Entwicklung eines Herstellungsverfahrens für 3D-gedruckte patientenindividuelle Hilfsmittelkomponenten aus Flüssigsilikonen und thermoplastischen Kunststoffen
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2025
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Abstract
The orthopaedics sector is undergoing major transition, not least because of the increasing shortage of skilled workers as well as mounting cost pressure. Therefore, frequently still very manual manufacturing processes are to be automated and digitised. Apart from that, there is a need for optimization concerning patient specific shaping of assistive aid components. This is because conventional manufacturing techniques are limited, especially regarding the combination of a high performance load bearing material and a cushioning component. These hybrid products cannot reasonably be produced by either conventional methods or state of the art additive processes, currently.
For this reason, in the context of this work a holistic production process for additive manufacturing of patient specific assistive aid components from silicones and thermoplastics is being devised, to contribute to the solution of the aforementioned challenges in the orthopaedics sector.
To implement the overall process, amongst a fulfillment system for data transmission, a software solution for the automated creation of the connections of sub objects made from different materials is being developed. Additionally, a software solution for generating the machine code for the additive manufacturing of the product model is being worked out.
Based on this, two different 3D printing systems are being constructed that can produce the previously prepared product models as hybrid products from liquid silicone rubber and thermoplastics or in combination with high performance thermoplastics. To ensure the necessary quality of the additively manufactured assistive aid components for the care of the patient, a quality management system based on DIN EN ISO 13485 is being conceptualized.
Ultimately, the proposed holistic manufacturing process was successfully validated by the production of a soft socket from a liquid rubber silicone and a high performance thermoplastic. Therefore, the groundwork for the successful deployment of the process in the medical and orthopaedics sector has been laid.
Die Orthopädiebranche befindet sich derzeit in einem starken Wandel, was nicht zuletzt auf den zunehmenden Fachkräftemangel sowie einen steigenden Kostendruck zurückgeführt werden kann. Demzufolge sollen die vielfach noch händisch geprägten Fertigungsprozesse sukzessive automatisiert und digitalisiert werden. Dessen ungeachtet besteht Optimierungsbedarf in Bezug auf eine patientenangepasste Gestaltung der individuellen Komponenten von Hilfsmitteln, da die konventionelle Fertigung insbesondere in Hinblick auf die Herstellung der Materialkombination eines belastungsfähigen Hochleistungsmaterials mit einer polsternden Komponente nach wie vor mit Einschränkungen verbunden ist. Diese Hybridprodukte können derzeit weder mithilfe von konventionellen Verfahren noch unter der Anwendung von bestehenden additiven Verfahren mit einem vertretbaren Aufwand hergestellt werden. Aus diesem Grund wird im Rahmen dieser Arbeit ein ganzheitliches Herstellungsverfahren zur additiven Fertigung von patientenindividuellen Hilfsmittelkomponenten aus Silikonen und Thermoplasten entwickelt, um einen Beitrag zur Lösung der Herausforderungen in der Orthopädiebranche zu leisten. Zur Umsetzung des Gesamtprozesses wird neben einem Auftragsabwicklungssystem für die Datenübermittlung auch eine Software zur automatisierten Generierung einer Verbindung der Teilobjekte unterschiedlichen Materials entwickelt. Zusätzlich wird eine Softwarelösung zur Erzeugung eines maschinenfähigen Codes für die additive Fertigung des Produktmodells erarbeitet. Auf dieser Basis werden zwei unterschiedliche 3D Drucksysteme entwickelt, mit denen die generierten Produktmodelle als Hybridprodukte aus Flüssigsilikonen und Thermoplasten oder kombiniert mit Hochleistungsthermoplasten hergestellt werden können. Nicht zuletzt wird ein Qualitätsmanagementsystem in Anlehnung an die DIN EN ISO 13485 ausgearbeitet, das die zur Patientenversorgung erforderliche Qualität der additiv gefertigten Hilfsmittelkomponenten sicherstellt. Schlussendlich kann das entwickelte ganzheitliche Herstellungsverfahren am Beispiel der additiven Fertigung eines Weichwandinnentrichters aus einem Flüssigsilikon und einem Hochleistungsthermoplast validiert und damit die Grundlage für einen erfolgreichen Einsatz des Gesamtprozesses im Sanitäts und Orthopädiebereich geschaffen werden.
Die Orthopädiebranche befindet sich derzeit in einem starken Wandel, was nicht zuletzt auf den zunehmenden Fachkräftemangel sowie einen steigenden Kostendruck zurückgeführt werden kann. Demzufolge sollen die vielfach noch händisch geprägten Fertigungsprozesse sukzessive automatisiert und digitalisiert werden. Dessen ungeachtet besteht Optimierungsbedarf in Bezug auf eine patientenangepasste Gestaltung der individuellen Komponenten von Hilfsmitteln, da die konventionelle Fertigung insbesondere in Hinblick auf die Herstellung der Materialkombination eines belastungsfähigen Hochleistungsmaterials mit einer polsternden Komponente nach wie vor mit Einschränkungen verbunden ist. Diese Hybridprodukte können derzeit weder mithilfe von konventionellen Verfahren noch unter der Anwendung von bestehenden additiven Verfahren mit einem vertretbaren Aufwand hergestellt werden. Aus diesem Grund wird im Rahmen dieser Arbeit ein ganzheitliches Herstellungsverfahren zur additiven Fertigung von patientenindividuellen Hilfsmittelkomponenten aus Silikonen und Thermoplasten entwickelt, um einen Beitrag zur Lösung der Herausforderungen in der Orthopädiebranche zu leisten. Zur Umsetzung des Gesamtprozesses wird neben einem Auftragsabwicklungssystem für die Datenübermittlung auch eine Software zur automatisierten Generierung einer Verbindung der Teilobjekte unterschiedlichen Materials entwickelt. Zusätzlich wird eine Softwarelösung zur Erzeugung eines maschinenfähigen Codes für die additive Fertigung des Produktmodells erarbeitet. Auf dieser Basis werden zwei unterschiedliche 3D Drucksysteme entwickelt, mit denen die generierten Produktmodelle als Hybridprodukte aus Flüssigsilikonen und Thermoplasten oder kombiniert mit Hochleistungsthermoplasten hergestellt werden können. Nicht zuletzt wird ein Qualitätsmanagementsystem in Anlehnung an die DIN EN ISO 13485 ausgearbeitet, das die zur Patientenversorgung erforderliche Qualität der additiv gefertigten Hilfsmittelkomponenten sicherstellt. Schlussendlich kann das entwickelte ganzheitliche Herstellungsverfahren am Beispiel der additiven Fertigung eines Weichwandinnentrichters aus einem Flüssigsilikon und einem Hochleistungsthermoplast validiert und damit die Grundlage für einen erfolgreichen Einsatz des Gesamtprozesses im Sanitäts und Orthopädiebereich geschaffen werden.
Description
Table of contents
Keywords
Additive Fertigung, Orthopädietechnik, 3D-Druck, Individuelle Hilfsmittel
Subjects based on RSWK
Rapid Prototyping <Fertigung>, Orthopädie, Medizintechnik, Medizinprodukt, Silicone, Thermoplast, Auftragsabwicklung, Elektronischer Datenaustausch, Qualitätsmanagement