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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Orthese, insbesondere einer Orthese als Handschuh zur Verwendung als Hilfsmittel in der Fertigungstechnik, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner eine Orthese, aufweisend eine Gewebeschicht aus einem Gewebematerial und eine 3D-Druckschicht aus einem 3D-Druckmaterial nach dem Oberbegriff des Anspruchs 5.
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Eine Orthese ist ein allgemein ein Hilfsmittel, das zur Stabilisierung, Entlastung, Ruhigstellung, Führung oder Korrektur von Gliedmaßen oder des Rumpfes eingesetzt wird und industriell oder durch einen Orthopädietechniker oftmals auf ärztliche Verordnung hin hergestellt wird.
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Fused Deposition Modeling (FDM) oder Fused Filament Fabrication (FFF) bezeichnen allgemein ein Fertigungsverfahren aus dem Bereich des 3D-Drucks, mit dem ein Werkstück schichtweise aus einem schmelzfähigen Kunststoff oder auch aus geschmolzenem Metall aufgebaut wird.
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Orthesen für medizinische Anwendung oder zur Verwendung in der Fertigungstechnik, insbesondere zur Verwendung in der Serienproduktion im Automobilbau, können mithilfe des 3D-Druck gefertigt werden. Orthesen, die in der Serienproduktion eingesetzt werden, ermöglichen es den dortigen Arbeitern, bspw. die mechanische Belastung in belasteten Bereichen wie den Fingergelenken zu reduzieren. Besonders bei Eindrückvorgängen oder zum Anheben schwerer Gegenstände können Orthesen eine negative ergonomische Auswirkung reduzieren. Orthesen funktionieren jedoch nur dann in der gewünschten Art und Weise, wenn sie perfekt an den Körper des Benutzers angepasst sind. Andernfalls können Blessuren in Form von Blasen oder Ähnlichem entstehen. Dadurch sind Orthesen meist eher teuer da sie manuell für jeden Benutzer angepasst werden müssen. Werden Orthesen ohne individuelle Abstimmung als Massenware gefertigt, hat dies negative Auswirkungen auf die Passform für den Benutzer. 3D-gedruckte Orthesen können helfen, die perfekte Form für jeden Benutzer individuell zu schaffen. Trotzdem sind besonders Kautschuk oder Gummimaterialien, die oft verwendet werden, um die Flexibilität einer Orthese zu erreichen, anfällig für Versprödung mit zunehmender Verwendungsdauer was zu einem Versagen der Orthese führt.
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Um den verschiedenen Anforderungen gerecht zu werden, werden Orthesen typischerweise aus verschiedenen Materialien gefertigt. Aus der Orthopädie sind bspw. in Medical: plus medica OT - Maximum Flexibility and Design Freedom in the Production of Orthoses (aufgerufen am 22. Februar 2019) Verfahren zur Herstellung von Orthesen bekannt, in dem der Gipsabdruck des Patienten mit einem 3D-Scanner digitalisiert wird. Die Daten werden anschließend auf einen 3D-Drucker übertragen, der die Orthese Schicht für Schicht aus einem feinpulvrigen Material mithilfe eines Laserstrahls herstellt. Das verwendete Material basiert auf einem Nylonpolymer. Grundsätzlich ist auch vorgesehen, einzelne Bereiche verschieden stark und/oder mit verschiedenen Materialien auszubilden. Standardteile wie Gelenkverbindungen können ebenfalls in die Orthese integriert werden.
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Die
US 9,610,731 B2 betrifft ebenfalls die Herstellung einer Orthese, bei der zunächst ein digitales Modell der Orthese erstellt wird. Mithilfe des 3D-Drucks können unterschiedliche Bereiche der Orthese mit spezifischen Eigenschaften ausgebildet werden. So können einzelne Bereiche der Orthese steif und weitere Bereiche flexibel ausgebildet werden. Weitere Komponenten können bei der Fertigung in die Orthese integriert werden. In der US 2016 / 0 374 431 A1 wird ein vergleichbares Verfahren dafür verwendet, Materialeigenschaften dahingehend auszubilden, dass bspw. speziell eine bereichsweise Längsdehnung ermöglicht wird.
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Die
US 9,676,159 B2 offenbart eine Druckvorrichtung, die aus unterschiedlichen Materialien dreidimensionale Bauteile herstellen kann. Dabei können einzelne Materialien direkt auf die Oberflächen bspw. von Textilien, insbesondere natürlicher oder synthetischer Faser, aufgetragen werden.
