Scan-Modell-Druck. Die Herstellung von Rhizarthrose-Schienen mittels 3D-Druckverfahren – eine empirisch qualitative Prozessdarstellung
Bachelorarbeit von Marc Macadangdang, Studiengang Ergotherapie am FH Campus Wien
Zusammenfassung
Die Arbeit beschäftigt sich mit den notwendigen Prozessen zur Herstellung einer Rhizarthrose-Schiene, aus Sicht eines Ergotherapeuten. Es werden die notwendigen Werkzeuge und Arbeitsschritte bis zum fertigen Produkt beschrieben. Der Autor bewertet den Einsatz von 3D-Druck für die Schienenherstellung als noch nicht praxistauglich für die ergotherapeutische Praxis.
Einleitung
Die Herstellung, der Einsatz und die Unterweisung im Gebrauch von Hilfsmitteln ist ein fester Bestandteil der ergotherapeutischen Praxis. Schienen finden dabei eine breite Anwendung und sind bei Erkrankungen, Verletzungen sowie angeborenen Fehlbildungen der oberen Extremitäten im Einsatz, und damit ein wichtiger Teil der Rehabilitation.
Es wurden bereits mehrere Studien zum Thema 3D-Druck und Schienenherstellung identifiziert, die sich jedoch allesamt nur theoretisch mit der Thematik befasst haben. Es wird nun an einem praktischen Beispiel untersucht, ob die Herstellung einer Schiene mit 3D-Druckverfahren sich wesentlich unterscheidet von herkömmlichen Herstellungsprozessen.
Hintergrund
3D-Druck ist ein aktuelles, praktisches Herstellungsverfahren, welches es ermöglicht Objekte, die in einer digitalen Umgebung entworfen wurden, in physische Objekte umzuwandeln. Dieses Verfahren (auch additives Verfahren) stellt Objekte durch schichtweises Hinzufügen von Material her. Der 3D-Druck wird bereits im medizinischen Bereich, z.B. bei der Herstellung von individualisierten, biomedizinischen Geräten, angewendet (Surmen et al. 2020).
Die fünf Arbeitsschritte des 3D-Druckverfahrens sind:
- 3D-Modell: Beschaffung durch Modellieren mit einem CAD-Programm, durch Scan von Objekten (mit MRT, CT oder Laserscan)
- Konvertierung des Modells in ein für den 3D-Druck geeignetes Format (STL)
- Bearbeitung des Modells mit einem Programm (Slicer), der die einzelnen Schichten des Objekts für den spezifischen Drucker erzeugt.
- der eigentliche Druck des Objekts (mit entweder FDM- oder SLA-Technologie)
- Nachbearbeitung des Drucks (z.B. Stückstrukturen entfernen, Polieren, Schleifen, etc..)
Druckverfahren
FDM-Verfahren: dabei handelt es sich um das weitest verbreitete Druckverfahren, dabei wird allgemein Filament aus Polylactid (PLA) oder Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) verwendet. Das Material (Thermoplastik) wird durch erhitzte Düsen auf den Drucktisch in Schichten aufgetragen. Dabei bewegt sich die Druckdüse und formt das Objekt Schicht für Schicht. Es druckt langsamer als das SLA-Verfahren
SLA-Verfahren (Stereolithografie-3D-Druck): dieses Verfahren beruht auf dem Prinzip der Aushärtung einer Photopolymerharzschicht durch einen ultravioletten Laser. Das verwendete Harz ist bei Raumtemperatur flüssig und befindet sich in einem Becken des 3D-Druckers. Es wird auch hier Schicht-für-Schicht gearbeitet. Wenn die erste Schicht ausgehärtet ist wird die Plattform eine Schicht nach oben bewegt und eine weitere Harzschicht erzeugt. Das fertige Objekt wird mit einer Wäsche in Isoprpylalkohol (IPA) und danach mit Licht und Hitze in einem eigenen Gerät nachgehärtet. Dieses Verfahren weist eine sehr hohe Genauigkeit auf und erzeugt sehr glatte Oberflächen.
Methoden
Der Produktentwicklungsprozess folgte dem adaptierten Wasserfallmodell, mit den Teilschritten Anforderungsanalyse, Planung, Implementierung und Testung. Es wurden Muss- und Soll-Anforderungen an die herzustellende Schiene definiert. Danach wurde ein CAD-Programm (Software) ausgewählt, mit dem weiter gearbeitet wurde. Die Entscheidung fiel auf das Programm Meshmixer. Mit Hilfe eines 3D-Scanners wurden verschiedene Modelle von Hand und Hand mit Schiene beschafft. Die Grundmodelle wurden im CAD-Programm weiter bearbeitet und ausgedruckt. Dabei wurden im Verlaufe dieser Studie nacheinander vier Schienen hergestellt und getestet.
Ergebnisse
Die Einschätzung – dass das aktuelle Verfahren zur Herstellung einer 3D-Schiene für die Ergotherapie – noch nicht praxistauglich ist, beruht auf den Punkten
- Notwendige technische Kenntnisse bzw. Erwerb von Kenntnissen für CAD-Programm, Slicer-Software und 3D-Druck.
- 3D-Scan: stellte sich als das größte Problem heraus. Da Schienen eine physiologische bzw. eine der Pathophysiologie der Erkrankung entgegenwirkende Stellung anstreben, ist ein Scan ungeeignet. Im regulären Anpassungsprozess kann z.B. ein Gelenk in die notwendige Position gebracht werden und sukzessive angepasst werden. Ein 3D-Scan erfasst z.B. die Position einer Hand, wie sie ist, nicht wie sie aus therapeutischer Notwendigkeit (durch die Schiene) positioniert werden sollte. Weiters benötigt ein 3D-Scan ein ruhige (sich nicht bewegende) Hand, was bei verschiedenen Erkrankungen nicht möglich ist.
Die Probleme in Bezug auf den 3D-Scan, also die Beschaffung eines 3D-Modells mittels Scans stellt die größte Einschränkung in diesem Projekt dar, die allgemeine Tauglichkeit in der aktuellen ergotherapeutischen Praxis ist nicht gegeben.
Referenzen:
Macadangdang, M. (2022). Scan-Modell-Druck. Die Herstellung von Rhizarthrose-Schienen mittels 3D-Druckverfahren – eine empirische qualitative Prozessdarstellung. Bachelorarbeit am Studiengang Ergotherapie. FH Campus Wien.
Surmen, H. K., Ortes, F. & Arslan, Y. Z. (2020). Fundamentals of 3D Printing and Its Applications in Biomedical Engineering. In S. Singh, C. Prakash & R. Singh (Hrsg.), Materials Horizons: From Nature to Nanomaterials. 3D Printing in Biomedical Engineering (S. 23–41). Springer Singapore. https://doi.org/10.1007/978-981-15-5424-7_2