DE102016006113B4

DE102016006113B4 - Verfahren zur Herstellung eines Protektors für ein Körperteil eines Menschen oder eines Tieres

Info

Publication number: DE102016006113B4
Application number: DE102016006113.8A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-05-18
Filing date: 2016-05-18
Publication date: 2021-09-02
Anticipated expiration: 2036-05-19
Also published as: DE102016006113A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines maßangefertigten Protektors (50) für ein Körperteil (10) eines Menschen oder eines Tieres, wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte aufweist:
- Aufnehmen von Daten einer Oberflächentopographie des Körperteils (10) mittels eines Abtasters,
- Speichern der Daten an einen Rechner,
- Steuern eines Zerspanungswerkzeugs basierend auf den Daten, zur Herstellung eines 3D-Modells des Körperteils (10) aus einem Kunststoff-Rohteil, insbesondere aus Polyurethan,
- Erstellen einer zum Körperteil (10) gewandten und an die Oberflächentopographie angepassten Form des Protektors (50) durch Aufbringen zumindest einer Schicht (1) aus einem Kunststoff auf das 3D-Modell, und
- Zuschneiden der zumindest einen Schicht (1) zur Erzeugung einer Außenkante des Protektors (50).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Protektors für ein Körperteil eines Menschen oder eines Tieres.
Aus der US 4 599 748 , der DE 36 26 005 A1 und DE 37 89 385 T2 sind unterschiedliche Arten von Protektoren bekannt.
Aus der DE 10 2014 106 024 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen eines orthopädischen Hilfsmittels bekannt. In diesem Verfahren wird ein 3D-Modell des entsprechenden Körperteils erstellt. Von dem orthopädischen Hilfsmittel wird ebenfalls ein 3D-Modell erstellt. Auf der Basis dieser 3D-Modelle werden dann konkrete Einschübe gefertigt nach Art eines Rapid-Prototyping oder durch Gießen, Fräsen oder sonstige formgebende Verfahren. Dabei wird das orthopädische Hilfsmittel aufgrund individueller Anpassung einer Vielzahl von Einschüben optimal an das Körperteil angepasst, wobei diese Anpassung virtuell über ein CAD-System erfolgt. Die 3D-Daten der Einschübe sind jederzeit verfügbar z.B. für eine nachträgliche Änderung der Einschübe.
Aus der DE 10 2012 025 431 A1 ist als Leit-Stütz-Struktur ein Protektor zur Vermeidung von Arbeitsverletzungen und/oder Sportverletzungen bekannt. Dabei ist eine Sensoreinrichtung zur Erfassung von Oberflächenverformungen bzw. variierender Körperteilvolumina vorgesehen. Diese Sensoreinrichtung ist eine optische Erfassungseinrichtung, beispielsweise ein 3D-Scanner zur Erfassung von einer Oberflächencharakteristik des Körperteils bei unterschiedlichen Belastungszuständen. In der DE 10 2012 025 431 A1 beschreibt die Oberflächencharakteristik eine Oberflächenstruktur bzw. Topographie der Oberfläche der Haut und/oder des Fells des Lebewesens. Basierend auf den 3D-Daten bzw. CAD-Daten erfolgt eine Fertigungssteuerung der Leit-Stütz-Struktur, mittels eines generativen Verfahrens und/oder unter Einsatz einer additiven Fertigung, wobei im Herstellungsprozess insgesamt Laminierwerkzeuge oder Werkzeuge zum Nähen, Stricken, Weben eingesetzt werden.
Aus der US 2011/0 056 004 A1 ist bekannt, ein Kunststoff-Spritzguss-Werkzeug basierend auf 3D-Daten zu erzeugen. Dabei weist das Kunststoff-Spritzguss-Werkzeug eine an die Anatomie angepasste Form, B - side auf. Zwischen der B - side und einer A - side wird der Kunststoff in die sich bildende Kavität eingespritzt.
Aus der US 2009/0 306 801 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem ein Device aus 3D-Daten unmittelbar durch CNC-Fräsen hergestellt wird.
Aus der DE 10 2008 032 992 A1 ist ein Verfahren zur Erzeugung eines Prothesenschaftes bekannt. Die Herstellung des Schafts erfolgt durch Fräsen basierend auf Daten eines 3D-Stumpfmodells.
Aus der JP 2005-139 593 A ist ein Verfahren zur Herstellung einer Maske bekannt. Die Maske wird durch ein Blister-Molding hergestellt.
Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein Verfahren anzugeben, das den Stand der Technik weiterbildet.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung eines Protektors für ein Körperteil eines Menschen oder eines Tieres mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.
Demzufolge ist ein Verfahren zur Herstellung eines Protektors für ein Körperteil eines Menschen oder eines Tieres vorgesehen. Das Verfahren weist die Verfahrensschritte auf:

- Aufnehmen von Daten einer Oberflächentopographie des Körperteils mittels eines Abtasters,
- Speichern der Daten an einen Rechner,
- Steuern eines Zerspanungswerkzeugs basierend auf den Daten, zur Herstellung eines 3D-Modells des Körperteils aus einem Rohteil, vorteilhafterweise aus Polyurethanschaumstoff,
- Erstellen einer zum Körperteil gewandten und an die Oberflächentopographie angepassten Form des Protektors durch Aufbringen zumindest einer Schicht aus einem Kunststoff auf das 3D-Modell, und
- Zuschneiden der Schicht zur Erzeugung einer Außenkante des Protektors.

Bevorzugt werden die vorgenannten Verfahrensschritte in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt.
Ein Vorteil des Verfahrens ist es, dass die Protektoren sich passgenau, d.h. der Anatomie entsprechend auf einfache Weise schnell und kostengünstig herstellen lassen. Dadurch lassen sich anatomische Strukturen schützen, die durch herkömmliche Protektoren durch ihre konfektionsmäßige Herstellung nicht geschützt werden können. Nachteile wie beispielsweise die Gefahr von Dislokationen lassen sich erheblich verringern oder ganz vermeiden.
Die Oberflächentopographie des Körperteils wird mittels eines Abtasters, beispielsweise eines 3D-Scanners aufgenommen und die mittels Abtaster gewonnenen Daten werden an einen Rechner übermittelt. Untersuchungen haben gezeigt, dass als sich als Abtaster beispielsweise handelsübliche Handscanner eignen. Bevorzugt ist dabei die Kenntnis der Lage des Scanners zu einer Referenzfläche oder einem Referenzpunkt gegeben. In einer Weiterbildung ist der Abtaster als ein kabelloses Handgerät ausgebildet, wobei vorzugsweise die Daten des Abtasters per Funkübertragung an den Rechner übermittelt werden. In einer alternativen Ausführungsform werden die Topographiedaten auf einem USB-Gerät gespeichert und an den Rechner mittels des USB-Geräts übertragen.
Durch den Rechner wird ein digitales virtuelles 3D-Modell des Körperteils berechnet. Hierdurch wird der Vorteil erzielt, dass die Protektoren maßangefertigt hergestellt werden können, beispielsweise ist die Aufnahme der Topographiedaten des Körperteils in jeder Sportartikelabteilung mittels des Scanners einfach durchführbar. Die aufgenommen Daten können zeitgleich beispielsweise drahtlos oder über ein Datenkabel an einen lokalen Rechner oder weiter über das Internet versendet werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist das Zerspanungswerkzeug eine CNC-Fräse. Dabei wird zeitnah aus dem digitalen virtuellen 3D-Modell über ein CAM-System durch CNC-Maschinen das 3D-Modell des Körperteils aus einem Rohteil hergestellt, wobei das aus dem Rohteil hergestellte 3D-Modell auch als Positivmodell des Körperteils bezeichnet werden kann. Beispielsweise wird das Positivmodell mittels der Daten an einem CNC-Fräsgerät aus einem Kunststoff-Rohteil hergestellt. Eine Nachbehandlung des 3D-Modells ist dabei meist nicht erforderlich. Das Kunststoff-Rohteil besteht vorteilhafterweise aus Polyurethan, bevorzugt aus einem Polyurethanschaumstoff. Alternativ könnte das Positivmodell auch aus einem anderen Material, beispielsweise Holz hergestellt werden.
Anhand des 3D-Modells des Körperteils wird der Protektor hergestellt. Vorteilhafterweise weist der Kunststoff der zumindest einen Schicht einen carbonfaserverstärkten Kunststoff (CFK) und/oder einen glasfaserverstärkten Kunststoff (GFK) aufweist. Bevorzugt wird der Kunststoff als Schichtsystem (Sandwich) ausgebildet.