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Die
US 10,016,941 B2 betrifft ein Verfahren, bei der eine Komponente für einen Schuh mithilfe eines FDM 3D-Druckers zunächst ohne die Hilfe von Supportmaterial gefertigt wird. Die so gefertigte Komponente wird anschließend mithilfe eines Stecksystems mit weiteren Komponenten des Schuhs verbunden.
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Auch in der
US 2017/0 318 900 A1 wird eine Orthese mithilfe eines FDM 3D-Druckers gefertigt. Für verbesserten Tragekomfort weist die Fläche, die den Kontakt mit dem Benutzer ausbildet, eine im Wesentlichen kontinuierliche Oberfläche auf. Die Orthese kann dabei aus einem einzigen Material gefertigt werden, wobei zusätzlich zur Fertigstellung nach dem 3D-Druck eine Gewebeschicht an eine Oberfläche der Orthese angelegt wird.
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Die im Stand der Technik aufgezeigten Lösungen vermögen es nicht, eine Orthese bereitzustellen, die kostengünstig in Serienfertigung herstellbar und trotzdem während der Herstellung an den Benutzer individuell angepasst werden kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kostengünstige Orthese und ein Verfahren zur serienmäßigen Herstellung einer solchen Orthese bereitzustellen, die trotzdem während der Herstellung an den Benutzer individuell angepasst werden kann.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Herstellen einer Orthese mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Orthese mit den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst. Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung offenbaren die abhängigen Unteransprüche.
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Es ist darauf hinzuweisen, dass die in der nachfolgenden Beschreibung einzeln aufgeführten Merkmale sowie Maßnahmen in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich. Wenn in der nachfolgenden Beschreibung von Benutzer gesprochen wird, schließt dies sowohl einen Arbeiter ein, der die Orthese bspw. bei der Fließbandarbeit als Hilfsmittel bei der Serienproduktion im Automobilbau verwendet, als auch einen Patienten, der die Orthese zu medizinischen Zwecken verwendet. „Innen-“ oder „Innenseite“ heißt, dass diese Seite des Handschuhs bzw. der Orthese dem Benutzer zugewandt ist, während „außen-“ oder „Au-ßenseite“ der Umgebung zugewandt der Orthese zugewandt ist.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Orthese, insbesondere einer Orthese als Handschuh zur Verwendung als Hilfsmittel in der Fertigungstechnik, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
- - Bereitstellen eines 3D-Druckers;
- - Bereitstellen einer Gewebeschicht durch Laden des 3D-Druckers mit der Gewebeschicht;
- - Bereitstellen eines 3D-Druckmaterials durch Laden des 3D-Druckers mit dem 3D-Druckmaterial;
- - Durchführen mindestens eines 3D-Druckvorgangs unter Ausbildung mindestens einer 3D-Druckschicht in dem 3D-Drucker direkt auf der Gewebeschicht;
- - Entnehmen der mit der 3D-Druckschicht bedruckten Gewebeschicht aus dem 3D-Drucker.
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Vorzugsweise werden die vorgenannten Schritte in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt. Zur Herstellung einer Orthese können einzelne Verfahrensschritte auch mehrfach durchgeführt werden. Eine Orthese mit einer Gewebeschicht, vorzugsweise aus einem textilen Gewebe wie Organza, und einer speziell an den Benutzer angepassten 3D-Druckschicht ist insbesondere zum Einsatz als Arbeitshandschuh in der Serienfertigung oder Fließbandarbeit im Automobilbau sehr gut geeignet. Die Gewebeschicht nimmt den Schweiß des Benutzers auf, der bei der Belastung während körperlicher Arbeit entstehen kann. Zudem erhält die Gewebeschicht die notwendige Flexibilität einer Orthese zum Arbeiten. Gleichzeitig kann durch die 3D-Druckschicht exakt auf den Aufgabenbereich der Orthese abgestimmt werden. Als 3D-Drucker für ein erfindungsgemäßes Verfahren eignet sich FFF/FDM-3D-Drucker, wobei die Erfindung natürlich nicht auf solche 3D-Drucker beschränkt ist. Es sind z.B. auch andere Verfahren wie z.B. der Pelletdruck oder der Granulatdruck geeignet, um nur zwei weitere zu nennen, welche nicht beschränkend wirken sollen. Das Laden eines 3D-Druckers