EP3801404A1 - Progressives auslenkungselement, herstellungsverfahren dazu sowie verwendung - Google Patents

Progressives auslenkungselement, herstellungsverfahren dazu sowie verwendung

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Publication number
EP3801404A1
EP3801404A1 EP19734670.3A EP19734670A EP3801404A1 EP 3801404 A1 EP3801404 A1 EP 3801404A1 EP 19734670 A EP19734670 A EP 19734670A EP 3801404 A1 EP3801404 A1 EP 3801404A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
columns
deflection element
elements
backbone
progressive deflection
Prior art date
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Pending
Application number
EP19734670.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christine Selhuber-Unkel
Michael Timmermann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Universitaet Heidelberg
Original Assignee
Christian Albrechts Universitaet Kiel
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Christian Albrechts Universitaet Kiel filed Critical Christian Albrechts Universitaet Kiel
Publication of EP3801404A1 publication Critical patent/EP3801404A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/36—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses containing ingredients of undetermined constitution or reaction products thereof, e.g. transplant tissue, natural bone, extracellular matrix
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    • A61L27/507—Materials characterised by their function or physical properties, e.g. injectable or lubricating compositions, shape-memory materials, surface modified materials for artificial blood vessels

Definitions

  • the invention relates to a progressive deflection element according to the main claim and a manufacturing method according to the independent claim and further to a use of the progressive deflection element.
  • EP 2 416 030 B1 discloses a non-linear deflection behavior of springs, an elastomeric spring element with a progressive spring characteristic being described here, wherein the element has a planar design and features and cuts, the geometry of these cuts being suitable for influencing the spring characteristic is.
  • US 2003/0055496 A1 proposes a vascular prosthesis with nonlinear elastic behavior, in which the nonlinear elastic behavior is caused by textile entanglements of the outer layer. From the medical point of view very desirable non-linear elastic behavior, but in the system limits are set by the geometry and size of the textile entanglements.
  • a layer applied to a support layer is protected, which is able to increase the strength under the influence of an external force, said effect referred to as "strain stiffening" is., Wherein the layer has columns on the surface
  • the present invention has for its object to provide a progressive deflection element, which has two spring constants, these areas should be formed linearly.
  • the progressive deflection element with at least two different ones
  • the backbones / backbones and the elements / columns are formed of an elastomer or a material with entropy-elastic properties
  • the elements / columns are mutually movable or away from each other, which can touch when moving each other.
  • Backbone basically the framework, and the columns (pillars) or elements, which are usually arranged in blocks.
  • At least two columns should always be arranged in a block, so that they can touch each other in a contact area when force is applied.
  • the maximum number of columns is not defined.
  • the columns should always be made higher than they are wide.
  • the depth of the columns and the backbones, so the entire structure is arbitrary, in particular can be as elongated progressive deflection elements hersutz.
  • bodies are produced which have a basic shape and are subsequently extruded into the "depth". Since the bodies behave linearly with increasing depth, the depth dimension plays only a subordinate to no role.
  • the frameworks / backbones should be made more stable by their dimensioning than the elements / pillars.
  • the thickness of the backbone should always be chosen so that more force is needed to deform it than is needed to bend all of the pillars of the block held together by the backbones.
  • the elastomer can in particular be selected from:
  • HTV silicones can also be used
  • TPE thermoplastic elastomers
  • UV-crosslinking polymers can also be used, these being useful for certain processes.
  • the elastomer used is chemically unchanged if it is to be used for medical purposes and thus also materials with special approvals for special applications, such as FDA or TÜV approvals for implants or general medical devices can be used.
  • at least three basic frameworks / backbones can be provided, in particular with symmetrically designed progressive deflection elements, wherein these are arranged in different planes. For this purpose, reference is made, for example, to the embodiment variant in FIGS. 1 and 2.
  • the disclosure is a progressive deflection element, which under the action of a pulling force shows a non-linear, but progressive expansion.
  • the material is adjustably soft, so that it comes under the action of a pulling force to a large linear expansion, which is followed by a region in which the force and the deflection no longer behave linearly, Material becomes increasingly stiffer. At the end point of this range there follows again a linear dependence of the expansion with the force, whereby the material is now much stiffer than at the beginning.
  • the progressive deflection element according to the invention comprises the corresponding pillars and corresponding backbones of entropy-elastic material, wherein the progressive deflection element is formed in one piece in a particularly preferred embodiment.
  • strain stiffening The external force action of increasing strength is known in the art as "strain stiffening.”
  • Corresponding progressive deflection elements according to the invention can now offer better replacement than simple materials with only a linear elasticity behavior.
  • the progressive deflection element according to the invention is constructed of entropy-elastic material.
  • the rigidity of the progressive deflection element according to the invention can be over the entire range according to the method also according to the invention by selecting and tuning the parameters: elasticity of the material, dimensioning of
  • the manufacturing method of a progressive deflection element comprises the steps of: 1) setting the characteristic / spring constant depending on the later application; 2) selection of the length and height / dimensions of the elements / pillars and the backbone / backbone based on the total dimensions given by the subsequent application;
  • step 4) can be carried out with the aid of FEM simulations, these FEM simulations being known in the prior art.
  • the production of the mold in step 5) may preferably be carried out by means of lithography or 3D printing processes.