In einer Weiterbildung des Verfahrens wird die zumindest eine Schicht aus Kunststoff mittels Prepreg-Verfahren erzeugt, wobei duroplastische Faser-Matrix-Einheiten unter Druck und Temperatur gehärtet werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung wird die zumindest eine Schicht mittels Vakuumtechnik aufgebracht. Der Protektor wird vorzugweise maschinell z.B. durch GFK/CFK mittels Vakuumtechnik oder z.B. durch ein thermoplastisches Material hergestellt. Dabei wird eine zum Körperteil gewandte und an die Oberflächentopographie des Körperteils angepasste Form des Protektors durch Aufbringen zumindest einer formgebenden Kunststoffschicht auf das Positivmodell erstellt.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung wird vor dem Aufbringen der zumindest einen Schicht aus Kunststoff auf das 3D-Modell des Körperteils ein Folienschlauch, vorteilhafterweise aus Polyvinylacetat PVA oder Polyvinylchlorid PVC gezogen. Dieser Folienschlauch wirkt als Isolierschicht oder Trennschicht und ermöglicht später ein einfaches Lösen der zumindest einen Kunststoff-Schicht vom Positivmodell.
Vorteilhafterweise ist der Protektor aus unterschiedlichen Einzelteilen aufgebaut. Auch sei angemerkt, dass bei der zumindest einen formgebenden Schicht es sich vorzugsweise um einen (hoch-)festen Kunststoff handelt. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung wird in dem Verfahren die zumindest eine Schicht mittels Lamination aufgebracht. Der (hoch-)feste Kunststoff ist vorteilhafterweise Faserverbundwerkstoff, wie z.B. GFK oder CFK und wird vorzugsweise in einem Laminierverfahren durch Vakuumtechnik oder z.B. im Prepreg-Verfahren hergestellt werden. Alternativ wird als Kunststoff ein thermoplastischer Werkstoff verwendet. Hierdurch lassen sich insbesondere Schienbeinschützer für Fußballer schnell und extrem passgenau herstellen.
Ein weiterer Vorteil ist, dass nach der Herstellung sich beispielsweise eine weiche Innenlage oder Befestigungen, beispielsweise Klettverschlüsse, anbringen lassen.
In einer Ausführungsform besteht der Protektor aus mehreren Schichten, wobei die Schichten unterschiedliche Materialen aufweisen oder aus unterschiedlichen Materialen bestehen.
In einer Weiterbildung werden nach dem Aufbringen der zumindest einen Schicht auf das Positivmodell weitere Schichten auf diese Schicht aufgebracht.
In einer anderen Weiterbildung wird mit der zumindest einen Schicht oder einer der weiteren Schichten wenigstens eine Haltevorrichtung z.B. für einen Klettverschluss einstückig ausgebildet. Alternativ wird eine Haltevorrichtung mit dieser Schicht fest oder lösbar verbunden. Alternativ ist eine Haltevorrichtung vorgesehen, die insbesondere strumpfartig ausgebildet ist, und die an der zumindest einen Schicht formschlüssig oder stoffschlüssig befestigt ist.
Vorteilhafterweise wird auf die zumindest eine Schicht aus Kunststoff eine Anzahl weiterer Schichten zur Bildung eines Schichtenverbundes aufgebracht. Die Schichten des Schichtenverbundes werden vorzugsweise mittels Harz verbunden, wobei der Harz für eine feste Verbindung aushärtet. Beispielsweise kann auf der Innenseite des Protektors eine hautfreundliche Schicht und/oder auf der Außenseite des Protektors eine Design-Schicht vorgesehen sein. Die Design-Schicht ist nach Aushärten des Harzes die oberste Schicht des Schichtverbundes. Diese Dekoschicht ist vorteilhafterweise im Harz die letzt aufgebrachte Schicht.
Ein virtuelles 3D-Modell des Protektors ist zur Herstellung des Protektors nicht zwingend erforderlich. Ein virtuelles 3D-Modell des Protektors kann zur Darstellung verwendet werden, indem das virtuelle 3D-Modell des Protektors in einem Bildschirm darstellbar ist. Zusätzlich oder alternativ kann ein virtuelles 3D-Modell des Körperteils erzeugt werden, das in einem Bildschirm darstellbar ist. Hierdurch kann z.B. die äußere Umrissform des Protektors kundenspezifisch angepasst werden.