mit einer Gewebeschicht heißt, dass die Gewebeschicht vor einem 3D-Druckvorgang oder zwischen zwei 3D-Druckvorgängen in den 3D-Drucker eingeführt, eingezogen, eingesetzt oder eingelegt wird. Das 3D-Druckmaterial für die 3D-Druckschicht bspw. wird bereitgestellt, indem Filamentspulen mit entsprechend verwendetem Ausgangsmaterial/3D-Druckmaterial in den 3D-Drucker eingesetzt werden. Je nach verwendeten Ausgangsmaterial weist die damit erzeugte 3D-Druckschicht verschiedene mechanische Eigenschaften und Farben auf. Durch das Erzeugen der 3D-Druckschicht direkt auf der Gewebeschicht können das Herstellungsverfahren vereinfacht und die Kosten zur Herstellung einer Orthese gesenkt werden. Die erzeugte 3D-Druckschicht kann auf der Gewebeschicht bereichsweise ausgebildet sein und/oder die Gewebeschicht vollständig bedecken. Dadurch können Verstärkungen, Klipseinrichtungen, Stoßdämpfer, Griffhilfen oder sonstige speziell ausgebildete Bereiche auf dem Gewebe eines Handschuhs bereitgestellt werden. Klipseinrichtungen oder sonstige Kopplungselemente wie Gummibänder, Schnappverschlüsse, Schnappverbindungen oder Gehäuseelemente können ebenfalls vorgesehen sein, um die 3D-gedruckte Hybridorthese mit weiteren Gewebeelementen oder anderen Komponenten zu kombinieren.
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Ein solches Verfahren zum Herstellen von Hybridorthesen, also Orthesen mit einer Gewebeschicht und einer 3D-Druckschicht, ist aus dem Stand der Technik nicht bekannt. Eine mit einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Orthese kann auch im medizinischen und/oder therapeutischen Anwendungen am Patienten eingesetzt werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens erfolgt das Bereitstellen der Gewebeschicht durch Laden des 3D-Druckers mit der Gewebeschicht nach dem Durchführen eines ersten 3D-Druckvorgangs und vor dem Durchführen eines zweiten 3D-Druckvorgangs in dem 3D-Drucker.
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Durch die mehrschichtige Ausbildung der Orthese kann sie noch besser an die jeweiligen Anforderungen angepasst werden. Während des Herstellungsverfahrens kann bspw. der 3D-Drucker nach dem ersten 3D-Druckvorgang angehalten werden. Auf eine erste in dem ersten 3D-Druckvorgang hergestellte 3D-Druckschicht kann in einer Pause des Verfahrens dann die Gewebeschicht in den 3D-Drucker eingelegt werden. Anschließend wird in einem zweiten 3D-Druckvorgang eine zweite 3D-Druckschicht direkt auf der Gewebeschicht erzeugt. Dieser Vorgang kann prinzipiell beliebig oft wiederholt werden.
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Vorzugsweise wird nach oder vor dem Entnehmen der mit der 3D-Druckschicht bedruckten Gewebeschicht aus dem 3D-Drucker die Gewebeschicht entlang einer Kontur ausgeschnitten.
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Das Ausschneiden der für die Herstellung bzw. Fertigstellung der Orthese benötigten Gewebeschicht erfolgt also entweder im 3D-Drucker oder nach der Entnahme aus dem 3D-Drucker, bspw. durch ausstanzen. Die Gewebeschichten können anschließend zu einem Handschuh so vernäht werden, dass sich die 3D-Druckschichten exakt an der gewünschten Stelle, bspw. an einem Fingergelenk, angeordnet sind. Auch verschiedene Größen sind dadurch herstellbar.
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In einer optionalen Weiterbildung des Verfahrens wird beim Durchführen des 3D-Druckvorgangs und beim Ausbilden der 3D-Druckschicht in dem 3D-Drucker direkt auf der Gewebeschicht eine elektronische Komponente in der 3D-Druckschicht ausgebildet.
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Dadurch können direkt und einem Verfahrensschritt in der 3D-Druckschicht elektronische Komponenten oder Bauteile, nämlich aktive Elemente wie Schalteinrichtungen, Stellknöpfe, Sensoren oder passive Elemente zum Empfangen von Daten wie Antennen oder RFID-Elemente gedruckt werden. Dies ermöglicht die Herstellung eines digitalen Handschuhs. Um komplexere elektronische Bauteile in der Orthese zu realisieren, kann der 3D-Druckvorgang angehalten oder pausiert werden, um elektronische Bauteile ggf. implementiert in ein separates Gehäuse, in den 3D-Drucker einzulegen. Anschließend kann ein weiterer 3D-Druckvorgang anschließen.
