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Die Erfindung betrifft ein Strukturbauteil für den Schutz und/oder die Unterstützung einer Körperpartie, umfassend eine der Körperpartie zugewandte flexibel verformbare Innenschicht und eine formstabile Außenschicht.
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Derartige Strukturbauteile sind vielfältig bekannt und dienen beispielsweise als an die zu unterstützende Körperpartie angepasste Manschette einer Orthese oder auch als Protektor für den Schutz einer Körperpartie zum Beispiel bei bestimmten Sportarten.
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Die der Körperpartie zugewandte flexibel verformbare Innenschicht ist dabei üblicherweise elastisch nachgiebig als Polster ausgeführt und häufig mit einem hautsympathischen Überzug auf der Kontaktfläche zur Körperpartie versehen, während die Außenschicht formstabil bis starr ausgebildet und an die zu schützende und/oder unterstützende Körperpartie angepasst ist und als Widerlager sowie zum Angriff von Befestigungsmitteln, wie Spanngurten und dergleichen dient.
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Problematisch bei derartigen Strukturbauteilen ist es, dass diese aufgrund des wünschenswert engen und häufig großflächigen Kontakt zur zu schützenden und/oder zu unterstützenden Körperpartie als unangenehm schweißtreibend empfunden werden, da sie einer Wärmeabführung insbesondere bei körperlicher Betätigung entgegenstehen. Es sind daher bereits Versuche unternommen worden, derartige Strukturbauteile zu kühlen, was jedoch eine entsprechende Energieversorgung mit entsprechendem Mehraufwand bedingt oder aber nur über kurze Zeiträume sichergestellt werden kann. Dies erscheint verbesserungswürdig.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Strukturbauteil der eingangs genannten Art vorzuschlagen, welches ohne externe Energieversorgung selbsttätig über eine integrierte bzw. implementierte Kühlfunktion verfügt, die keinen zeitlichen Beschränkungen der Wirksamkeit unterliegt.
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Zur Lösung der gestellten Aufgabe wird erfindungsgemäß ein Strukturbauteil gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Im Rahmen der Erfindung wird vorgeschlagen, die Innen- und Außenschicht des erfindungsgemäßen Strukturbauteiles randseitig zu verbinden oder jeweils als geschlossene Schicht auszubilden, so dass ein luftgefüllter Hohlraum innerhalb des Strukturbauteiles ausgebildet wird, welcher von der Innenschicht, der Außenschicht sowie ggf. deren randseitiger Verbindung begrenzt wird, dergestalt, dass die Innenschicht und die Außenschicht gemeinsam den luftgefüllten Hohlraum umschließen. Innerhalb dieses Hohlraumes wird eine Vielzahl elastisch verformbaren Stützelemente angeordnet, die den Hohlraum zwischen Innen- und Außenschicht aufrechterhalten und aufgrund ihrer elastischen Verformbarkeit eine entsprechende elastisch rückstellende Verformung der Innenschicht gegenüber der als Widerlager dienenden starren bzw. formstabilen Außenschicht ermöglichen. Darüber hinaus sind zwischen den einzelnen Stützelementen, die beispielsweise diskret ausgebildet sein können, Luftdurchgangsöffnungen ausgebildet, sodass bei einer elastischen Verformung der Innenschicht und/oder der Stützelemente die im Hohlraum vorhandene Luft vorübergehend verdrängt werden und in andere Bereiche des Hohlraumes ausweichen kann. Schließlich ist an mindestens einer geeigneten Position, vorzugsweise im Bereich der Außenschicht, mindestens eine Be- und Entlüftungsöffnung vorgesehen, über die der luftgefüllte Hohlraum mit der umgebenden Atmosphäre kommuniziert, so dass ein Luftaustausch zwischen Hohlraum und umgebender Atmosphäre stattfinden kann.
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Auf diese Weise können die örtlichen Luftvolumina innerhalb des Hohlraumes des erfindungsgemäßen Strukturbauteiles zum Beispiel durch Kontraktion der an der Innenschicht anliegenden Muskulatur verlagert bzw. umgewälzt werden, wodurch die von diesen Luftvolumina aufgenommene Wärmeenergie der Körperpartie ebenfalls verlagert und durch Luftaustausch durch die mindestens eine Be- und Entlüftungsöffnung abgeführt wird, was zu einem den Tragekomfort erheblich erhöhenden Kühleffekt führt.
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Die Stützelemente des erfindungsgemäßen Strukturbauteiles dienen dabei nicht nur als Abstandshalter zwischen der Innen- und Außenschicht, sondern auch als Aktoren, deren Bewegung bei elastischer Verformung die entsprechenden angrenzenden Luftvolumina innerhalb des Hohlraumes verlagert.
