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Medizin: Morris Technologies - Herstellung einer individuellen Kletterprothese aus Titan mit Additiver Fertigung

Morris Technologies zeigt anhand der EOS-Technologie, wie maßgeschneiderte Produkte den Extremsport bereichern können

Der unterschenkelamputierte Kletterer C. J. Howard positioniert seine lasergesinterte Kletterprothese aus Titan in der Kletterroute Hey Y’all Watch This (Schwierigkeitsgrad laut UIAA-Skala: 5+) an den Luther Spires in South Lake Tahoe/Kalifornien (Quelle: Mandy Ott).
Der unterschenkelamputierte Kletterer C. J. Howard positioniert seine lasergesinterte Kletterprothese aus Titan in der Kletterroute Hey Y’all Watch This (Schwierigkeitsgrad laut UIAA-Skala: 5+) an den Luther Spires in South Lake Tahoe/Kalifornien (Quelle: Mandy Ott).

Kletterer verlassen sich beim Erklimmen steiler Felswände auf ihren Instinkt, ihre Erfahrungen und, was ebenso wichtig ist, auf die Ausrüstung. Diese besteht unter anderem aus Karabinern, Klemmgeräten, Klemmkeilen, Gurten, einem Helm und speziellen Kletterschuhen. Alles ist an die Art des Gesteins und den Kletterweg angepasst. Die Schuhe sind je nach Einsatzgebiet eher unbiegsam oder extrem flexibel. Es gibt beispielsweise Modelle, die geeignet sind, Risse zu überwinden, auf kleinen Vorsprüngen mit den Fußspitzen Halt zu finden oder auf rutschigem Gefälle sicher stehen zu können. Die Wahl des Schuhs hängt ausschließlich von den Vorlieben des Kletterers ab.

Auch für den Kletterenthusiasten C. J. Howard aus Nordkalifornien haben die Schuhe einen hohen Stellenwert. Noch viel wichtiger ist für ihn als unterschenkelamputierten Sportler aber die Fußprothese, die er zusammen mit seiner Kletterfreundin, der Umwelttechnikerin/Luft- und Raumfahrtingenieurin Mandy Ott entwickelt hat.

Herausforderung

Howard ist ein überaus aktiver Mensch. Auch nachdem bei ihm ein Osteosarkom diagnostiziert wurde, was die Amputation seines linken Beins unterhalb des Knies zur Folge hatte, nahm er weiterhin an Laufwettbewerben teil. Bei verschiedenen Veranstaltungen verbesserte er die von anderen amputierten Athleten aufgestellten Weltrekorde. Durch Ott lernte er das Klettern kennen und lieben. Ein Sport, der für seinen Stumpf zudem viel besser geeignet ist als das Laufen. Zunächst kletterte er mit seiner Standardfußprothese, über die er einen Kletterschuh zog. Doch der Spezialschuh passte nicht zur generischen Form der Prothese und verschliss sehr schnell. Deshalb entwickelten die Kletterfreunde gemeinsam einen für den Sport optimierten Prothesenfuß.

Lösung

In Windeseile entstand am Laptop eine neue aggressiv geformte Prothese, die vorn nach unten gebogen war und einer Banane ähnelte. Als Fertigungstechnologie kam für Ott nur das Direkte Metall-Laser-Sintern (DMLS) infrage, welches sie bereits von ihrer Ingenieurtätigkeit für ein großes Luft- und Raumfahrtunternehmen kannte: „Ich habe es nie in Erwägung gezogen, die Prothese mithilfe herkömmlicher Fertigungstechniken herzustellen, da sie dann Nähte am Fuß, hervorstehende Schrauben oder Muttern besäße. Das kann man beim Klettern nun wirklich nicht gebrauchen“, erklärt Ott entschieden.

Die Ingenieurin wandte sich an Morris Technologies, ein Unternehmen, welches auf die generative Fertigung spezialisiert ist und mit dem sie bereits beruflich zusammengearbeitet hatte. Dort war man sofort bereit, dem behinderten Sportler zu helfen. Um mit der Fertigung beginnen zu können, wurden die digitalen CAD-Daten des Prothesenfußes zunächst in die Software eingelesen und in die einzelnen Schichtinformationen zerlegt. Diese hat dann das EOS-System nacheinander wieder aufgebaut. Dazu wurde eine dünne Schicht Metallpulver aufgetragen, ein fokussierter Laserstrahl fuhr die erste Querschnittschicht des Fußes ab und verschmolz das Titanpulver. Danach senkte sich die Bauplattform ab, abermals erfolgte ein Pulverauftrag und anschließendes Verschmelzen des Materials mit der darunterliegenden Schicht. Dieser Prozess wiederholte sich fortlaufend, wobei die Prothese jedes Mal um etwa 20 µm wuchs. Eine Schichtstärke, die etwa der Dicke von fünf menschlichen Haaren entspricht. Nach Abschluss des vollautomatischen Bauprozesses wurde überschüssiges Pulver entfernt, und es folgte ein Entspannungsbrand, um das Metall zu härten und die Materialfestigkeit sicherzustellen.