  • step 5) b) can be done by means of milling, cutting, blasting or lasing.
  • the 3D printing of the progressive deflection element is also possible.
  • At least one of the following parameters can be varied:
  • the progressive deflection element can in particular be manufactured entirely from an entropy-elastic material, in particular in one piece.
  • the determination of the parameters: elasticity of the material, dimensioning of the backbone, thickness of the deflection element, dimensioning of the columns and distance between the columns are to be selected or calculated according to the use or application of the progressive deflection element.
  • some columns may have a smaller distance from one another than other columns, so that a plurality of pillar regions are formed in which premature or only later contacts take place under the pillars.
  • Variation options here are very diverse and can be adapted to the respective requirements. The most interesting case, however, is likely to be the combination of the two linear regions.
  • Finding the preferred characteristic of the finished material as determined by the application. Find out the preferred dimensions of the finished material, which is also determined by the application, namely ultimately, how large the component should be in the end, namely, for example, 1 m, 10 cm or 200 pm. Selection of an elastomer with an modulus of elasticity which is at least equal to the final spring constant of the material, the final stiffness or spring constant always corresponding at most to the stiffness of the selected material.
  • the requirements to be considered here are in particular:
  • the material should be an elastomer or, in general, a material with entropy-elastic behavior, and the material should inherently have a linear behavior within the scope of the required deflection.
  • the following factors are to be selected in particular, namely number of columns, width of the columns, distance of the columns, thickness of the backbone, which data are preferably determined by FEM simulation can.
  • Magnitude depends. In the micrometer range, for example, a lithography process would be useful to produce a mold, whereas on very large scales, the material could be laser cut from a plate.
  • a mold made of an aluminum block can first be milled out.
  • a two-component RTV silicone according to the manufacturer, For example, Wacker Elastosil RT625 be prepared, which can then first degas, preferably under vacuum, so that no more air bubbles are included.
  • the material is cured in the oven at 70 ° C for about one hour, after which the sample can be removed from the mold.
  • Water jet cutting can be applied from plate goods.
  • the 3D printing is possible, and this is an interesting application for TPE or UV-vulcanizing silicones.
  • progressive deflection element As a particular preferred use of the progressive deflection element or manufactured according to a manufacturing process, in particular the application in the field of orthotics and vascular prosthetics can be seen, wherein such progressive deflection elements as part of a prosthesis, orthosis or as a blood vessel or vascular prosthesis corresponding
  • Fig. 1 is a schematic representation of a first embodiment of the
  • inventive progressive deflection element 1 in a uniaxial design in a symmetrical design
  • FIG. 2 shows a schematic representation of the exemplary embodiment according to FIG. 1 under load by a pulling force
  • Fig. 3 is a schematic representation of a second embodiment of the
  • inventive progressive deflection element 1 in a circular formation for radial deflections.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a first embodiment of the
  • inventive progressive deflection element 1 shown in a uniaxial design in a symmetrical design.
  • the progressive deflection element 1 consists of at least two backbones, namely a first basic framework 21 and a second basic framework 22 and linearly formed columns or elements 3.
  • Backbone 23 shown, so that there is a symmetrical design.
  • the entire unit of the progressive deflection element 1 is the recording or
  • the progressive deflection element 1 is manufactured in one piece from an elastomer.
  • a possible application here is, for example, the arrangement in a knee brace, namely to limit the knee movement, so that a bending of the knee is initially possible until the columns touch 3 and then quasi a blocking effect with increased resistance, ie changed spring constant, so that only a small amount of movement is possible, which ultimately ends in a stop in the kinking of the knee.
  • Fig. 2 shows a schematic representation of the embodiment of Figure 1 when loaded by a pulling force F.
  • the material shows the softer linear behavior up to the first contact in region B, this being the first linear region.
  • another area is formed in which, due to the increase in the contact points, the spring constant increases, this area representing the non-linear area.
  • the spring constant of the backbones 21, 22, 23 is reached and these are then stretched, this being the second linear region. This is also the reason why the backbones 21, 22, 23 must be dimensioned so that they deform later.
  • FIG. 3 is a schematic representation of a second embodiment of the
  • Progressive deflection element 1 shown in a uniaxial design in asymmetrical design.
  • This design is unsymmetrical way is suitable for the production of chains, wherein the number of blocks with columns 3 between 1 and infinitely variable.
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a third exemplary embodiment of the invention
  • inventive progressive deflection element 1 in a circular formation for radial deflections.
  • the interlinked blocks of FIG. 3 are connected in a circle, so that now an interior is formed which extends (with a corresponding elongated extension of the backbones 21, 22 and the columns / elements 3 (in the depth of the drawing) quasi forming a tube.
  • This exemplary embodiment represents the application for a blood vessel, so that this synthetic blood vessel can expand to a certain degree of expansion and then counteracts the force acting radially outwards from the interior through the blood to be pumped or flowing.