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Eigenständiger Erfindungsschutz wird beansprucht für eine Orthese, insbesondere eine Orthese als Handschuh zur Verwendung als Hilfsmittel in der Fertigungstechnik, insbesondere hergestellt in einem der bereits beschriebenen Verfahren, aufweisend eine Gewebeschicht aus einem Gewebematerial und eine 3D-Druckschicht aus einem 3D-Druckmaterial, wobei die Orthese durch Durchführen mindestens eines 3D-Druckvorgangs in dem 3D-Drucker unter Ausbildung mindestens einer 3D-Druckschicht direkt auf der Gewebeschicht hergestellt ist.
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Vorzugsweise ist die 3D-Druckschicht der Orthese in mindestens zwei Bereiche unterteilbar, wobei ein erster Bereich flexibel und/oder biegbar, bspw. unter Verwendung von flexiblem Material wie thermoplastischen Polyurethan (TPU) oder Polyamid (PA), und ein zweiter Bereich gegenüber dem ersten Bereich bspw. unter Verwendung von faserverstärktem Material wie Polyacitiden (PLA) oder Nyloncarbonfaser (PA-CF), versteift und/oder verstärkt ausgebildet ist.
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Durch die Ausbildung der 3D-Druckschicht mit verschiedenen 3D-druckfähigen Ausgangsmaterialien können verschiedene Bereiche auf der Gewebeschicht realisiert werden. So können einerseits flexible Bereiche auf dem Gewebe und auch davon abgegrenzte versteifte realisiert werden. Auch antibakteriell wirkende Materialien können auf die Gewebeschicht aufgedruckt werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Orthese weist die 3D-Druckschicht mehrere längliche Druckschichtelemente auf, wobei zwischen den Druckschichtelementen Zwischenräume ausgebildet oder ausbildbar sind, sodass die Druckschichtelemente relativ zueinander bewegbar sind.
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Durch die Ausgestaltung der Zwischenräume zwischen den einzelnen Druckschichtelementen können die Freiheitsgrade der einzelnen Druckschichtelemente eingestellt werden, sodass verschiedene Translationsbewegungen bzw. Rotationsbewegungen der Druckschichtelemente relativ zu benachbarten Druckschichtelementen und zur Gewebeschicht zugelassen oder nicht zugelassen werden. Dadurch wird eine ergonomisch präzise Ausführung der Bewegungen des Benutzers gewährleistet, was unerwünschte mechanische Belastungen auf die Gelenke oder Sehnen des Benutzers verhindert. Typischerweise weisen die länglich ausgebildeten Druckschichtelemente eine Längsachse auf, wobei die Längsachse senkrecht zu der Gewebeschicht im Bereich des Verbindungselements des Druckschichtelements mit der Gewebeschicht ausgebildet ist. Zwei Längsachsen zweier benachbarter Druckschichtelemente können bspw. parallel zueinander verlaufen oder einen Winkel entsprechend der Wölbung der Gewebeschicht einschließen. Ist eine bestimmte Bewegung der Gewebeschicht zugelassen, so verändert sich die Ausrichtung der Druckschichtelemente und der Winkel, den die Längsachsen der Druckschichtelemente miteinander einschließen, verändert sich ebenfalls.
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Vorzugsweise weist das Druckschichtelement der 3D-Druckschicht der Orthese eine Längsachse, ein der Gewebeschicht zugeordnetes Verbindungselement und ein der Umgebung der Orthese und/oder einer weiteren Schicht der Orthese zugeordnetes Oberflächenelement auf, wobei sich das Druckschichtelement ausgehend vom Verbindungselement hin zum Oberflächenelement entlang der Längsachse verjüngt.
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In anderen Worten, die Druckschichtelemente weisen die Form einer Pyramide, eines Kegels, eines konischen Prismas oder einer ähnlichen Geometrie auf, die sich ausgehend von einer Grundfläche im Bereich des Verbindungselements bis hin zu ihrer Grundfläche im Bereich des Oberflächenelements verjüngt. Verjüngt kann auch heißen, dass sich die Querschnittsfläche senkrecht zur Längsachse des Druckschichtelements ausgehend vom Verbindungselement hin zum Oberflächenelement verjüngt. Die Verjüngung kann jedoch auch entgegengesetzt ausgebildet sein, also dass die Querschnittsfläche des Verbindungselements gegenüber der Querschnittsfläche des Oberflächenelements gering ist.