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Nach einem Vorschlag der Erfindung können die Stützelemente in einem additiven Verfahren aus mindestens einem Kunststoffmaterial gebildet sein, wozu insbesondere die Schmelzschichtung in einem 3-D Drucker als geeignet angesehen wird.
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Im Rahmen der Erfindung kann auch vorgesehen sein, entweder die Innenschicht oder die Außenschicht integral und gemeinsam mit den Stützelementen in einem solchen additiven Verfahren auszubilden oder sowohl die Innenschicht als auch die Außenschicht gemeinsam mit den Stützelementen integral in einem solchen additiven Verfahren, zum Beispiel dem bereits genannten 3-D Druck auszubilden, und zwar entweder aus gleichen oder unterschiedlichen Kunststoffen.
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Die Herstellung erfolgt vorzugsweise aus für den 3-D Druck geeigneten Kunststoffen oder auch Formwachsen. Beispiele geeigneter Kunststoffe umfassen thermoplastische Kunststoffe, wie Polyethylen, Polypropylen, Polylactid, Acrylbutadienstyrol und Polyethylenterephthalat sowie thermoplastische Elastomere, jeweils einzeln oder in Multimaterialkombinationen. Auch können entsprechende Gradientenmaterialien zum Aufbau oder als Oberflächenbeschichtung der Innenschicht, Außenschicht und/oder den Stützelementen zur Anwendung kommen. Die jeweilige Ausformung erfolgt insbesondere unter Zugrundelegung eines Digitalscans oder einer digitalisierten Abformung der zu schützenden und/oder zu unterstützenden Körperpartie.
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Nach einem Vorschlag der Erfindung kommuniziert der Hohlraum über mindestens eine gemeinsame Be- und Entlüftungsöffnung vorzugsweise im Bereich der Außenschicht mit der Umgebung. Zur Steuerung des Luft- bzw. Gasaustausches kann die mindestens eine gemeinsame Be- und Entlüftungsöffnung mit einem Zweiwegeventil ausgestattet sein.
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Alternativ schlägt die Erfindung vor, jeweils mindestens eine separate Belüftungsöffnung und mindestens eine separate Entlüftungsöffnung vorzusehen, die demgemäß den Luftaustausch nur in einer Richtung ermöglichen. Dies kann insbesondere durch Anordnung von entsprechend in Bezug auf ihre Durchlass- bzw. Sperrrichtung orientierten Einwegeventilen im Bereich der Be- und Entlüftungsöffnung(en) bewirkt werden.
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Durch eine solche Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Strukturbauteils wird eine besonders effektive und für den Träger angenehme Kühlleistung erreicht, da bei Verformung der Innenschicht und/oder der Stützelemente eine Pumpwirkung auf das im Hohlraum befindliche und erwärmte Luftvolumen ausgeübt wird, welche über die vorhandenen Be- und Entlüftungsöffnungen zu einem zwangsweisen und selbsttätigen Luftaustausch des im Hohlraum befindlichen Volumens gegenüber der Atmosphäre führt. Mit der über die Entlüftungsöffnung ausströmenden Luft wird jeweils auch die aufgenommene Wärmeenergie an die Umgebung abgeführt und es strömt frische, kühlere Luft aus der Atmosphäre in den Hohlraum über die Belüftungsöffnung ein. Eine solche Pumpwirkung lässt sich beispielsweise durch Kontraktion der anliegenden Muskulatur an der Innenschicht selbsttätig und fortlaufend über die gesamte Dauer der Nutzung des erfindungsgemäßen Strukturbauteils bewirken und aufrechterhalten.
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Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung ist vorgesehen, die Ventile der Be- und Entlüftungsöffnungen jeweils mit einer zugeordneten, manuell betätigbaren Absperreinrichtung zu versehen, mittels derer ein Luftdurchgang durch das jeweilige Ventil auch in Durchlaßrichtung verhinderbar ist. Auf diese Weise kann bewusst ein Luftaustausch zwischen dem luftgefüllten Hohlraum und der Atmosphäre mit dem damit verbundenen Wärmeabtransport verhindert werden. Somit kann z.B. bei sehr niedrigen Umgebungstemperaturen die solchermaßen im Hohlraum eingeschlossene Luft auch als Wärmeisolator verwendet werden und die anliegende Körperpartie vor Wärmeverlust effektiv schützen. Nach Aufhebung der Sperrwirkung der Absperreinrichtung steht die Kühlfunktion unmittelbar wieder zur Verfügung.