In einer Weiterbildung ist der Rechner als Tablett-Rechner ausgebildet, wobei die mittels des Abtasters aufgenommenen Daten über eine Bluetooth Schnittstelle an den Rechner übertragen werden.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Hierbei werden gleichartige Teile mit identischen Bezeichnungen beschriftet. Die dargestellten Ausführungsformen sind stark schematisiert, d.h. die Abstände und die lateralen und die vertikalen Erstreckungen sind nicht maßstäblich und weisen, sofern nicht anders angegeben, auch keine ableitbaren geometrischen Relationen zueinander auf. Darin zeigt:

1 wesentliche Verfahrensschritte zur Herstellung eines Protektors, und
2 eine schematische Schnittdetailansicht eines Ausführungsbeispiels eines Protektors.

Die Abbildung der 1 zeigt eine Abfolge von Verfahrensschritten S1 bis S5 zur Herstellung eines Protektors für ein Körperteil eines Menschen oder eines Tieres.
In einem ersten Schritt S1 wird die Oberflächentopographie des zu schützenden Körperteils mittels eines Abtasters bzw Scanners aufgenommen. Beim Scannen können definierte anatomische Strukturen markiert werden. Beispielsweise können Marker, insbesondere farbliche oder dreidimensionale Marker mit gescannt werden. Hierdurch kann der Protektor in seiner Größe klar beschrieben werden.
In einem nachfolgenden zweiten Schritt S2 werden die aufgenommenen Topographiedaten an einen Rechner übermittelt. Auch ist es möglich, Marker im Rechner hinzuzufügen oder zu ändern, beispielsweise um ein spezielles Design zu erzielen.
Im Schritt S3 wird mittels eines Zerspanungswerkzeugs, beispielsweise einer CNC-Fräse aus einem Rohteil ein 3D-Modell des Körperteils hergestellt. Vorteilhafterweise wird das 3D-Modell aus einem Rohteil beispielsweise aus Polyurethan herstellt. Dabei werden die 3D-Modelldaten an ein CNC-Fräsgerät übermittelt und ein 3D-Modell des Körperteils z.B. aus einem Kunststoff hergestellt. Hierzu wird das Zerspanungswerkzeug basierend auf den per Abtastung aufgenommenen Daten gesteuert. Ein 3D-Modell aus Polyurethan kann durch das Zerspanungswerkzeug millimetergenau bearbeitet werden, sodass der Protektor exakt passt. Dies hat deutliche Genauigkeitsvorteile gegenüber anderen Verfahren, wie Schäumen von thermoplastischen Materialien oder dergleichen. Das 3D-Modell weist gegenüber einer direkten Formgebung durch das Körperteil selbst deutliche Vorteile auf. So können die durch die Aufnahme gewonnenen digitalen Daten, z.B. über das Internet, einfach verschickt werden, was durch einen Gips-Abdruck vom Körperteil o.ä. erheblich aufwendiger wäre.
Im Verfahrensschritt S4 wird eine Schicht aus einem Kunststoff auf das 3D-Modell aufgebracht. Die Schicht ist dabei die formgebende Schicht des Protektors, die zum Körperteil gewandt und an die Oberflächentopographie des Körperteils angepasst ist. Diese formgebende Schutzschicht des Protektors besteht im Ausführungsbeispiel der 1 aus dem formgebenden GFK und/oder CFK, das auf dem gefrästen 3D-Modell im Laminatverfahren, z.B. in Glasfaser-Carbon-Sandwichbauweise angelegt wird. Das Laminatverfahren kann dabei maschinell oder händisch durchgeführt werden. Durch Vakuumpressen wird der zuvor laminierte Schichtenverbund mit dem 3D-Modell in einen Foliensack luftdicht geschoben oder mit einer Folie abgedeckt, die am Formenrand luftdicht auf das 3D-Modell aufgeklebt wird. Durch Absaugen der Luft presst sich die Folie auf das Laminat und drückt die formgebende Schicht gegen das 3D-Modell. Nach Harzinjektion wird der Verbund unter Vakuumdruck ausgehärtet. Als oberste Schicht ist noch das Einbringen eines sogenannten Dekortrikots möglich.
Vor dem Aufbringen der Kunststoff-Schicht im Verfahrensschritt S4 wird vorzugsweise eine Isolierschicht auf das 3D-Modell aufgebracht, die später ein leichtes Lösen der Kunststoff-Schicht vom 3D-Modell ermöglicht. Beispielsweise wird ein Folienschlauch aus PVA oder PVC auf das 3D-Modell aus Polyurethan gezogen. Dieser dünne Folienschlauch ermöglicht später ein leichtes Ablösen von dem 3D-Modell.
