EP3485750B1 - Strukturbauteil für den schutz und/oder die unterstützung einer körperpartie - Google Patents

Strukturbauteil für den schutz und/oder die unterstützung einer körperpartie Download PDF

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EP3485750B1
EP3485750B1 EP18206456.8A EP18206456A EP3485750B1 EP 3485750 B1 EP3485750 B1 EP 3485750B1 EP 18206456 A EP18206456 A EP 18206456A EP 3485750 B1 EP3485750 B1 EP 3485750B1
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EP
European Patent Office
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structural component
air
support elements
inner layer
ventilation opening
Prior art date
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Active
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EP18206456.8A
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English (en)
French (fr)
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EP3485750A1 (de
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André Dick
Maximilian Reinhard
Lutz Klasen
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Rahm Zentrum fur Gesundheit GmbH
Original Assignee
Rahm Zentrum fur Gesundheit GmbH
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Publication date
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Publication of EP3485750A1 publication Critical patent/EP3485750A1/de
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    • A41D—OUTERWEAR; PROTECTIVE GARMENTS; ACCESSORIES
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    • A41D13/05—Professional, industrial or sporting protective garments, e.g. surgeons' gowns or garments protecting against blows or punches protecting only a particular body part
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    • A41D13/015—Professional, industrial or sporting protective garments, e.g. surgeons' gowns or garments protecting against blows or punches with shock-absorbing means
    • A41D13/0158—Professional, industrial or sporting protective garments, e.g. surgeons' gowns or garments protecting against blows or punches with shock-absorbing means having ventilation features
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    • A41D31/28—Shock absorbing
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    • A63B—APPARATUS FOR PHYSICAL TRAINING, GYMNASTICS, SWIMMING, CLIMBING, OR FENCING; BALL GAMES; TRAINING EQUIPMENT
    • A63B71/00—Games or sports accessories not covered in groups A63B1/00 - A63B69/00
    • A63B71/08—Body-protectors for players or sportsmen, i.e. body-protecting accessories affording protection of body parts against blows or collisions
    • A63B71/081—Body-protectors for players or sportsmen, i.e. body-protecting accessories affording protection of body parts against blows or collisions fluid-filled, e.g. air-filled
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    • A63—SPORTS; GAMES; AMUSEMENTS
    • A63B—APPARATUS FOR PHYSICAL TRAINING, GYMNASTICS, SWIMMING, CLIMBING, OR FENCING; BALL GAMES; TRAINING EQUIPMENT
    • A63B71/00—Games or sports accessories not covered in groups A63B1/00 - A63B69/00
    • A63B71/08—Body-protectors for players or sportsmen, i.e. body-protecting accessories affording protection of body parts against blows or collisions
    • A63B71/12—Body-protectors for players or sportsmen, i.e. body-protecting accessories affording protection of body parts against blows or collisions for the body or the legs, e.g. for the shoulders
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A63—SPORTS; GAMES; AMUSEMENTS
    • A63B—APPARATUS FOR PHYSICAL TRAINING, GYMNASTICS, SWIMMING, CLIMBING, OR FENCING; BALL GAMES; TRAINING EQUIPMENT
    • A63B2209/00—Characteristics of used materials

Definitions

  • the invention relates to a structural component for protecting and / or supporting a part of the body, comprising a flexibly deformable inner layer facing the body part and a dimensionally stable outer layer according to the preamble of claim 1.
  • Structural components of this type are widely known and serve, for example, as a cuff of an orthosis that is adapted to the part of the body to be supported or also as a protector for protecting a part of the body, for example in certain types of sport.
  • the flexibly deformable inner layer facing the body part is usually designed to be elastically flexible as a cushion and is often provided with a skin-friendly cover on the contact surface with the body part, while the outer layer is dimensionally stable to rigid and adapted to the body part to be protected and / or supported and as an abutment as well as to attack fasteners such as tension belts and the like.
  • a protective protector especially known for sportswear, which has a structure comprising at least three layers.
  • a cushioning middle layer has a grid-like structure, while the outer protective layer has hood-like air inlet and air outlet openings.
  • an air flow can be conducted through the entire protective protector onto the body surface of a person and can also be carried away from there, which is intended to improve climate comfort.
  • Such forced ventilation requires corresponding air pressure differences at the air inlet and air outlet openings and is therefore suitable, for example, for motorcycle clothing, but is largely ineffective when there is only a small pressure difference, e.g. when there is no airflow, and cannot be transferred to cuffs or orthoses, for example. If the air pressure differences are too great and the ambient temperatures are cool, the air exchange that develops can also be perceived as unpleasant.