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In einer optionalen Weiterbildung weist die 3D-Druckschicht der Orthese eine Metamaterialstruktur auf, wobei die Metamaterialstruktur unter Einwirkung einer Zugkraft in einer ersten Richtung in einer zweiten Richtung expandiert, wobei die erste Richtung von der zweiten Richtung verschieden ist und vorzugsweise senkrecht zu ihr ausgerichtet ist. Ein Metamaterial ist allgemein ein Material, das unerwartete Eigenschaften gegenüber konventionellem Material aufweist.
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Zusätzlich kann die Orthese, insbesondere die 3D-Druckschicht der Orthese, eine integrierte elektronische Komponente als Kommunikations- oder Recheneinrichtung zum Senden, Empfangen, Verarbeiten und/oder Speichern von Daten aufweisen.
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Elektronische Bauteile können damit direkt in die 3D-Druckschicht integriert werden. Darunter fallen bspw. aktive Elemente wie Schalteinrichtungen, Knöpfe oder Sensoren oder passive Elemente wie gedruckte Antennen oder RFID-Elemente. Durch gedruckte elektronische Bauteile kann ein digitaler Handschuh hergestellt werden. So ist bspw. ein Handschuh mit einer Scaneinrichtung herstellbar, wobei die Scaneinrichtung bspw. einen Barcode scannen kann, womit der Arbeiter das korrekte Bauteil identifizieren kann. Der Handschuh kann ebenfalls eine Schalteinrichtung zum Bedienen der Scaneinrichtung aufweisen. Um komplexe Teile in die Orthese zu implementieren, kann der 3D-Druckvorgang unterbrochen oder pausiert werden, um elektronische Bauteile ggf. mit einem zusätzlichen Gehäuse zwischen zwei zu druckenden Schichten in den 3D-Drucker einzulegen. Denkbar ist auch, dass durch Kommunikations- oder Recheneinrichtungen in der Orthese mögliche Kollisionen des Benutzers mit Industrierobotern angezeigt und verhindert werden können. Neben elektrischen Komponenten können weitere Bauteile in die Orthese zum Koppeln der Orthese mit weiteren Elementen integriert werden.
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Die 1 a und 1 b zeigen eine perspektivische Darstellung beispielhafter Orthesen aus dem Stand der Technik. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der folgenden Figurenbeschreibung offenbart. Es zeigen in beispielhafter Ausführungsform
- 2 eine Prinzipskizze des Aufbaus einer beispielhaften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Orthese,
- 3a-b eine Prinzipskizze einer beispielhaften Ausbildung bzw. Anordnung einer 3D-Druckschicht,
- 4 eine Prinzipskizze einer ersten alternativen Ausbildung bzw. Anordnung einer 3D-Druckschicht,
- 5a-b eine Prinzipskizze einer zweiten alternativen Ausbildung bzw. Anordnung einer 3D-Druckschicht,
- 6 eine beispielhafte erfindungsgemäße Orthese in perspektivischer Darstellung,
- 7 eine Illustration eines beispielhaften erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens, und
- 8 ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens.
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In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weswegen diese in der Regel auch nur einmal beschrieben werden. Insbesondere sind die Figuren dahingehend zu verstehen, dass verschiedene Bauteile zur besseren Übersichtlichkeit ausgeblendet oder vereinfacht dargestellt sind.
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1a zeigt eine Orthese 10, ausgebildet als Daumenorthese, aus dem Stand der Technik. Die Orthese 10 ist in einen Handschuh 11 integriert. Die Daumenorthese schützt die Daumengelenke des Benutzers 19 bspw. bei sehr häufig durchgeführten Montagevorgängen, die eine Eindrückbewegung des Daumens erfordern. Damit werden die Gelenke des Daumens entlastet. 1b zeigen eine Orthese 10, ausgebildet als Exoskelett 12 für den Unterarm und die Handfläche aus dem Stand der Technik. Auch eine solche Orthese 10 kann für medizinische Zwecke eingesetzt werden, als auch als Hilfsmittel zur Unterstützung häufig durchgeführter Bewegungen, insbesondere Montagevorgängen, bspw. während der Serienfertigung am Fließband im Automobilbau.
