2,5D-Druck: "Es dauert ungefähr fünf Minuten, bis eine Orthese gedruckt ist"

Fingerorthesen, die schnell gedruckt werden können und individuell formbar sind. Daran forscht derzeit Lukas Boxberger vom Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU in Dresden. Die WEAM-Orthese soll künftig helfen Standardorthesen individuell anpassen zu können. Mit welchen Verfahren und Materialien dies möglich werden soll, erklärt er uns im Interview.

Herr Boxberger, Sie arbeiten an einer Fingerorthese, die im 2,5D-Druckverfahren hergestellt wird und vorgefertigte Standardorthesen vielleicht mal ersetzen soll. Was ist besonders am 2,5D-Druck, den Sie verwenden?

Lukas Boxberger: Der Ausdruck "2,5D" bezieht sich nicht auf das Druckverfahren, sondern dient der Veranschaulichung des Themas. Tatsächlich verwenden wir einen herkömmlichen 3D-Drucker, um die Orthese zu fertigen. Wir drucken bei der Orthese jedoch nur wenige Millimeter in die Höhe. Das heißt, wir produzieren keine komplexe Form, sondern einen Streifen. In diesen werden dann die Drähte mit eingebracht. Hierfür haben wir am Fraunhofer IWU einen speziellen Druckkopf entwickelt. Mit diesem Verfahren können wir Orthesen in verschiedenen Größen herstellen, für den Finger, aber ebenso für einen Arm oder einen Fuß. Der Vorteil besteht in der späteren Verformbarkeit des Kunststoffs.

Wie wird der Kunststoff erwärmt?

Boxberger: Der Kunststoff wird über den integrierten Draht durch elektrischen Strom erwärmt. Über die Wärme des Drahts erreicht der Kunststoff die erforderliche Temperatur, um ihn zu verformen. Man knetet den Kunststoff ein wenig und kann ihn so in die gewünschte Form bringen.

Unser Druckkopf erlaubt es uns, Drähte während des Druckprozesses in den Kunststoff zu integrieren. Wir können sowohl das Polymer als auch den Draht variieren. Je nachdem, welche elektrische Funktion gewünscht ist.

Wie warm wird der Kunststoff?

Boxberger: Bei unseren ersten Prototypen aktuell noch 60°C. Wir erarbeiten allerdings gerade eine Lösung, welche bereits bei 35 Grad Celsius formbar wird. Es ist davon abhängig, welchen Kunststoff man wählt. Die Verformbarkeit ist auch sehr schnell erreicht, man erwärmt die Fingerorthese circa 30 Sekunden. Dann kann man sie verformen und nach circa 30 Sekunden ist sie wieder fest. Man kann die Orthese während der Behandlung also schnell nachjustieren, falls zum Beispiel ein anderer Winkel für den Finger gewünscht wird. Ich kann mir vorstellen, dass diese Technik auch für die Skoliose-Therapie einsetzbar ist, wenn man an das hierfür zu tragende Korsett denkt. Dies schnell neu anpassen zu können, wäre sicher ein Vorteil.

In der Weiterentwicklung wäre es auch wünschenswert, wenn eine solche Orthese bei mehr als nur einer Patientin oder einem Patienten verwendet werden könnte. Derzeit haben wir Sterilisationsprozesse nicht in die Materialauswahl mit einbezogen, aber es wäre interessant, in diese Richtung zu forschen.

Ist denn von einer langen Lebensdauer einer solchen Orthese auszugehen? Immerhin soll sie immer wieder verformt werden.

Boxberger: Hierzu liegen uns noch keine Studiendaten vor. Unsere Fingerorthesen haben wir bereits mehr als 25-mal erwärmt und angeformt, ohne dass wir Veränderungen der Materialeigenschaften feststellen konnten. Allerdings müsste man noch weitere Untersuchungen anstellen, um Grenzwerte und Reproduzierbarkeit mit Verlässlichkeit nachweisen zu können.

Wie aufwendig ist die Produktion einer solchen Orthese im 2,5D-Druck-Verfahren?

Boxberger: Es gibt zwei verschiedene Verfahren, wie man die Drähte integrieren kann. Zum einen eben mit unserem speziellen Druckkopf. Zum anderen kann man aber auch herkömmliche 3D-Drucker verwenden, deren Software angepasst wurde.

Im Vergleich zu dreidimensional gedruckten Produkten benötigt die WEAM-Orthese jedoch erheblich weniger Druckzeit. Es dauert ungefähr fünf Minuten, bis eine Orthese gedruckt ist.

Bietet sich die Orthese auch für Kinder an? Gerade bei ihnen passen Standard-Modelle häufig nicht, wenn sie zum Beispiel zwischen zwei Größen liegen.

Boxberger: Absolut. Wir haben auch diesen Bereich im Blick. Besonders Säuglinge haben so kleine Hände, dass es oftmals schwierig ist, einen 3D-Abdruck von der Hand zu erhalten. Für sie wären die anpassbaren Orthesen sehr gut geeignet.

Werden wir Sie auf der nächsten COMPAMED mit Ihrer Orthesen-Entwicklung antreffen?

Boxberger: Mit Beispielen für 3D-Druck waren wir bereits auf der letzten COMPAMED vertreten, allerdings nicht mit der WEAM-Orthese. Ganz sicher werden wir wieder Knochenersatzmaterialien zeigen, 3D-Druck und Sensoren. Welche Modelle wir mitbringen werden, entscheiden wir kurz vor der Messe.