterial 26 besteht, im Multiachsen-3DDruck auf die Stützschicht 104 gedruckt (Figur 9b).

Danach kann die Endlosfaser 30 im Multiachsen-3D-Druck auf die Deckschicht 105 gedruckt werden (Figur 9c). In diesem Schritt kann die Endlosfaser 30 bereits von Matrixmaterial 25 umgeben sein. Dadurch, dass die Druckplatte 2 während des Multiachsen3D-Druckens verschwenkt wird, ist die Endlosfaser 30 in gekrümmten Flächen F1, F2 angeordnet. Figur 9d zeigt insbesondere auch, dass mehrere Lagen an Endlosfaser 30 in gekrümmten Flächen F1, F2 übereinander angeordnet sein können. In zwei übereinanderliegenden Flächen kann die Endlosfaser 30 insbesondere ununterbrochen

vorliegen, d.h. sie ist nicht durchtrennt.

Gegebenenfalls vorhandene Freiräume 107 zwischen der Endlosfaser können mit einem Füllmaterial ausgefüllt werden, das wiederum im Multiachsen-3D-Druck gedruckt werden kann. Das Füllmaterial kann das genannte Basismaterial 26 sein. Abschließend kann eine zweite Deckschicht 108, auch bestehend aus Basismaterial 26, im Multiachsen-3D-Druck auf die Endlosfaser 30 bzw. auf das Füllmaterial gedruckt werden (Figur 9d). Durch dieses Verfahren kann die Endlosfaser zwischen der ersten Deckschicht 105 und der zweiten Deckschicht 108 eingeschlossen werden. Abschließend kann der Stützkörper 104 entfernt werden, um das Bauteil bestehend aus erster Deckschicht 105, Endlosfaser 30, zweiter Deckschicht 108 und dem gegebenenfalls vorhandenen Füllmaterial bereitzustellen, siehe

Figur 9e.

Ansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen einer Orthese (21), gekennzeichnet durch die Schritte: - Bereitstellen eines Multiachsen 3D-Druckers zum Drucken einer Endlosfaser (30), - Drucken eines ersten Stützabschnitts (22) der Orthese (21), wobei die Endlosfaser (30) in gekrümmten Flächen (F1, F2) und/oder in einem Winkel zueinander

angeordneten ebenen Flächen gedruckt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend den Schritt: - Drucken der Endlosfaser (30) in gekrümmten Flächen (F1, F2), wobei die Endlosfaser (30) innerhalb der gekrümmten Flächen in gekrümmten Linien gedruckt

wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei beim Schritt des Druckens mehrere gekrümmte Flächen (F1, F2) von Endlosfaser (30) übereinander gedruckt werden und sich die Endlosfasern (30) in zumindest zwei übereinanderliegenden Schichten der

Endlosfaser (30) überkreuzen.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Endlosfaser (30) beim Schritt des Druckens in zumindest einem vorbestimmten Abschnitt des ersten Stützabschnitts

(21) derart gelegt wird, dass diese eine Federwirkung ausübt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Endlosfaser (30) im vorbestimmten Abschnitt in einer Form mit negativer Gaußscher Krümmung gelegt wird, um die Federwirkung

auszuüben.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Endlosfaser (30) im vorbestimmten

Abschnitt in einer Sattelform gelegt wird, um die Federwirkung auszuüben.

7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Sattelform in einer ersten Richtung konvex ist und in einer zweiten Richtung konkav ist, wobei die erste Richtung und die zweite Richtung bevorzugt im Wesentlichen orthogonal aufeinander stehen, wobei die Endlosfaser (30) in einer ersten Lage im Wesentlichen entlang der ersten Richtung geführt wird und in einer zweiten Lage im Wesentlichen entlang der zweiten Richtung

geführt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, ferner umfassend den Schritt:

- Drucken eines Verbindungsabschnittes (23) zur Verbindung des ersten Stützabschnitts (22) mit einem zweiten Stützabschnitt (24) oder einem Gelenk, wobei der Verbindungsabschnitt (23) einstückig am ersten Stützabschnitt (22) gedruckt wird, und

- optional, Drucken des zweiten Stützabschnitts (24) und gegebenenfalls eines dritten Stützabschnitts, wobei der zweite Stützabschnitt (24) einstückig am Verbindungsabschnitt (23) gedruckt wird und der gegebenenfalls vorgesehene dritte Stützabschnitt einstückig am zweiten Stützabschnitt (23) oder an einem zweiten Verbindungsabschnitt gedruckt wird, der einstückig am zweiten Stützabschnitt

gedruckt ist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei beim Schritt des Druckens eine Kohlenstofffaser, eine Glasfaser, eine Basaltfaser, eine Kevlarfaser, eine Aramidfaser

oder eine Faser mit funktionellen Eigenschaften als Endlosfaser (30) gedruckt wird.