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2 zeigt einen grundsätzlichen Aufbau der Schichten einer beispielhaften erfindungsgemäßen Orthese 10 (vgl. 6). Vorgesehen sind eine erste Schicht oder Gewebeschicht 2, die bei Verwendung der Orthese 10 den Kontakt mit der Haut des Benutzers 19 (vgl. 6) ausbildet und dadurch auch beim Schwitzen durch intensive Belastung ein angenehmes Tragegefühl ermöglicht. Auf die Gewebeschicht 2 aufgetragen ist eine zweite Schicht oder 3D-Druckschicht 4. Die 3D-Druckschicht 4 weist eine Vielzahl an Druckschichtelementen 13 auf, wobei die Druckschichtelemente 13 als eine Vielzahl länglicher, d.h. stiftförmiger oder zapfenförmiger, Komponenten ausgebildet sind. Ein Druckschichtelement 13 weist mindestens ein Oberflächenelement 14 bspw. zur Ausbildung eines Kontakts mit Drittgegenständen und ein Verbindungselement 15 zum Verbinden des Druckschichtelements 13 mit der Gewebeschicht 2 auf. Durch die geometrische Ausbildung der Druckschichtelemente 13 können bestimmte Bewegungen mit der Orthese 10 durch die Benutzer 19 (vgl. 6) je nach Wunsch erschwert oder erleichtert werden. Durch die bündige Anordnung der Oberflächenelemente 14 aneinander können laterale Bewegungen der Druckschichtelemente 13 untereinander erschwert werden. Durch eine Verjüngung, d.h. durch eine Verringerung eines Querschnitts ausgehend vom Oberflächenelement 14 zum Verbindungselement 15 entstehen innerhalb der 3D-Druckschicht 4 Zwischenräume 16, die einen gewünschten Bewegungsspielraum des Benutzers 19 (vgl. 6) zulassen. In anderen Worten, die Gewebeschicht 2 ist bevorzugt dem Benutzer (vgl. 6) zugewandt, während die 3D-Druckschicht 4, insbesondere deren Oberflächenelemente 14, der Umgebung 25 der Orthese 10 zugewandt ist und die Außenseite 27 der Orthese 10 bilden. Die Oberflächenelemente 14 können wie in dem beispielhaften Ausführungsbeispiel erkennbar vieleckig, bevorzugt wabenartig, weiter bevorzugt sechseckig, also als Hexagon ausgeführt sein.
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3a zeigt eine konkrete bereichsweise Anordnung einer 3D-Druckschicht 4 auf der Gewebeschicht 2. Alternativ kann die 3D-Druckschicht 4 auch vollflächig auf die Gewebeschicht 2 aufgetragen sein. Zur Fertigstellung der Orthese 10 (vgl. 6) kann auf der Gewebeschicht 2 eine Kontur 5 aufgetragen werden. Entlang der Kontur 5 kann die Gewebeschicht 2 ausgeschnitten werden. Durch nachträgliches Ausschneiden der Gewebeschicht 2 nach dem Auftragen der 3D-Druckschicht 4 entlang der endgültigen Kontur 5 wird ein während des Herstellungsverfahrens erfolgtes Ausfransen der Gewebeschicht 2 beseitigt. 3b zeigt eine weitere bereichsweise konkrete Anordnung einer 3D-Druckschicht 4 auf eine Gewebeschicht 2, wobei die 3D-Druckschicht 4 wenigstens teilweise mit einem Metamaterial 6 ausgebildet ist. Ein solches Metamaterial 6 kann bspw. bei einer Expansion der 3D-Druckschicht 4 in einer y-Richtung auch eine Längung der Gewebeschicht 2 in einer x-Richtung bewirken.