  • the WO 2014/111433 A1 also describes a cushioning material comprising at least three layers, for example for cycling shorts, comprising a grid-like cushioning material in an overall air-permeable composite.
  • a dimensionally stable supporting cuff or orthosis or a protector cannot be produced with this material.
  • the EP 2 740 375 B1 discloses a body protector with ventilation channels running continuously between the lower and upper side into which a valve can be inserted to prevent the entry of liquid.
  • the object of the invention is to propose a structural component of the type mentioned at the outset which, without an external power supply, automatically has an integrated or implemented cooling function that is not subject to any time restrictions on effectiveness.
  • the inner and outer layers of the structural component according to the invention are connected at the edges or to design them as a closed layer so that an air-filled cavity is formed within the structural component, which is delimited by the inner layer, the outer layer and, if applicable, their edge connection is, such that the inner layer and the outer layer together enclose the air-filled cavity.
  • a large number of elastically deformable support elements are arranged, which maintain the cavity between the inner and outer layer and, due to their elastic deformability, enable a corresponding elastically restoring deformation of the inner layer in relation to the rigid or dimensionally stable outer layer serving as an abutment.
  • the support elements in the form of webs are produced integrally in one piece with the inner and outer layers and have a plurality of air passage openings, so that they form a plurality of adjacent cells communicating with one another, which together form the air-filled cavity and the cavity with the atmosphere communicates via at least one common aeration and ventilation opening or at least one separate ventilation and ventilation opening each, which are provided with a valve.
  • air passage openings are formed between the individual support elements, which can be discreet, for example, so that in the event of an elastic deformation of the inner layer and / or the support elements, the air present in the cavity is temporarily displaced and can escape into other areas of the cavity.
  • the inner layer and / or the support elements serve as a pump body and pumps the volume of air from one cell into the adjacent cell, thereby building up an exchange of air with the environment or atmosphere, including the ventilation opening (s).
  • at least one ventilation opening is provided at at least one suitable position, preferably in the area of the outer layer, via which the air-filled cavity communicates with the surrounding atmosphere, so that an exchange of air between the cavity and the surrounding atmosphere can take place.
  • the cavity communicates via at least one common ventilation opening, preferably in the area of the outer layer with the environment.
  • the at least one common ventilation opening is equipped with a two-way valve.
  • the invention proposes to provide at least one separate ventilation opening and at least one separate ventilation opening, which accordingly allow the exchange of air in only one direction. This is achieved by arranging one-way valves in the area of the ventilation opening (s) that are appropriately oriented with respect to their flow or blocking direction.
  • the local air volumes within the cavity of the structural component according to the invention can be shifted or circulated, for example by contraction of the muscles adjacent to the inner layer, whereby the thermal energy of the body part absorbed by these air volumes is also shifted and through air exchange through the at least one loading and unloading Vent opening is discharged, which leads to a cooling effect that significantly increases wearing comfort.
  • the support elements of the structural component according to the invention serve not only as spacers between the inner and outer layers, but also as actuators whose movement, when elastically deformed, displaces the corresponding adjacent air volumes within the cells of the cavity like a positive displacement pump.
  • the cavity is divided into several zones which communicate independently of one another with the atmosphere via at least one common ventilation opening or at least one separate ventilation and ventilation opening, which are provided with a valve (14, 15) .
  • a valve 14, 15
  • the support elements can be formed from at least one plastic material in an additive process, for which in particular the melt layer in a 3-D printer is considered suitable.
  • either the inner layer or the outer layer are formed integrally and jointly with the support elements in such an additive process, or both the inner layer and the outer layer together with the support elements are integrally formed in such an additive process, for example the one already called 3-D printing, either from the same or different plastics.
  • the production is preferably made from plastics suitable for 3-D printing or from mold waxes.
  • suitable plastics include thermoplastics such as polyethylene, polypropylene, polylactide, acrylbutadiene styrene and polyethylene terephthalate, and thermoplastic elastomers, each individually or in multi-material combinations.
  • Corresponding gradient materials can also be used for the construction or as a surface coating of the inner layer, outer layer and / or the support elements.
  • the respective shaping takes place in particular on the basis of a digital scan or a digitized impression of the body part to be protected and / or supported.