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Die Außenschicht des erfindungsgemäßen Strukturbauteiles kann aus einem geeigneten formstabilen bis starren Kunststoff, gegebenenfalls auch faserverstärkt hergestellt werden. Die erfindungsgemäß vorgesehenen Stützelemente sind in wenigstens einer Raumrichtung komprimierbar, was sowohl durch entsprechende Formgebung als auch durch die getroffene Materialauswahl oder eine Kombination derselben vorgegeben werden kann. Die gewünschte Ausbildung der Luftdurchgangsöffnungen kann entweder durch geeignete Beanstandung einzelner diskreter Stützelemente voneinander oder durch gezieltes Einbringen von Luftdurchgangsöffnungen in die Stützelementestruktur beim Erstellen derselben in einem additiven Verfahren bewirkt werden.
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Die Aussenschicht des erfindungsgemäßen Strukturbauteiles kann zur Erzielung der gewünschten Formstabilität eine größere Schichtdicke als die Innenschicht aufweisen. Zusätzlich oder alternativ kann die Innenschicht auch aus einem weichelastischen Kunststoffmaterial, zum Beispiel einem thermoplastischen Elastomer und die Außenschicht aus einem demgegenüber härteren Kunststoffmaterial, zum Beispiel ABS, hergestellt sein, um der Außenschicht die gewünschte Formstabilität und der Innenschicht die gewünschte flexible Verformbarkeit zu verleihen.
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Die Stützelemente können aufgrund ihrer Herstellung in einem additiven Verfahren in allen Raumrichtungen variabel gestaltet werden, zum Beispiel bereichsweise unterschiedlich gestaltet und/oder orientiert und/oder dimensioniert sein, um bereichsweise unterschiedliche Elastizitäten auszubilden und/oder den Luftstrom innerhalb des Hohlraumes gezielt hinsichtlich Größe und Richtung zu beeinflussen. Mittels der Stützelemente können auch Mehrkammersysteme innerhalb des Hohlraumes gebildet werden. Ferner können die Stützelemente auch bereichsweise aus unterschiedlich elastischen Kunststoffen hergestellt sein.
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Neben der Beeinflussung des Luftstromes innerhalb des Hohlraumes dient diese bereichsweise unterschiedliche Gestaltung der Stützelemente auch dazu, voneinander verschiedene Stabilitätseigenschaften bezogen auf einen Bereich oder eine Raumrichtung zu erzeugen, um zum Beispiel Bewegungsrichtungen der zugeordneten Körperpartie zu lenken, eine Entlastung oder Stützung bestimmter Bereiche durch erhöhte Elastizität oder erhöhte Formstabilität herbeizuführen oder auch die gezielte Freigabe oder Sperrung von Bewegungsrichtungen zu erzielen. Durch das im Rahmen der Erfindung verwendete Additive Herstellungsverfahren bieten sich dem Fachmann vielfältigste Gestaltungsfreiheiten.
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Der Luftaustausch und der dadurch hervorgerufene Wärmeabtransport bewirkt eine passive Kühlung des erfindungsgemäßen Strukturbauteils, welche durch möglichst dünnwandige Ausführung der inneren Wandstärken, d. h. der Wandstärken der Innenschicht und/oder der Stützelemente weiter gesteigert werden kann.
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Das erfindungsgemäße Strukturbauteil kann beispielsweise als Prothesenschaft, Liner, für umgreifende Konstruktionen, Anlageflächen und Manschetten von orthopädischen Hilfsmitteln und Orthesen, für Epithesen, wie Silikonversorgungen bzw. Kosmetikversorgungen, für Sportprotektoren und für orthopädische Schuhe, für Schutzwesten, Arbeitsschutzprotektoren und dergleichen mehr verwendet werden.
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Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Strukturbauteils ist in der Zeichnung dargestellt. Es zeigen:
- 1 eine Ansicht eines Strukturbauteils gemäß der Erfindung;
- 2 in perspektivischer vergrößerter Darstellung einen Schnitt durch das Strukturbauteil gemäß 1;
- 3 die Darstellung gemäß 2 mit einer teilweise transparenten Außenschicht;
- 4 eine weitere Schnittdarstellung des Strukturbauteils in vergrößertem Maßstab.
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Aus der 1 ist ein Strukturbauteil 1 in Form eines Prothesenschaftes ersichtlich, welches vollständig aus einem geeigneten Kunststoffmaterial durch Schmelzschichtung in einem 3-D Drucker anhand eines digitalisierten Modells einer Körperpartie eines Patienten hergestellt worden ist.