10. Orthese (21), umfassend zumindest einen ersten Stützabschnitt (22), wobei der erste Stützabschnitt (22) eine bevorzugt mittels eines Multiachsen 3D-Druckers 3D-gedruckte Endlosfaser (30) umfasst, die in gekrümmten Flächen (F1, F2) und/oder in einem Winkel

zueinander angeordneten ebenen Flächen angeordnet ist.

11. Orthese (21) nach Anspruch 10, ferner umfassend einen einstückig am ersten Stützabschnitt (22) vorliegenden Verbindungsabschnitt (23), der die genannte Endlosfaser (30) umfasst, und bevorzugt einen zweiten Stützabschnitt (24), der einstückig am Verbindungsabschnitt (23) vorliegt und die genannte Endlosfaser (30) umfasst, wobei die Orthese besonders bevorzugt auch einen dritten Stützabschnitt umfasst, der einstückig am zweiten Stützabschnitt oder an einem zweiten

Verbindungsabschnitt vorliegt, der einstückig am zweiten Stützabschnitt vorliegt.

12. Orthese (21) nach Anspruch 10 oder 11, wobei die Endlosfaser (30) in gekrümmten

Flächen (F1, F2) in gekrümmten Linien angeordnet ist.

13. Orthese (21) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die Endlosfaser (30) in zumindest einem vorbestimmten Abschnitt des ersten Stützabschnitts (22) derart gelegt ist, dass diese eine Federwirkung ausübt, wobei die Endlosfaser (30) im vorbestimmten Abschnitt bevorzugt in einer Form mit negativer Gaußscher Krümmung, insbesondere in

einer Sattelform, gelegt ist.

15

16.

17.

18.

19.

20.

20

Orthese nach Anspruch 13, wobei die Sattelform in einer ersten Richtung konvex ist und in einer zweiten Richtung konkav ist, wobei die erste Richtung und die zweite Richtung

bevorzugt im Wesentlichen orthogonal aufeinander stehen, wobei die Endlosfaser (30) in einer ersten Lage im Wesentlichen entlang der ersten Richtung geführt wird und in einer

zweiten Lage im Wesentlichen entlang der zweiten Richtung geführt wird.

. Orthese (21) nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei der Anteil der Endlosfaser (30)

am ersten Stützabschnitt (22) zumindest 10 Vol.-%, bevorzugt zumindest 30 Vol.-%, zumindest 50 Vol.-%, zumindest 70 Vol.-% oder zumindest 80 Vol.-%, beträgt.

Orthese (21) nach einem der Ansprüche 10 bis 15, wobei die Endlosfaser (30) eine Kohlenstofffaser, eine Glasfaser, eine Basaltfaser, eine Kevlarfaser, eine Aramidfaser

oder eine Faser mit funktionellen Eigenschaften ist.

Orthese (21) nach einem der Ansprüche 10 bis 16, wobei die Endlosfaser (30) von einem

Matrixmaterial (25) umgeben ist.

Orthese (21) nach einem der Ansprüche 10 bis 17, wobei der erste Stützabschnitt (22) weiters ein Basismaterial (26) umfasst, welches bevorzugt die Endlosfaser (30) allseitig umschließt, wobei das Basismaterial (26) weiters bevorzugt Nylon, PETG, ABS, TPU, PET, PCTG, PCT, PP, PEEK, PEKK oder Epoxidharz ist.

Orthese (21) nach einem der Ansprüche 10 bis 18, wobei die Orthese (21) zumindest ein Gelenk umfasst, das den ersten Stützabschnitt (22) mit einem Verbindungsabschnitt (23)

oder einem zweiten Stützabschnitt (24) verbindet.