  • Standard sample Backbone 5mm, column width 2.1mm, distance between columns 0.5mm, depth of sample 10mm, number of columns 10, length of columns 10mm

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine progressives Auslenkungselement (1) mit wenigstens zwei unterschiedlichen Steifigkeitsbereichen, aufweisend ein erstes Grundgerüst / Backbone (21), ein zweites Grundgerüst / Backbone (22), wenigstens zwei vereinzelte in ihrer Länge ihren Durchmesser übertreffende Elemente / Säulen (3), die in einem Abstand voneinander positioniert sind und auf den Grundgerüsten / Backbones (21, 22) befestigt oder mit diesen verbunden sind, wobei die Grundgerüste / Backbones (21, 22) und die Elemente / Säulen (3) aus einem Elastomer oder einem Material mit entropieelastischen Eigenschaften gebildet sind, die Elemente / Säulen (3) zueinander oder voneinander weg bewegbar sind, wobei diese (3) sich beim zueinander bewegen berühren können, die Grundgerüste / Backbones (21, 22) durch ihre Dimensionierung stabiler als die Elemente / Säulen (3) ausgebildet sind, dass das progressive Auslenkungselement über zwei Federkonstanten verfügt sowie ein Herstellungsverfahren und ferner eine Verwendung des erfindungsgemäßen progressiven Auslenkungselements (1) als Teil einer Prothese, Orthese oder als Blutgefäß oder Gefäßprothese.

Description

Progressives Auslenkungselement, Herstellungsverfahren dazu sowie Verwendung
Die Erfindung betrifft ein progressives Auslenkungselement gemäß Hauptanspruch und ein Herstellungsverfahren gemäß dem nebengeordneten Anspruch sowie weiter eine Verwendung des progressiven Auslenkungselements.
Aus dem Stand der Technik sind unterschiedliche Anordnungen und Verfahren zur Herstellung bekannt, die den diesseitigen Gegenstand betreffen:
In der DE 10 2016 107 480 B4 ist eine Schicht auf einem Träger geschützt, die„Säulen" aufweist welche an den Außenflächen mit einer Oberflächenmodifikation versehen sind.
Ebenfalls ist das Verfahren welches die Schritte der Auswahl der einzelnen Parameter wie gewünschte Auslenkung, Dimensionen etc. umfasst, geschützt. Jetzt wurde eine flächige Feder umfassend Säulen und einen Backbone entwickelt, die über eine Federkennlinie verfügt, welche aus drei Bereichen zusammengesetzt ist.
Weiter ist aus der Druckschrift EP 2 416 030 B1 ein nicht lineares Auslenkungsverhalten von Federn bekannt, wobei hier ein Elastomerfederelement mit progressiver Federkennlinie beschrieben wird, wobei das Element flächig ausgebildet ist und Ausprägungen und Einschnitte aufweist, wobei die Geometrie dieser Einschnitte zur Beeinflussung der Federkennlinie geeignet ist.
Die DE 103 21 800 A1 beschreibt sogenannte Wellfedern, welche über eine dreiteilige progressive Federkennlinie verfügen.
Die DE 31 33 545 A1 beschreibt eine auf Zug gelagerte Elastomerschlaufe, die zur
Schwingungsdämpfung eines Gelenkkettenringes gedacht ist.
Die DE 10 2009 036 869 A1 beschreibt eine aus einem Elastomer gefertigte Dämpfungsfeder. Den Dämpfungsfedern ist gemeinsam, dass der Nulldurchgang besonders weich sein soll und die Auslenkung in gegenüberliegende Richtungen gleichermaßen vermindert werden soll.
In der Klasse der„Vorrichtungen für die nicht-chirurgische Behandlung von Knochen oder Gelenken" wurden keine nur aus entropieelastischen Materialien gefertigten
Auslenkungselemente mit dem erfindungsgemäßen nicht linearem Auslenkungsverhalten „Strain-Stiffening" aufgefunden.
Die US 2003/0055496 A1 schlägt eine Gefäßprothese mit nicht linear elastischem Verhalten vor, bei der das nicht linear elastische Verhalten durch textile Verhakungen der äußeren Schicht verursacht wird. Dem aus medizinischer Sicht sehr erstrebenswerten nicht linear elastischen Verhalten, sind bei dem System aber Grenzen durch die Geometrie und Größe der textilen Verhakungen gesetzt. In der seitens der Anmelderin bereits offenbarten Druckschrift DE 10 2016 107 480 B4 ist eine auf einem Träger aufgebrachte Schicht geschützt, die in der Lage ist, bei Einwirken einer äußeren Kraft die Festigkeit sprungartig zu erhöhen, wobei dieser Effekt als„Strain-Stiffening" bezeichnet wird., wobei die Schicht Säulen aufweist, an deren Oberfläche
Oberflächenmodifikationen vorgenommen wurden.
Das Problem im Stand der Technik ist im Wesentlichen, dass progressive Federn in der Regel einen exponentiellen Anstieg der Federkraft aufweisen, so dass es nicht möglich ist, zunächst ein weiches lineares Verhalten zu haben, gefolgt von einem Übergangsbereich mit sofortigem Übergang zu einem weiteren, jedoch harten linearen Verhalten.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein progressives Auslenkungselement aufzuzeigen, das über zwei Federkonstanten verfügt, wobei diese Bereiche jeweils linear ausgebildet sein sollen.
Weiter ist es Aufgabe dieser Erfindung, ein entsprechendes Herstellungsverfahren für ein progressives Auslenkungselement aufzuzeigen, mittels dessen es möglich ist, ein progressives Auslenkungselement herzustellen, das über zwei lineare Ausdehnungsbereiche verfügt.