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4 zeigt eine weitere mögliche Ausführungsform einer Anordnung einer 3D-Druckschicht 4 auf einer Gewebeschicht 2 und eine mögliche Ausbildung der einzelnen Druckschichtelemente 13. Je nach Ausgestaltung der einzelnen Druckschichtelemente 13, bspw. als Zapfen, Stäbchen oder Pyramiden, sind verschiedene Freiheitsgrade (Degree of Freedom = DOF) der Gewebeschicht 2 und damit der Orthese 10 beim Benutzen der Orthese 10 realisierbar. Die Druckschichtelemente 13 sind ausgehend von ihrem Oberflächenelement 14 bis hin zu ihrem Verbindungselement 15 also bspw. bezüglich der eingezeichneten y-Richtung, mit unveränderlichem rechteckigem Querschnitt ausgebildet. Durch den unveränderlichen Querschnitt und die bündige Anordnung der Druckschichtelemente 13 bilden sich zwischen den einzelnen Druckschichtelementen 13 in ihrer Ausgangsposition, d.h. in ihrer unbelasteten Position, keine Zwischenräume 16 aus. Durch diese Ausgestaltung gibt es zulässige Krümmungen 17 der Gewebeschicht 2, d.h. die Gewebeschicht 2 wölbt sich bspw. von dem Benutzer 19 (vgl. 6) wegwärts nach außen, also in Richtung der Umgebung 25 der Orthese 10. Dadurch vergrößert sich der Abstand zwischen den Oberflächenelementen 14 der einzelnen Druckschichtelemente 13 und es bilden sich Zwischenräume 16 zwischen den Druckschichtelementen 13. Eine Wölbung in der entgegengesetzten Richtung zur Innenseite 26 hingegen stellt hingegen eine unzulässige Krümmung 18 dar, wobei die unzulässige Krümmung 18 der Gewebeschicht 2 nach innen, also zum Benutzer 19 hin als gedachte Linie gestrichelt eingezeichnet ist. Da keine Zwischenräume 16 zwischen den Druckschichtelementen 13 in ihrer Ausgangsposition vorhanden sind, ist für eine ungewollte bzw. unzulässige Krümmung 18 auch kein Bewegungsspiel vorhanden.
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Die 5a und 5b zeigen eine weitere mögliche Ausführungsform einer Anordnung einer 3D-Druckschicht 4 auf einer Gewebeschicht 2, bei der durch eine konische, pyramidenförmige und/oder kegelförmige Ausbildung der einzelnen Druckschichtelemente 13 eine Wölbung der Gewebeschicht 2 um die z-Richtung grundsätzlich in beiden Richtungen, also zur Innenseite 26 und zur Außenseite 27 zulässt 17. Die Druckschichtelemente 13 verjüngen sich ausgehend von ihrem Verbindungselement 15 bis hin zu ihrem Oberflächenelement 14 also bspw. bezüglich der eingezeichneten positiven y-Richtung. Dadurch sind zwischen den Druckschichtelementen 13 Zwischenräume 16 ausgebildet. Bei einer Wölbung der Gewebeschicht 2 um die z-Richtung nach außen, also in Richtung der Umgebung 25 (vgl. 6) der Orthese 10, vergrößern sich die Zwischenräume 16 durch die Vergrößerung des Abstandes zwischen den einzelnen Oberflächenelementen 14. Bei einer Wölbung der Gewebeschicht 2 um die z-Richtung nach innen verkleinert sich der Abstand zwischen den einzelnen Oberflächenelementen 14, womit sich auch die Zwischenräume 16 verkleinern. Diese Wölbung kann so lange fortgesetzt werden, bis die Druckschichtelemente 13 untereinander anschlagen oder bündig aneinander anliegen. Durch die geometrische Ausgestaltung der Druckschichtelemente 13 ist die maximale Wölbung der Gewebeschicht 2 einstellbar. Die Druckschichtelemente 13 können gemäß 5b auch so ausgebildet sein, dass die Verjüngung nur bezüglich der y-Richtung, nicht aber bezüglich der z-Richtung ausgebildet ist. Quasi werden die Ausführungsformen der 4 und 5a miteinander kombiniert. Dadurch liegen die einzelnen Druckschichtelemente 13 bezüglich der z-Richtung bereits bündig bzw. flächig aneinander an und eine unzulässige Krümmung 18 bezüglich der x-Richtung durch eine Wölbung zur Innenseite 26 ist damit unterbunden. Eine Krümmung bezüglich der x-Richtung durch eine Wölbung zur Außenseite 27 unter Ausbildung von Zwischenräumen 16 ist jedoch weiter möglich. Damit können die einzelnen Freiheitsgrade DOF je nach Richtung unterschiedlich ausgebildet werden.