Computerimplementiertes Verfahren zur Ermittlung von Ansteuerbefehlen für einen 3DDrucker zum 3D-Drucken einer Orthese (21) nach einem der Ansprüche 10 bis 19, wobei das computerimplementierte Verfahren folgende Schritte umfasst:

- Bereitstellen von Benutzerdaten, insbesondere biometrischen Daten des Benutzers und/oder eines 3D-Scans eines Körperteils des Benutzers und/oder Motion-CaptureDaten eines Benutzers, und optional auch Daten eines externen Gelenks, das in der Orthese (21) verbaut werden soll,

- Erzeugen eines Referenzmodells der Orthese (21) auf Basis der Benutzerdaten,

- Planen eines Pfades für die Endlosfaser (30) auf Basis des Referenzmodells zur

Erzeugung eines Pfadmodells der Orthese,

- Ausgeben von Ansteuerbefehlen auf Basis des Pfadmodells.

Claims (1)

1. Verfahren zum Herstellen einer Orthese (21), gekennzeichnet durch die Schritte:

- Bereitstellen eines Multiachsen 3D-Druckers zum Drucken einer Endlosfaser (30),

- Drucken eines ersten Stützabschnitts (22) der Orthese (21), wobei die Endlosfaser (30) in gekrümmten Flächen (F1, F2) und/oder in einem Winkel zueinander angeordneten ebenen Flächen gedruckt wird,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Endlosfaser (30) beim Schritt des Druckens in zumindest einem vorbestimmten

Abschnitt des ersten Stützabschnitts (21) derart gelegt wird, dass diese eine

Federwirkung ausübt, wobei die Endlosfaser (30) im vorbestimmten Abschnitt in einer

Form mit negativer Gaußscher Krümmung oder positiver Gaußscher Krümmung gelegt

wird, um die Federwirkung auszuüben.

2. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend den Schritt: - Drucken der Endlosfaser (30) in gekrümmten Flächen (F1, F2), wobei die Endlosfaser (30) innerhalb der gekrümmten Flächen in gekrümmten Linien gedruckt

wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei beim Schritt des Druckens mehrere gekrümmte Flächen (F1, F2) von Endlosfaser (30) übereinander gedruckt werden und sich die Endlosfasern (30) in zumindest zwei übereinanderliegenden Schichten der

Endlosfaser (30) überkreuzen.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Endlosfaser (30) im vorbestimmten Abschnitt in einer Sattelform gelegt wird, um die Federwirkung

auszuüben.

5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Sattelform in einer ersten Richtung konvex ist und in einer zweiten Richtung konkav ist, wobei die erste Richtung und die zweite Richtung bevorzugt im Wesentlichen orthogonal aufeinander stehen, wobei die Endlosfaser (30) in einer ersten Lage im Wesentlichen entlang der ersten Richtung geführt wird und in einer zweiten Lage im Wesentlichen entlang der zweiten Richtung

geführt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, ferner umfassend den Schritt:

32/35 ZULETZT VORGELEGTE ANSPRÜCHE

- optional, Drucken des zweiten Stützabschnitts (24) und gegebenenfalls eines dritten Stützabschnitts, wobei der zweite Stützabschnitt (24) einstückig am Verbindungsabschnitt (23) gedruckt wird und der gegebenenfalls vorgesehene dritte Stützabschnitt einstückig am zweiten Stützabschnitt (23) oder an einem zweiten Verbindungsabschnitt gedruckt wird, der einstückig am zweiten Stützabschnitt

gedruckt ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei beim Schritt des Druckens eine Kohlenstofffaser, eine Glasfaser, eine Basaltfaser, eine Kevlarfaser, eine Aramidfaser

oder eine Faser mit funktionellen Eigenschaften als Endlosfaser (30) gedruckt wird.

8. Orthese (21), umfassend zumindest einen ersten Stützabschnitt (22), wobei der erste Stützabschnitt (22) eine bevorzugt mittels eines Multiachsen 3D-Druckers 3D-gedruckte Endlosfaser (30) umfasst, die in gekrümmten Flächen (F1, F2) und/oder in einem Winkel zueinander angeordneten ebenen Flächen angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Endlosfaser (30) in zumindest einem vorbestimmten Abschnitt des ersten Stützabschnitts (22) derart gelegt ist, dass diese eine Federwirkung ausübt, wobei die Endlosfaser (30) im vorbestimmten Abschnitt in einer Form mit negativer Gaußscher

Krümmung oder positiver Gaußscher Krümmung gelegt ist.