Gelöst werden diese Aufgaben mit einem progressiven Auslenkungselement gemäß
Hauptanspruch sowie einem Herstellungsverfahren für ein progressives Auslenkungselement gemäß nebengeordnetem Anspruch und weiter mittels einer Verwendung eines
erfindungsgemäßen progressiven Auslenkungselements.
Das progressive Auslenkungselement mit wenigstens zwei unterschiedlichen
Steifigkeitsbereichen, weist
- ein erstes Grundgerüst / Backbone;
- ein zweites Grundgerüst / Backbone;
- wenigstens zwei vereinzelte in ihrer Länge ihren Durchmesser übertreffende Elemente / Säulen, die in einem Abstand voneinander positioniert sind und auf den Grundgerüsten / Backbones befestigt oder mit diesen verbunden sind, auf,
wobei
- die Grundgerüste / Backbones und die Elemente / Säulen aus einem Elastomer oder einem Material mit entropieelastischen Eigenschaften gebildet sind;
- die Elemente / Säulen zueinander oder voneinander weg bewegbar sind, wobei diese sich beim zueinander bewegen berühren können.
Generell kann man zwei grundlegende Geometrien unterscheiden, nämlich zur Auslenkung in einachsiger linearer Richtung mit komplett symmetrischer Bauform sowie weiter mit unsymmetrischer Bauform, wobei sich diese zur Herstellung von Ketten eignet, also auch zur Herstellung von radialen Röhren mit radialen Auslenkungen. Alle Ausführungsformen haben zwei grundlegende Elemente gemeinsam, nämlich den
Backbone, quasi das Grundgerüst, und die Säulen (Pillars) bzw. Elemente, die in der Regel blockweise angeordnet sind.
Es sollten immer mindestens zwei Säulen in einem Block angeordnet sein, so dass diese sich in einem Berührungsbereich bei Krafteinwirkung berühren können. Die maximale Anzahl der Säulen ist nicht definiert.
Weiterhin sollten die Säulen immer höher ausgebildet sein, als diese breit sind. Die Tiefe der Säulen und der Backbones, also der gesamten Struktur, ist frei wählbar, insbesondere lassen sich so langgestreckte progressive Auslenkungselemente hersteilen. Hierbei werden Körper hergestellt, die eine Grundform aufweisen und im Weiteren in die„Tiefe“ extrudiert werden. Da sich die Körper mit zunehmender Tiefe linear verhalten, spielt die Tiefendimension nur eine untergeordnete bis gar keine Rolle.
Die Grundgerüste / Backbones sollten durch ihre Dimensionierung stabiler als die Elemente / Säulen ausgebildet werden. Die Dicke des Backbones sollte immer so gewählt werden, dass mehr Kraft benötigt wird, um diesen zu verformen, als benötigt wird, um alle Säulen des Blockes, der von den Backbones zusammengehalten wird, zu biegen.
Diese Punkte und die Eckpunkte aus geforderten Materialeigenschaften und Gesamtgeometrie des Auslenkungselements bestimmen dann die variablen Parameter.
Das Elastomer kann insbesondere ausgewählt werden aus:
- raumtemperatur-vulkanisierendes Silikon,
- hochtemperatur-vulkanisierendes Silikon,
- thermoplastische Elastomere,
- UV-vernetzende Polymere.
Diesseits wurde bereits mit RTV-Silikonen gute Erfahrungen gemacht, da diese bei
Raumtemperatur vulkanisieren. Weiterhin können auch HTV-Silikone
(hochtemperaturvulkanisierend) verwendet werden. Ferner sind auch TPE (thermoplastische Elastomere) für das Verfahren möglich und je nach Einsatzbereich entsprechend zu
verwenden. Zudem können auch UV-vernetzende Polymere verwendet werden, wobei diese für bestimmte Verfahren nützlich sind.
Wichtig ist, dass das verwendete Elastomer chemisch unverändert ist, wenn es für medizinische Zwecke eingesetzt werden soll und somit auch Materialien mit speziellen Zulassungen für spezielle Einsatzgebiete, so wie FDA oder TÜV Zulassungen für Implantate oder generell Medizinprodukte verwendet werden können. In einer weiteren Ausführungsform können insbesondere bei symmetrisch ausgebildeten progressiven Auslenkungselementen wenigstens drei Grundgerüste / Backbones vorgesehen sein, wobei diese in unterschiedlichen Ebenen angeordnet sind. Hierzu wird beispielsweise auf die Ausführungsvariante in Figur 1 und 2 hingewiesen.
Insgesamt lässt sich zusammenfassen, dass es sich bei der Offenbarung um ein progressives Auslenkungselement handelt, welches unter Einwirkung einer ziehenden Kraft eine nicht lineare, sondern progressive Ausdehnung zeigt.
Zu Beginn, also bei kleiner Krafteinwirkung, ist das Material einstellbar weich, so dass es bei Einwirken einer ziehenden Kraft zu einer großen linear verlaufenden Ausdehnung kommt, woraufhin ein Bereich folgt, in dem die Kraft und die Auslenkung sich nicht mehr linear verhalten, wobei das Material zunehmend steifer wird. Am Endpunkt dieses Bereichs folgt wieder eine lineare Abhängigkeit der Ausdehnung mit der Kraft, wobei das Material jetzt deutlich steifer als zu Beginn ist.