Die Herstellung des glattkantigen Fußes mit einer Größe von 15 x 7,5 x 5 cm nahm um die vierzig Stunden in Anspruch. Die fertige Prothese wiegt etwa 2,3 kg. Um ihr Gewicht gering zu halten, wurde sie hohl gefertigt. Außerdem kommt sie ohne Nähte oder Befestigungsmittel aus. Nachträglich wurde das Fußteil mit einem Gummi beschichtet, der auch für die Sohlen von Kletterschuhen verwendet wird. Das dazugehörige Bein – eine Stange aus solidem Titan – wird über einen Schaft am Oberschenkel von C. J. Howard befestigt.

Ergebnisse

Die Ingenieure von Morris Technologies verwendeten ein kommerziell erhältliches Titan (Ti64), das sich durch eine überragende Festigkeit und ein geringes Gewicht auszeichnet. Obwohl das die erste Prothese war, die das Unternehmen gefertigt hatte, erkannte Tim Warden, stellvertretender Leiter der Vertriebs- und Marketingabteilung, schnell das Potenzial der EOS-Technologie für diesen Anwendungsbereich: „Eine Prothese sollte an die Anatomie des Patienten angepasst sein. Falls sie nicht auf Anhieb sitzt oder nicht richtig funktioniert, kann einfach die CAD-Datei bearbeitet werden. Zum Beispiel, indem an den entscheidenden Stellen ein bisschen mehr Material eingebracht wird.“

Was das Design angeht, war Howards Kletterprothese recht einfach. Warden weist aber darauf hin, dass sich das DMLS-Verfahren auch für die Herstellung von medizinischen Produkten mit viel komplexerer Geometrie eignet. So ließen sich beispielsweise orthopädische Implantate für Hüft-, Knie-, Schulter- und Sprunggelenke, oder sogar Wirbelsäulenimplantate sowie die dazugehörigen patientenspezifischen chirurgischen Instrumente fertigen. Morris Technologies nutzt dieses generative Verfahren bereits für ein breites Branchenspektrum: von der Luft- und Raumfahrt über den Automobilbau bis hin zu anderen industriellen Anwendungen. „Wir entscheiden uns immer dann für DMLS und gegen die herkömmliche Fertigung, wenn sich dadurch sowohl der zeitliche als auch der finanzielle Produktentwicklungsaufwand reduzieren lassen“, berichtet der Morris-Mitarbeiter. Die Liste an verarbeitbaren Materialien – einschließlich biokompatibler Kunststoffe und Metalle – wächst, was es dem Unternehmen ermöglicht, auch lasergesinterte Lösungen für medizinische Anwendungen anzubieten.

Zunächst wird aber die Haftung des Gummis an der Prothese von C. J. Howard verbessert. An Ideen mangelt es Tim Warden dafür nicht: „Mit einer Spezialsoftware können Oberflächenstrukturen erzeugt werden, die das DMLS-Verfahren reproduzieren kann. Auf denen hält der Gummi dann viel besser. Außerdem können gitterartige Strukturen konstruiert werden, durch die die Prothesen noch leichter werden.“ Auch Mandy Ott resümiert begeistert: „Mit der DMLS-Technologie sind der Fertigungsindustrie keine Grenzen mehr gesetzt. Jeder Ingenieur sollte einmal ausprobieren, was sich damit alles realisieren lässt.“

Vorbereitung für einen Klettertag am Luther Spires in South Lake Tahoe: Die Ausrüstung des unterschenkelamputierten C. J. Howard umfasst eine selbst entworfene Kletterprothese, die mithilfe des Direkten Metall-Laser-Sinterns (DMLS) gefertigt wurde (Quelle: Mandy Ott).
Vorbereitung für einen Klettertag am Luther Spires in South Lake Tahoe: Die Ausrüstung des unterschenkelamputierten C. J. Howard umfasst eine selbst entworfene Kletterprothese, die mithilfe des Direkten Metall-Laser-Sinterns (DMLS) gefertigt wurde (Quelle: Mandy Ott).
„Mit der DMLS-Technologie sind der Fertigungsindustrie keine Grenzen mehr gesetzt. Jeder Ingenieur sollte einmal ausprobieren, was sich damit alles realisieren lässt.“
Mandy Ott, Umwelttechnikerin/Luft- und Raumfahrtingenieurin
 
„Wir setzen die EOS-Technologie bereits in der Luft- und Raumfahrt, dem Automobilbau und für industrielle Anwendungen ein. Wir entscheiden uns immer dann für das Direkte Metall-Laser-Sintern und gegen die herkömmliche Fertigung, wenn sich dadurch sowohl der zeitliche als auch der finanzielle Produktentwicklungsaufwand reduzieren lassen.“
Tim Warden, stellvertretender Leiter der Vertriebs- und Marketingabteilung

Kurzprofil

Morris Technologies, Inc. hilft seit 1994 Ingenieuren, Wissenschaftlern, Konstrukteuren sowie Führungskräften aus Industrie und Militär dabei, Innovationen einzuführen. Indem das Unternehmen die neuesten Fertigungstechnologien bereitstellt, ist es ein kooperativer Partner. Produkte zuerst auf den Markt zu bringen, ist in der heutigen globalen Wirtschaft von größter Bedeutung.
 

Anschrift

Morris Technologies Inc,
11988 Tramway Drive
Cincinnati, OH 45241 (USA)
 
 

Kontakt 

Wiebke Jensen
EOS GmbH
Electro Optical Systems
Wiebke Jensen
Robert-Stirling-Ring 1
D-82152 München
Tel: +49 89 893 36 2485
wiebke.jensen@eos.info

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