9. Orthese (21) nach Anspruch 8, ferner umfassend einen einstückig am ersten Stützabschnitt (22) vorliegenden Verbindungsabschnitt (23), der die genannte Endlosfaser (30) umfasst, und bevorzugt einen zweiten Stützabschnitt (24), der einstückig am Verbindungsabschnitt (23) vorliegt und die genannte Endlosfaser (30) umfasst, wobei die Orthese besonders bevorzugt auch einen dritten Stützabschnitt umfasst, der einstückig am zweiten Stützabschnitt oder an einem zweiten

Verbindungsabschnitt vorliegt, der einstückig am zweiten Stützabschnitt vorliegt.

10. Orthese (21) nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Endlosfaser (30) in gekrümmten

Flächen (F1, F2) in gekrümmten Linien angeordnet ist.

33/35 ZULETZT VORGELEGTE ANSPRÜCHE

12.

13

14.

15

16.

17.

18.

. Orthese (21) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die Endlosfaser (30) im

vorbestimmten Abschnitt in einer Sattelform gelegt wird, um die Federwirkung

auszuüben.

Orthese nach Anspruch 11, wobei die Sattelform in einer ersten Richtung konvex ist und in einer zweiten Richtung konkav ist, wobei die erste Richtung und die zweite Richtung

bevorzugt im Wesentlichen orthogonal aufeinander stehen, wobei die Endlosfaser (30) in einer ersten Lage im Wesentlichen entlang der ersten Richtung geführt wird und in einer

zweiten Lage im Wesentlichen entlang der zweiten Richtung geführt wird.

. Orthese (21) nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei der Anteil der Endlosfaser (30)

am ersten Stützabschnitt (22) zumindest 10 Vol.-%, bevorzugt zumindest 30 Vol.-%, zumindest 50 Vol.-%, zumindest 70 Vol.-% oder zumindest 80 Vol.-%, beträgt.

Orthese (21) nach einem der Ansprüche 8 bis 13, wobei die Endlosfaser (30) eine Kohlenstofffaser, eine Glasfaser, eine Basaltfaser, eine Kevlarfaser, eine Aramidfaser

oder eine Faser mit funktionellen Eigenschaften ist.

. Orthese (21) nach einem der Ansprüche 8 bis 14, wobei die Endlosfaser (30) von einem

Matrixmaterial (25) umgeben ist.

Orthese (21) nach einem der Ansprüche 8 bis 15, wobei der erste Stützabschnitt (22) weiters ein Basismaterial (26) umfasst, welches bevorzugt die Endlosfaser (30) allseitig umschließt, wobei das Basismaterial (26) weiters bevorzugt Nylon, PETG, ABS, TPU, PET, PCTG, PCT, PP, PEEK, PEKK oder Epoxidharz ist.

Orthese (21) nach einem der Ansprüche 8 bis 16, wobei die Orthese (21) zumindest ein Gelenk umfasst, das den ersten Stützabschnitt (22) mit einem Verbindungsabschnitt (23)

oder einem zweiten Stützabschnitt (24) verbindet.

Computerimplementiertes Verfahren zur Ermittlung von Ansteuerbefehlen für einen 3DDrucker zum 3D-Drucken einer Orthese (21) nach einem der Ansprüche 8 bis 17, wobei das computerimplementierte Verfahren folgende Schritte umfasst:

- Bereitstellen von Benutzerdaten, insbesondere biometrischen Daten des Benutzers und/oder eines 3D-Scans eines Körperteils des Benutzers und/oder Motion-CaptureDaten eines Benutzers, und optional auch Daten eines externen Gelenks, das in der Orthese (21) verbaut werden soll,

34/35 ZULETZT VORGELEGTE ANSPRÜCHE

Ausgeben von Ansteuerbefehlen auf Basis des Pfadmodells.

35/35 ZULETZT VORGELEGTE ANSPRÜCHE