Das erfindungsgemäße progressive Auslenkungselement umfasst die entsprechenden Säulen und entsprechende Backbones aus entropieelastischem Material, wobei das progressive Auslenkungselement in einer besonders bevorzugten Ausführungsform einstückig ausgebildet ist.
Das Verhalten bei Einwirken einer äußeren Kraft, die Festigkeit zu erhöhen ist im Stand der Technik als„Strain-Stiffening" bekannt. Einige Körpergewebe, wie zu Beispiel die Aorta zeigen ein derartiges„Strain-Stiffening"-Verhalten. Entsprechende erfindungsgemäße progressive Auslenkungselemente können nunmehr besseren Ersatz bieten, als einfache Materialien mit nur einem linearen Elastizitätsverhalten.
Das erfindungsgemäße progressive Auslenkungselement ist dabei aus entropieelastischem Material aufgebaut. Die Steifigkeit des erfindungsgemäßen progressiven Auslenkungselements lässt sich über den gesamten Bereich nach dem ebenfalls erfindungsgemäßen Verfahren durch Wahl und Abstimmung der Parameter: Elastizität des Materials, Dimensionierung des
Backbones, Dicke des progressiven Auslenkungselements, Dimensionierung der Säulen sowie Abstand zwischen den Säulen berechnen.
Anwendungen für die erfindungsgemäße flächige Feder sind im Bereich von Orthesen und bei deutlich kleinerer Dimensionierung der Gefäßprothetik.
Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren weiter beschrieben:
Das Herstellungsverfahren eines progressiven Auslenkungselements umfasst die Schritte: 1) Festlegen der Kennlinie / Federkonstanten in Abhängigkeit der späteren Anwendung; 2) Auswahl der Länge sowie der Höhe / Ausmaße der Elemente / Säulen und des Grundgerüsts / Backbones anhand der durch die spätere Anwendung vorgegebenen gesamten Dimensionierung;
3) Festlegen der Strukturdaten für die initiale Steifigkeit und den Versteifungsbereich;
4) Auswahl des Elastomers mit einem E-Modul entsprechend der finalen Federkonstanten, der Form und des Durchmessers / Dimensionierung der Elemente / Säulen und des
Grundgerüsts / Backbones anhand der durch die spätere Anwendung vorgegebenen grundlegenden Steifigkeit des progressiven Auslenkungselements;
5) Bereitstellen eines gewählten Elastomers durch
a) Herstellen einer Form mit gewählter Struktur entsprechend den vorangehenden Schritten und Befüllen der Form mit dem ausgewählten Elastomer und Aushärten lassen des Elastomers und entnehmen des ausgehärteten Auslenkungselements
oder
b) Bereitstellen eines ausgewählten und ausgehärteten Elastomers und Herausarbeiten der gewählten Struktur.
Hierbei kann in einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante der Schritt 4) mit Hilfe von FEM-Simulationen durchgeführt werden, wobei diese FEM-Simulationen im Stand der Technik bekannt sind.
Weiter kann bevorzugt die Herstellung der Form in Schritt 5) a) mittels Lithographie oder 3D- Druckverfahren erfolgen.
Weiter kann das Herausarbeiten in Schritt 5) b) mittels Fräsen, Schneiden, Strahlen oder Lasern erfolgen.
Auch der 3D-Druck des progressiven Auslenkungselements ist möglich.
Zur Anpassung der Federkonstanten des progressiven Auslenkungselements kann wenigstens einer der folgenden Parameter variiert werden:
- Anzahl der Elemente / Säulen,
- Breite der Elemente / Säulen,
- Abstand der Elemente / Säulen,
- Dicke des Grundgerüsts / Backbones.
Ein wichtiger Aspekt der Erfindung ist, dass das progressive Auslenkungselement insbesondere vollständig aus einem entropieelastischen Material gefertigt werden kann, insbesondere einstückig.
Die Ermittlung der Parameter: Elastizität des Materials, Dimensionierung des Backbones, Dicke des Auslenkungselements, Dimensionierung der Säulen und Abstand zwischen den Säulen sind entsprechend der Verwendung bzw. Anwendung des progressiven Auslenkungselements zu wählen bzw. zu berechnen.
Als weitere Ausgestaltungsmöglichkeiten wird vorgeschlagen, die Breite der Säulen und/oder die Abstände der Säulen zueinander und/oder das Material der Säulen selbst von Säule zu Säule wenigstens teilweise zu variieren, da so nicht nur quasi zwei lineare Federkonstanten sondern durchaus mehrere Federkonstanten für unterschiedliche Krafteinwirkungen realisiert werden können. Hierzu können beispielsweise einige Säulen einen geringeren Abstand zueinander haben als andere Säulen, so dass mehrere Säulenbereiche ausgebildet sind, in denen frühzeitiger bzw. erst später Berührungen unter den Säulen stattfinden. Die
Variationsmöglichkeiten hierbei sind insgesamt sehr vielfältig und können auf die jeweiligen Anforderungen angepasst werden. Der interessanteste Fall dürfte jedoch die Kombination der zwei linearen Bereiche sein.