  • Such a configuration of the structural component according to the invention achieves a particularly effective and pleasant cooling performance for the wearer, since when the inner layer and / or the support elements are deformed, a pumping effect is exerted on the heated air volume in the cavity, which is via the existing ventilation openings leads to a forced and automatic exchange of air between the volume located in the cavity and the atmosphere, possibly even in different zones with different intensities. With the air flowing out via the ventilation opening, the absorbed thermal energy is also dissipated to the environment and fresh, cooler air flows from the atmosphere into the cavity via the ventilation opening.
  • Such a pumping action can be brought about and maintained automatically and continuously over the entire duration of the use of the structural component according to the invention, for example, by contraction of the muscles attached to the inner layer.
  • valves of the ventilation openings each have an associated, manually operable shut-off device to be provided, by means of which an air passage through the respective valve can also be prevented in the flow direction.
  • an air passage through the respective valve can also be prevented in the flow direction.
  • the outer layer of the structural component according to the invention can be produced from a suitable dimensionally stable to rigid plastic, optionally also fiber-reinforced.
  • the support elements provided according to the invention can be compressed in at least one spatial direction, which can be specified both by appropriate shaping and by the choice of material or a combination thereof.
  • the desired design of the air passage openings can be brought about either by suitable objections to individual discrete support elements from one another or by targeted introduction of air passage openings into the support element structure when the same is created in an additive process.
  • the outer layer of the structural component according to the invention can have a greater layer thickness than the inner layer in order to achieve the desired dimensional stability.
  • the inner layer can also be made of a flexible plastic material, for example a thermoplastic elastomer, and the outer layer of a harder plastic material, for example ABS, in order to give the outer layer the desired dimensional stability and the inner layer the desired flexible deformability.
  • the support elements can be designed variably in all spatial directions, for example designed differently in areas and / or oriented and / or dimensioned in order to develop different elasticities in areas and / or the air flow within the cavity specifically with regard to size and direction to influence.
  • Multi-chamber systems can also be formed within the cavity by means of the support elements.
  • the support elements can also be made from different elastic plastics in some areas.
  • this regionally different design of the support elements also serves to generate different stability properties related to an area or a spatial direction, for example to guide the directions of movement of the assigned body part, relieve or support certain areas through increased elasticity or to bring about increased dimensional stability or to achieve the targeted release or blocking of directions of movement.
  • the additive manufacturing process used in the context of the invention offers the person skilled in the art a wide variety of design freedom.
  • the exchange of air and the heat dissipation caused thereby causes passive cooling of the structural component according to the invention, which is achieved by making the inner wall thicknesses as thin as possible, ie. H. the wall thicknesses of the inner layer and / or the support elements can be further increased.
  • the structural component according to the invention can be used, for example, as a prosthesis socket, liner, for encompassing constructions, contact surfaces and cuffs of orthopedic aids and orthotics, for epitheses such as silicone supplies or cosmetic supplies, for sports protectors and for orthopedic shoes, for protective vests, protective work protectors and the like.
  • a structural component 1 in the form of a prosthesis shaft can be seen, which has been produced entirely from a suitable plastic material by melt layering in a 3-D printer using a digitized model of a part of a patient's body.
  • the structural component 1 comprises a flexibly deformable inner layer 12 facing the body part (not shown here) and an outer layer 10 forming the outer surface of the structural component 1, between which support elements 11 run in a regular, grid-like arrangement.
  • the support elements 11 are integrally produced in the form of webs by the applied 3-D pressure and have a multiplicity of air passage openings 110, so that they form a multiplicity of adjacent cells communicating with one another, which together form a coherent cavity 13 between the inner layer 12 and the outer layer 10 define which one is air-filled.
  • the individual support elements 11 are elastically deformable, for example when compressive forces are exerted from the inner layer 12 in the direction of the outer layer 10.
  • the outer layer 10 is also made with a significantly greater material thickness D than the inner layer 12 with the significantly reduced material thickness d. This means that the inner layer can also be flexibly deformed, whereas the outer layer 10 is dimensionally stable and rigid.
  • the inner layer 12 as well as the adjoining layer of the support elements 11, which also forms a layer, are elastically deformable, in particular in relation to forces directed from the inner layer 12 in the direction of the outer layer 10 in at least one spatial direction. Such forces occur, for example, as a result of contraction of the adjacent muscles of the body part on which the structural component 1 rests with its inner layer 12.