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6 zeigt eine Orthese 10, ausgebildet als Handschuh 11 an einem Benutzer 19. Der Handschuh 10 bzw. die Orthese 11 weist eine dem Benutzer 19 zugewandte Innenseite 26 (vgl. 4) und eine der Umgebung 25 zugewandte Außenseite 27 auf. Zur Ausbildung des Handschuhs 11 als digitaler Handschuh 11 können bereits bei der Produktion mit 3D-Druck entsprechende Applikationen eingearbeitet werden. Hierfür kann der Handschuh 11 verschiedene elektronische Bauteile 7 aufweisen. Bspw. kann im Handschuh 11 eine Scaneinrichtung 9 bspw. zum abscannen von Barcodes vorgesehen sein, wobei die Scaneinrichtung 9 über ebenfalls eine im Handschuh 11 integrierte Schalteinrichtung 8 bedienbar ist.
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7 illustriert ein beispielhaftes erfindungsgemäßes Herstellungsverfahren zum Herstellen einer Orthese 10 (vgl. 6). In einem FFF/FDM 3D-Drucker 1 wird eine Gewebeschicht 2 bereitgestellt 2a, indem sie in einer Plattform des 3D-Druckers 1 so befestigt wird, dass ein Verrutschen der Gewebeschicht 2 während des Druckvorgangs 20, 22 (vgl. 8) verhindert wird. Ebenfalls wird ein 3D-Druckmaterial 3 durch Einlegen einer Filamentspule 3 in den 3D-Drucker 1 bereitgestellt 3a.
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8 zeigt ein Verfahrensablaufdiagramm für ein beispielhaftes erfindungsgemäßes Herstellungsverfahren zum Herstellen einer Orthese 10 (vgl. 6). Bereitgestellt 1a, 2a, 3a, 7a werden zunächst ein 3D-Drucker 1, eine Gewebeschicht 2, ein 3D-Druckmaterial 3 und ggf. zusätzliche Einsätze, insbesondere nicht 3D-druckbare elektronische Einsätze 7. Nach dem Einlegen der Gewebeschicht 2 in den 3D-Drucker 1 wird das 3D-Druckmaterial 3 in einem ersten Druckvorgang 20 auf die Gewebeschicht 2 unter Ausbildung einer 3D-Druckschicht 4 (vgl. 2) aufgetragen. Dieser erste Druckvorgang 20 kann ggf. mit einer Pause 21 unterbrochen werden, sodass bspw. elektronische Einsätze 7, Schalteinrichtungen 8, Scaneinrichtungen 9 und ggf. weitere Gewebeschichten 2 eingelegt werden können. Anschließend wird der 3D-Druck in einem zweiten 3D-Druckvorgang 22 fortgesetzt. Nach dem Beenden des 3D-Druckvorgangs 20, 22 kann die Orthese 10 entnommen 23 bspw. durch zuschneiden der Gewebeschicht 2 entlang einer Kontur 5 (vgl. 3a) nachbearbeitet 24 und anschließendes Vernähen fertiggestellt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- 3D-Drucker, insbesondere FFF 3D-Drucker
- 1a
- Bereitstellen eines 3D-Druckers
- 2
- erste Schicht, insbesondere Gewebeschicht
- 2a
- Bereitstellen einer Gewebeschicht
- 3
- 3D-Druckmaterial, insbesondere Filamentspule
- 3a
- Bereitstellen eines 3D-Druckmaterials
- 4
- zweite Schicht oder 3D-Druckschicht
- 5
- Kontur
- 6
- Metamaterial
- 7
- elektronische Komponenten
- 7a
- Bereitstellen elektronischer Einsätze
- 8
- Schalteinrichtung
- 9
- Scaneinrichtung
- 10
- Orthese
- 11
- Handschuh
- 12
- Exoskelett
- 13
- Druckschichtelement
- 13a
- Längsachse der Druckschichtelemente
- 14
- Oberflächenelement
- 15
- Verbindungselement
- 16
- Zwischenräume
- 17
- zulässige Krümmung
- 18
- unzulässige Krümmung
- 19
- Benutzer
- 20
- erster 3D-Druckvorgang
- 21
- Pause
- 22
- zweiter 3D-Druckvorgang
- 23
- Entnahme
- 24
- Nachbearbeitung
- 25
- Umgebung der Orthese
- 26
- Innenseite
- 27
- Außenseite
- x-Richtung
- x-Achse, insbesondere zweite Richtung
- y-Richtung
- y-Achse, insbesondere erste Richtung
- z-Richtung
- z-Achse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 9610731 B2 [0006]
- US 9676159 B2 [0007]
- US 10016941 B2 [0008]
- US 2017/0318900 A1 [0009]