Im Schritt S5 wird zumindest die formgebende Schicht zugeschnitten. Durch den Zuschnitt wird der äußere Rand des Protektors definiert. Dies kann beispielsweise individuell unter Designaspekten erfolgen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird auf die Innenseite der Kunststoff-Schicht eine Schicht aus dämpfenden Kunst-/Schaumstoff oder Textil, insbesondere durch Kleben, Klettbefestigung, Nähen oder dergleichen befestigt. Abweichend von 1 können in einer detaillierteren Ausgestaltung des Verfahrens weitere Verfahrensschritte hinzugefügt werden und ggf. die Reihenfolge von Verfahrensschritten verändert werden.
In der 2 ist der Schichtaufbau des Protektors 50 in Schnittanschicht schematisch dargestellt. Dabei ist die erste Schicht 1 die formgebende Schutzschicht des Protektors 50. Dabei kann die erste Schicht 1 aus mehreren Teilschichten in Sandwichbauweise ausgebildet sein. Die erste Schicht 1 bildet zusammen mit einer zweiten Schicht 2 und einer dritten Schicht 3 ein Schichtverbundsystem. Die Verbindung der Schichten miteinander ist vorzugsweise durch Harz erzeugt. Dabei kann der Harz in die Schichten injiziert werden und aushärten. Schematisch dargestellt ist ebenfalls das Körperteil 10.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines maßangefertigten Protektors (50) für ein Körperteil (10) eines Menschen oder eines Tieres, wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte aufweist: - Aufnehmen von Daten einer Oberflächentopographie des Körperteils (10) mittels eines Abtasters, - Speichern der Daten an einen Rechner, - Steuern eines Zerspanungswerkzeugs basierend auf den Daten, zur Herstellung eines 3D-Modells des Körperteils (10) aus einem Kunststoff-Rohteil, insbesondere aus Polyurethan, - Erstellen einer zum Körperteil (10) gewandten und an die Oberflächentopographie angepassten Form des Protektors (50) durch Aufbringen zumindest einer Schicht (1) aus einem Kunststoff auf das 3D-Modell, und - Zuschneiden der zumindest einen Schicht (1) zur Erzeugung einer Außenkante des Protektors (50).
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Zerspanungswerkzeug eine CNC-Fräse ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Kunststoff einen carbonfaserverstärkten Kunststoff (CFK) und/oder einen glasfaserverstärkten Kunststoff (GFK) aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Kunststoff als Schichtsystem (Sandwich), insbesondere aus einem carbonfaserverstärkten Kunststoff (CFK) und/oder einem glasfaserverstärkten Kunststoff (GFK) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die zumindest eine Schicht (1) aus Kunststoff mittels Prepreg-Verfahren erzeugt wird, wobei duroplastische Faser-Matrix-Einheiten unter Druck und Temperatur gehärtet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die zumindest eine Schicht (1) mittels Vakuumtechnik aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die zumindest eine Schicht (1) mittels Lamination aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem am 3D-Modells des Körperteils (10) eine Anzahl von zweidimensionalen oder dreidimensionalen Markierungselementen ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem Markierungsdaten zur Ausbildung zumindest eines Markierungselements in den Daten durch die Aufnahme enthalten sind oder den Daten basierend auf einer manuellen Eingabe hinzugefügt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem auf die zumindest eine Schicht (1) aus Kunststoff eine Anzahl weiterer Schichten (2, 3) zur Bildung eines Schichtenverbundes aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein virtuelles 3D-Modell des Protektors erzeugt wird, das in einem Bildschirm darstellbar ist, und/oder bei dem ein virtuelles 3D-Modell des Körperteils erzeugt wird, das in einem Bildschirm darstellbar ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Abtaster als ein kabelloses Handgerät ausgebildet ist und die Daten des Abtasters per Funkübertragung an den Rechner übermittelt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zumindest eine Schicht (1) mit wenigstens einer Haltevorrichtung insbesondere für einen Klettverschluss einstückig ausgeformt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Haltvorrichtung an der zumindest einen Schicht (1) stoffschlüssig oder formschlüssig befestigt ist, und insbesondere strumpfartig ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Rechner als Tablett-Rechner ausgebildet ist und von dem Abtaster die Daten mittels Bluetooth-Schnittstelle an den Rechner übertragen werden.