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Wie auch aus den Schnittdarstellungen gemäß 2 bis 4 ersichtlich, umfasst das Strukturbauteil 1 eine der hier nicht dargestellten Körperpartie zugewandte flexibel verformbare Innenschicht 12 und eine die Außenoberfläche des Strukturbauteils 1 bildende Außenschicht 10, zwischen denen Stützelemente 11 in einer regelmäßigen, rastermäßigen Anordnung verlaufen. Die Stützelemente 11 sind in Form von Stegen integral durch den angewandten 3-D Druck hergestellt und weisen eine Vielzahl von Luftdurchgangsöffnungen 110 auf, sodass sie eine Vielzahl von miteinander kommunizierenden benachbarten Zellen bilden, die gemeinsam einen zusammenhängenden Hohlraum 13 zwischen der Innenschicht 12 und der Außenschicht 10 definieren, welcher luftgefüllt ist.
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Aufgrund der Materialauswahl aus einem im Schmelzschichtverfahren verarbeitbaren thermoplastischen Kunststoff, der geometrischen Anordnung und der dünnen Wandstärke sind die einzelnen Stützelemente 11 elastisch verformbar, etwa bei Ausübung von Druckkräften ausgehend von der Innenschicht 12 in Richtung auf die Außenschicht 10.
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Wie insbesondere aus der Darstellung gemäß 4 ersichtlich, ist darüber hinaus die Außenschicht 10 in einer wesentlich größeren Materialstärke D ausgeführt als die Innenschicht 12 mit der deutlich verringerten Materialstärke d. Dies führt dazu, dass auch die Innenschicht flexibel verformbar ist, wohingegen die Außenschicht 10 formstabil und starr ausgebildet ist.
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Demzufolge sind die Innenschicht 12 sowie die hieran anschließende und ebenfalls eine Schicht ausbildende Lage der Stützelemente 11 elastisch verformbar, insbesondere gegenüber von der Innenschicht 12 in Richtung auf die Außenschicht 10 gerichteten Kräften in wenigstens einer Raumrichtung. Derartige Kräfte treten beispielsweise durch Kontraktion der anliegenden Muskulatur der Körperpartie auf, an der das Strukturbauteil 1 mit seiner Innenschicht 12 anliegt.
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Darüber hinaus verfügt das Strukturbauteil 1 über mindestens eine Belüftungsöffnung, in die ein Einwegeventil 14 eingesetzt ist, welches einen Zustrom von Luft aus der Umgebung in den Hohlraum 13 gestattet und in entgegengesetzter Richtung blockiert. Ferner ist mindestens eine Entlüftungsöffnung vorgesehen, in die ein Einwegeventil 15 eingesetzt ist, welches das Ausströmen von Luft aus dem Hohlraum 13 in die Umgebung des Strukturbauteils 1 ermöglicht und in entgegengesetzter Richtung blockiert.
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Sofern ein solches Strukturbauteil 1 an eine Körperpartie angesetzt wird, ergibt sich durch die wechselnde Be- und Entlastung sowie durch Muskelkontraktionen eine stetige elastische Verformung der Innenschicht 12 und der angrenzenden Stützelemente 11 gegenüber der starren Außenschicht 10, die sich aufgrund der elastischen Materialeigenschaften bei Entlastung wieder zurückstellt. Diese elastische Verformung und Rückstellung ruft innerhalb des luftgefüllten Hohlraumes 11 infolge der Vielzahl miteinander kommunizierender Luftdurchtrittsöffnungen 110 eine stetige Pumpwirkung auf das Luftvolumen innerhalb des Hohlraumes 11 hervor, wobei verdrängtes Luftvolumen über die Entlüftungsöffnung mit Einwegeventil 15 an die umgebende Atmosphäre abgegeben wird und entsprechendes Luftvolumen über die Belüftungsöffnung mit Einwegeventil 14 aus der umgebenden Atmosphäre nachströmt. Dies bewirkt einen stetigen Luftaustausch innerhalb des Hohlraumes 13 des Strukturbauteils 1, wodurch die in der Luftfüllung des Hohlraumes 13 aufgenommene Wärmeenergie bei jeder Pumpbewegung und dadurch hervorgerufenen Gas- bzw. Luftaustausch an die umgebende Atmosphäre abgegeben wird.
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Somit erreicht das beschriebene Strukturbauteil 1 allein durch bestimmungsgemäßen Gebrauch an der zu schützenden und/oder zu unterstützenden Körperpartie eine stetige passive Kühlung durch Abfuhr der aufgenommenen Wärme ohne externe Energieversorgung und während der gesamten Gebrauchsdauer.
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Der Tragekomfort eines solchen Strukturbauteils 1 wird dadurch enorm gesteigert.
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Es versteht sich, dass die räumliche Gestaltung des Strukturbauteils 1 sowie der Stützelemente 11 nicht auf das dargestellten Ausführungsbeispiel beschränkt ist sondern vom Fachmann je nach Anwendungsfall ausgewählt und abgewandelt werden kann. Aufgrund der Herstellung in einem additiven Verfahren lässt sich die Geometrie in weiten Grenzen beeinflussen.