  • the structural component 1 has at least one ventilation opening into which a one-way valve 14 is inserted, which allows an inflow of air from the environment into the cavity 13 and blocks it in the opposite direction. Furthermore, at least one ventilation opening is provided, into which a one-way valve 15 is inserted, which allows air to flow out of the cavity 13 into the surroundings of the structural component 1 and blocks it in the opposite direction.
  • the structural component 1 described thus achieves constant passive cooling through the dissipation of the absorbed heat without an external energy supply and during the entire service life, solely through intended use on the body part to be protected and / or supported.
  • the spatial design of the structural component 1 and of the support elements 11 is not limited to the exemplary embodiment shown but can be selected and modified by a person skilled in the art depending on the application. Due to the production in an additive process, the geometry can be influenced within wide limits.

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Description

  • 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 nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Aus der EP 1588 636 B1 ist ein Schutzprotektor, speziell für Sportbekleidung bekannt, der einen mindestens drei Schichten umfassenden Aufbau besitzt. Eine dämpfende Mittelschicht ist gitterartig aufgebaut, während die äußere Schutzschicht hutzenartige Lufteintritts- und Luftaustrittöffnungen aufweist. In Verbindung mit einer luftdurchlässigen Unterschicht kann insoweit ein Luftstrom durch den gesamten Schutzprotektor hindurch auf die Körperoberfläche einer Person geleitet und von dort auch abgeführt werden, was den Klimakomfort verbessern soll. Eine solche Zwangsbelüftung benötigt entsprechende Luftdruckunterschiede an den Lufteintritts- und Luftaustrittsöffnungen und eignet sich von daher z.B. für Motorradbekleidung, ist aber bei nur geringem Druckunterschied, z.B. bei fehlendem Fahrtwind weitgehend wirkungslos und lässt sich z.B. nicht auf Manschetten oder Orthesen übertragen. Bei zu starken Luftsruckunterschieden und kühlen Umgebungstemperaturen kann der sich entwickelnde Luftaustausch auch unangenehm empfunden werden.
  • Die WO 2014/111433 A1 beschreibt ebenfalls ein mindestens drei Schichten umfassendes Polstermaterial z.B. für Radhosen, umfassend ein gitterartiges Polstermaterial in einem insgesamt luftdurchlässigen Verbund. Eine formstabile stützende Manschette oder Orthese bzw. ein Protektor ist mit diesem Material nicht herstellbar.
  • Die EP 2 740 375 B1 offenbart einen Körperprotektor mit durchgängig zwischen Unter- und Oberseite verlaufenden Belüftungskanälen, in die ein Ventil zur Verhinderung eines Flüssigkeitseintrittes einsetzbar ist.
  • 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.
  • Zur Lösung der gestellten Aufgabe wird erfindungsgemäß ein Strukturbauteil gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • 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 die Stützelemente in Form von Stegen integral einstückig mit der Innen- und Außenschicht hergestellt und weisen eine Vielzahl von Luftdurchgangsöffnungen auf, so dass sie eine Vielzahl von miteinander kommunizierenden benachbarten Zellen bilden, die gemeinsam den luftgefüllten Hohlraum bilden und der Hohlraum mit der Atmosphäre über mindestens eine gemeinsame Be- und Entlüftungsöffnung oder jeweils mindestens eine separate Belüftungs- und Entlüftungsöffnung kommuniziert, die die mit einem Ventil versehen sind. Insoweit 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. Bei einer elastischen Verformung dienen die Innenschicht und/oder die Stützelemente als Pumpkörper und Pumpen das Luftvolumen von einer Zelle in die benachbarte Zelle, wodurch unter Einschluss der Be- und Entlüftungsöffnung(en) ein Luftaustausch mit der Umgebung bzw. Atmosphäre aufgebaut wird. Dazu 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.
  • 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 ist die mindestens eine gemeinsame Be- und Entlüftungsöffnung mit einem Zweiwegeventil ausgestattet.
  • 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 wird durch Anordnung von entsprechend in Bezug auf ihre Durchlass- bzw. Sperrrichtung orientierten Einwegeventilen im Bereich der Be- und Entlüftungsöffnung(en) bewirkt.
  • 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.
  • 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 der Zellen des Hohlraumes nach Art einer Verdrängerpumpe verlagert.