Zusammenfassend lässt sich ergänzend in einer möglichen Variante festhalten:
Herausfinden der bevorzugten Kennlinie des fertigen Materials, wobei dies von der Anwendung bestimmt wird. Herausfinden der bevorzugten Ausmaße des fertigen Materials, was ebenfalls von der Anwendung bestimmt wird, nämlich letztendlich, wie groß das Bauteil im Endeffekt sein soll, nämlich beispielsweise 1 m, 10 cm oder 200 pm. Auswahl eines Elastomers mit einem E- Modul, das mindestens der finalen Federkonstante des Materials entspricht, wobei die finale Steifigkeit bzw. Federkonstante immer maximal der Steifigkeit des ausgewählten Materials entspricht. Die zu berücksichtigenden Anforderungen hierbei sind insbesondere: Das Material sollte ein Elastomer oder allgemein ein Material mit entropieelastischem Verhalten sein und das Material sollte im Rahmen der geforderten Auslenkung von sich aus ein lineares Verhalten besitzen.
Zur Bestimmung der Strukturdaten, die die initiale Steifigkeit und den Bereich des Versteifens definieren, sind insbesondere die folgenden Faktoren zu wählen, nämlich Anzahl der Säulen, Breite der Säulen, Abstand der Säulen, Dicke des Backbones, wobei diese Daten bevorzugt durch FEM Simulation bestimmt werden können.
Zur Herstellung des eigentlichen Materials in der gewünschten Geometrie können
unterschiedliche Herstellungsarten gewählt werden, wobei die Herstellungsart von der
Größenordnung abhängt. Im Mikrometerbereich wäre beispielsweise ein Lithographieverfahren sinnvoll, um eine Gussform herzustellen, wohingegen in sehr großen Maßstäben das Material aus einer Platte ausgelasert werden könnte.
Beispielsweise kann für ein progressives Auslenkungselement in den Dimensionen 1 cm Dicke, 5 cm Länge und 3 cm Höhe eine Gussform aus einem Aluminium-Block zunächst herausgefräst werden. Im Anschluss kann ein zwei-komponenten RTV-Silikon nach Herstellerangaben, beispielsweise Wacker Elastosil RT625, vorbereitet werden, das dann zunächst Entgasen kann, bevorzugt unter Vakuum, so dass keine Luftblasen mehr enthalten sind. Gefolgt von dem Schritt des Eingießens des Silikons in die gefräste Form und weiter gefolgt von dem Schritt des weiteren Entgasens. Im Anschluss daran erfolgt das Aushärten des Materials im Ofen bei 70°C für ca. eine Stunde, wonach die Probe aus der Form entnommen werden kann.
Weitere mögliche Verfahren zur Herstellung sind:
im Labormaßstab oder für Einzelserien bzw. Spezialprodukte ist das händische Ausgießen einer vorher gefertigten, gefrästen oder im 3D-Druck hergestellten Form möglich, weiter sind das Micromolding mit Techniken der Mikrosystemtechnik anwendbar. Weitere großtechnische Verfahren wären zudem, die Extrusion für progressive Auslenkungselemente die sehr Tief sein sollen, beispielsweise Röhren mit Versteifung in radialer Richtung. Zudem bietet sich das Spritzgussverfahren an. - in den zuvor genannten Fällen ein Einsatzgebiet für HTV-Silikon oder TPE -. Weiter können noch die Verfahren des Auslaserns, Ausschneidens oder des
Wasserstrahlschneidens aus Plattenware angewandt werden. Zudem ist auch der 3D-Druck möglich, wobei dies ein interessantes Einsatzgebiet für TPE oder UV-vulkanisierende Silikone ist.
Als besondere bevorzugte Verwendung des progressiven Auslenkungselements oder hergestellt nach einem Herstellungsverfahren ist insbesondere die Anwendung im Bereich der Orthetik und Gefäßprothetik zu sehen, wobei derartige progressive Auslenkungselemente als Teil einer Prothese, Orthese oder als Blutgefäß oder Gefäßprothese entsprechende
Verwendung finden.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beiliegenden
Zeichnungen in der Figurenbeschreibung detailliert beschrieben, wobei diese die Erfindung erläutern sollen und nicht beschränkend zu werten sind:
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels des
erfindungsgemäßen progressiven Auslenkungselements 1 in einer einachsigen Ausbildung in symmetrischer Bauform;
Fig. 2 eine schematische Darstellung des Ausführungsbeispiels gemäß Figur 1 bei Belastung durch eine ziehende Kraft;
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels des
erfindungsgemäßen progressiven Auslenkungselements 1 in einer einachsigen Ausbildung in unsymmetrischer Bauform und Fig. 4 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels des
erfindungsgemäßen progressiven Auslenkungselements 1 in einer kreisförmigen Ausbildung für radiale Auslenkungen.
An dieser Stelle soll darauf hingewiesen werden, dass die nachfolgenden Ausführungsbeispiele lediglich die Erfindung erläutern, diese jedoch nicht beschränken sollen.
In Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels des
erfindungsgemäßen progressiven Auslenkungselements 1 in einer einachsigen Ausbildung in symmetrischer Bauform dargestellt.
Generell besteht das progressive Auslenkungselement 1 aus wenigstens zwei Backbones, nämlich einem ersten Grundgerüst 21 sowie einem zweiten Grundgerüst 22 und linear ausgebildeten Säulen bzw. Elementen 3.
Ferner ist in diesem ersten Ausführungsbeispiel noch ein weiterer Backbone, ein drittes
Grundgerüst 23 dargestellt, so dass sich eine symmetrische Bauform ergibt.
Die Gesamteinheit des progressiven Auslenkungselements 1 dient der Aufnahme bzw.
Begrenzung einer ziehenden Kraft F, die im Bereich des zweiten Backbones 22 jeweils an den Seiten ansetzen kann.
Das progressive Auslenkungselement 1 ist in einem Stück aus einem Elastomer gefertigt.
Ein möglicher Anwendungsfall ist hierbei beispielsweise die Anordnung in einer Knieorthese, nämlich zur Begrenzung der Kniebewegung, so dass ein Beugen des Knies zunächst möglich ist, bis sich die Säulen 3 berühren und dann quasi eine Sperrwirkung mit erhöhtem Widerstand, also geänderter Federkonstanten einstellt, so dass lediglich nur noch eine geringe Bewegung möglich ist, die letztendlich in einem Stopp des Abknickens des Knies endet.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung des Ausführungsbeispiels gemäß Figur 1 bei Belastung durch eine ziehende Kraft F.
Es ist gut zu erkennen, wie die Kräfte F an dem mittleren Backbone 22 angreifen und sich die Säulen 3 verformen, bis sie sich in einem Bereich B berühren. Bis zu dieser Verformung des progressiven Auslenkungselements 1 wirkt quasi die erste Federkonstante und im Anschluss daran eine veränderte, nämlich deutlich stärkere Federkonstante, die der ziehenden Kraft F deutlich stärker entgegenwirkt.
Das Material zeigt bis zur ersten Berührung im Bereich B das weichere lineare Verhalten, wobei dies das erste lineare Gebiet darstellt. Bei weiterer Bewegung bzw. einwirkender Kraft bildet sich ein weiterer Bereich aus, in dem, verursacht durch das Größerwerden der Kontaktpunkte, die Federkonstante ansteigt, wobei dieser Bereich das nicht-lineare Gebiet darstellt. Irgendwann ist dann die Federkonstante der Backbones 21 , 22, 23 erreicht und diese werden sodann gedehnt, wobei dies das zweite lineare Gebiet darstellt. Das ist auch der Grund, warum die Backbones 21 , 22, 23 unbedingt so dimensioniert sein müssen, dass sie sich erst später verformen.
In Fig. 3 ist eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels des
erfindungsgemäßen progressiven Auslenkungselements 1 in einer einachsigen Ausbildung in unsymmetrischer Bauform gezeigt.
Hierbei kann in einachsiger linearer Richtung eine Kraft F an den Backbones 21 in ziehender Weise angreifen, wobei sich eine entsprechende Verformung der Säulen / Elemente 3 ergibt, so dass diese sich in einem Berührungsbereich B letztendlich berühren, wodurch sich eine neue Federkonstante ergibt und so der einwirkenden ziehenden Kraft F entgegenwirkt.
Diese Bauform ist unsymmetrischer Weise eignet sich zur Herstellung von Ketten, wobei die Anzahl der Blöcke mit Säulen 3 zwischen 1 und unendlich variabel ist.
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels des
erfindungsgemäßen progressiven Auslenkungselements 1 in einer kreisförmigen Ausbildung für radiale Auslenkungen.
In diesem Ausführungsbeispiel sind die miteinander verketteten Blöcke aus der Fig. 3 zu einem Kreis verbunden, so dass nunmehr ein Innenraum entsteht, der bei entsprechender länglicher Ausdehnung der Backbones 21 , 22 und den Säulen / Elementen 3 (in die Tiefe der Zeichnung hinein erstreckt) quasi eine Röhre ausbildet.
Dieses Ausführungsbeispiel stellt den Anwendungsfall für ein Blutgefäß dar, so dass sich dieses synthetische Blutgefäß bis zu einem gewissen Ausdehnungsgrad ausdehnen kann und dann der aus dem Innenraum heraus radial nach Außen wirkenden Kraft durch das zu pumpende bzw. fließende Blut entgegenwirkt.