  • Nach einem Vorschlag der Erfindung ist der Hohlraum in mehrere Zonen unterteilt, die unabhängig voneinander mit der Atmosphäre über jeweils mindestens eine gemeinsame Be- und Entlüftungsöffnung oder jeweils mindestens eine separate Belüftungs- und Entlüftungsöffnung kommunizieren, die mit einem Ventil (14, 15) versehen sind. Damit ist es gezielt möglich, Bereiche oder Zonen innerhalb des Hohlraumes zu definieren, die z.B. stärker durchlüftet werden, wohingegen andere Zonen oder Bereiche schwächer oder gar nicht durchlüftet werden. Dies lasst sich über die Anzahl und Querschnitte sowie Ventilcharakteristik in den einzelnen Zonen beliebig beeinflussen.
  • Nach einem weiteren 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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, ggf. sogar in unterschiedlichen Zonen in unterschiedlicher Intensität. 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Strukturbauteils ist in der Zeichnung dargestellt. Es zeigen:
    • Figur 1
    eine Ansicht eines Strukturbauteils gemäß der Erfindung;
    Figur 2
    in perspektivischer vergrößerter Darstellung einen Schnitt durch das Strukturbauteil gemäß Figur 1;
    Figur 3
    die Darstellung gemäß Figur 2 mit einer teilweise transparenten Außenschicht;
    Figur 4
    eine weitere Schnittdarstellung des Strukturbauteils in vergrößertem Maßstab.
  • Aus der Figur 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.
  • Wie auch aus den Schnittdarstellungen gemäß Figur 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.
  • 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.
  • Wie insbesondere aus der Darstellung gemäß Figur 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Der Tragekomfort eines solchen Strukturbauteils 1 wird dadurch enorm gesteigert.
  • Es versteht sich, dass die räumliche Gestaltung des Strukturbauteils 1 sowie der Stützelemente 11 nicht auf das dargestellte 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.

Claims (9)

  1. Strukturbauteil (1) für den Schutz und/oder die Unterstützung einer Körperpartie, umfassend eine der Körperpartie zugewandte flexibel verformbare Innenschicht (12) und eine formstabile Außenschicht (10), wobei die Innen- und Außenschicht (12, 10) einen luftgefüllten Hohlraum (13) umschließen, der über mindestens eine Be- und Entlüftungsöffnung mit der Umgebung kommuniziert und innerhalb des Hohlraumes (13) eine Vielzahl elastisch verformbarer Stützelemente (11) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützelemente (11) integral einstückig mit der Außen- und Innenschicht (10, 12) hergestellt sind und eine Vielzahl von Luftdurchgangsöffnungen (110) aufweisen, so dass sie eine Vielzahl von miteinander kommunizierenden benachbarten Zellen ausbilden, die gemeinsam den luftgefüllten Hohlraum (13) bilden und der Hohlraum (13) mit der Atmosphäre über mindestens eine gemeinsame Be- und Entlüftungsöffnung oder jeweils mindestens eine separate Belüftungs- und Entlüftungsöffnung kommuniziert, die mit einem Ventil (14, 15) versehen sind.
  2. Strukturbauteil (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (13) in mehrere Zonen unterteilt ist, die unabhängig voneinander mit der Atmosphäre über mindestens eine gemeinsame Be- und Entlüftungsöffnung oder jeweils mindestens eine separate Belüftungs- und Entlüftungsöffnung kommunizieren, die mit einem Ventil (14, 15) versehen sind.
  3. Strukturbauteil (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenschicht (12), die Stützelemente (11) und die Außenschicht (10) in einem additiven Verfahren aus mindestens einem Kunststoffmaterial gebildet sind.
  4. Strukturbauteil (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoffmaterial in einem 3D-Drucker durch Schmelzschichtung zur Ausbildung zumindest der Stützelemente (11) verarbeitet ist.
  5. Strukturbauteil (1) nach Anspruch einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Ventil (14, 15) mit einer Absperreinrichtung ausgebildet ist, mittels derer ein Luftdurchgang durch das Ventil verhinderbar ist.
  6. Strukturbauteil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenschicht (10) eine größere Dicke (D) als die Innenschicht (12) aufweist.
  7. Strukturbauteil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenschicht (12) aus einem weichelastischen Kunststoffmaterial und die Außenschicht (10) aus einem demgegenüber härteren Kunststoffmaterial hergestellt ist.
  8. Strukturbauteil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützelemente (11) bereichsweise unterschiedlich gestaltet und/oder bereichsweise unterschiedlich elastisch ausgebildet sind.
  9. Verwendung eines Strukturbauteiles (1) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche als Prothesenschaft, Liner, Orthesenteil oder Sportprotektor.
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