Nachfolgend werden noch Ausführungsformen dargestellt, wobei diese nur erläuternd und nicht beschränkend zu werten sind:
Einige Beispiele für Parametervariationen mit einer Standardprobe aus Wacker Elastosil RT 625
Standardprobe: Backbone 5mm, Säulenbreite 2,1mm, Abstand zwischen Säulen 0,5mm, Tiefe der Probe 10mm, Anzahl der Säulen 10, Länge der Säulen 10mm
Initiale Steifigkeit: 0,5N/mm
Finale Steifigkeit: 0,85N/mm
Point of Stiffening (Fittet man an die Auslenkungslinie eine„piecewise linear function“ also eine zweiteilige lineare Funktion, so bekommt man eine Gerade für die initiale Steifigkeit, eine Gerade für die finale Steifigkeit und einen Schnittpunkt. Dieser beschreibt mit seinem x-Wert bis zu einem gewissen Grad das Ausmaß an Dehnung vor der Versteifung): 16,5mm
Variation der Anzahl der Säulen: 5 Säulen
Initiale Steifigkeit: 0,35N/mm
Finale Steifigkeit: 1 ,1 N/mm
Point of Stiffening: 17mm
Variation der Breite der Säulen: Breite 0,9mm
Initiale Steifigkeit: 0,1 N/mm
Finale Steifigkeit: 1 ,05N/mm
Point of Stiffening: 14,25mm
Variation der Dicke des Backbones: Dicke 10mm
Initiale Steifigkeit: 0,48N/mm
Finale Steifigkeit: 1 ,4N/mm
Point of Stiffening: 15,5mm
Variation des Abstandes der Säulen: Abstand 1mm
Initiale Steifigkeit: 0,52N/mm
Finale Steifigkeit: 0,80N/mm
Point of Stiffening: 19,5mm
Bezugszeichenliste
1 Progressives Auslenkungselement 21 erstes Grundgerüst / Backbone
22 zweites Grundgerüst / Backbone
23 drittes Grundgerüst / Backbone
3 Element / Säule
F einwirkende ziehende Kraft
B Berührungsbereich der Elemente / Säulen

Claims

A N S P R Ü C H E
1. Progressives Auslenkungselement (1) mit wenigstens zwei unterschiedlichen
Steifigkeitsbereichen, aufweisend:
- ein erstes Grundgerüst / Backbone (21);
- ein zweites Grundgerüst / Backbone (22);
- wenigstens zwei vereinzelte in ihrer Länge ihren Durchmesser übertreffende Elemente / Säulen (3), die in einem Abstand voneinander positioniert sind und auf den
Grundgerüsten / Backbones (21 , 22) befestigt oder mit diesen (21 , 22) verbunden sind, wobei
- die Grundgerüste / Backbones (21 , 22) und die Elemente / Säulen (3) aus einem Elastomer oder einem Material mit entropieelastischen Eigenschaften gebildet sind;
- die Elemente / Säulen (3) zueinander oder voneinander weg bewegbar sind, wobei diese sich beim zueinander bewegen berühren können;
- die Grundgerüste / Backbones (21 , 22) durch ihre Dimensionierung stabiler als die Elemente / Säulen (3) ausgebildet sind, dass das progressive Auslenkungselement über zwei Federkonstanten verfügt.
2. Progressives Auslenkungselement (1) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Elastomer ausgewählt ist aus:
- raumtemperatur-vulkanisierendes Silikon,
- hochtemperatur-vulkanisierendes Silikon,
- thermoplastische Elastomere,
- UV-vernetzende Polymere,
- Kautschuk,
- Isobutyl-rubber.
3. Progressives Auslenkungselement (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
wenigstens drei Grundgerüste / Backbones (21 , 22, 23) vorgesehen sind, wobei diese in unterschiedlichen Ebenen angeordnet sind.
4. Progressives Auslenkungselement (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das verwendete Elastomer chemisch unverändert ist.
5. Herstellungsverfahren eines progressiven Auslenkungselements (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
umfassend die Schritte:
1) Festlegen der Kennlinie / Federkonstanten in Abhängigkeit der späteren Anwendung;
2) Auswahl der Länge sowie der Höhe / Ausmaße der Elemente / Säulen (3) und des Grundgerüsts / Backbones (21 , 22) anhand der durch die spätere Anwendung vorgegebenen gesamten Dimensionierung;
3) Festlegen der Strukturdaten für die initiale Steifigkeit und den Versteifungsbereich;
4) Auswahl des Elastomers mit einem E-Modul entsprechend der finalen
Federkonstanten, der Form und des Durchmessers / Dimensionierung der Elemente / Säulen (3) und des Grundgerüsts / Backbones (21 , 22) anhand der durch die spätere Anwendung vorgegebenen grundlegenden Steifigkeit des progressiven
Auslenkungselements (1);
5) Bereitstellen eines gewählten Elastomers durch
a) Herstellen einer Form mit gewählter Struktur entsprechend den vorangehenden Schritten und Befüllen der Form mit dem ausgewählten Elastomer und Aushärten lassen des Elastomers und entnehmen des ausgehärteten Auslenkungselements (1) oder
b) Bereitstellen eines ausgewählten und ausgehärteten Elastomers und
Herausarbeiten der gewählten Struktur.
6. Herstellungsverfahren nach dem vorangehenden Anspruch,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Schritt 4) mit Hilfe von FEM-Simulationen durchgeführt wird.
7. Herstellungsverfahren nach einem der beiden vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
- die Herstellung der Form in Schritt 5) a) mittels Lithographie oder 3D-Druckverfahren oder
- das Herausarbeiten in Schritt 5) b) mittels Fräsen, Schneiden, Strahlen oder Lasern erfolgt.
8. Herstellungsverfahren nach einem der beiden vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
zur Anpassung der Federkonstanten des progressiven Auslenkungselements wenigstens einer der folgenden Parameter variiert wird:
- Anzahl der Elemente / Säulen (3), - Breite der Elemente / Säulen (3),
- Abstand der Elemente / Säulen (3),
- Dicke des Grundgerüsts / Backbones (21 , 22).
9. Verwendung des progressiven Auslenkungselements (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 oder hergestellt nach einem Herstellungsverfahren nach einem der vier vorangehenden
Ansprüche als Teil einer Prothese, Orthese oder als Blutgefäß oder Gefäßprothese.
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