Computergestütztes Design und 3D-Druck in der Prothetik

Computergestütztes Design (CAD) und additive Fertigung (3D-Druck) ermöglichen digitale Arbeitsabläufe bei der Entwicklung und Herstellung von Prothesen und Orthesen. Ein Gliedmaß oder eine Körperregion wird durch Scannen erfasst, ein Gerät wird am Bildschirm modelliert und modifiziert und anschließend durch computergesteuerte Fertigung hergestellt, entweder durch das Schnitzen eines Modells für die traditionelle Fertigung (CAD/CAM) oder durch den direkten schichtweisen Aufbau des Geräts mittels 3D-Druck. Diese Methoden versprechen eine höhere Reproduzierbarkeit, Anpassbarkeit und in einigen Fällen geringere Kosten.

Definition

Computergestütztes Design und 3D-Druck in der Prothetik ist die Verwendung digitaler Modellierung (CAD) zusammen mit computergesteuerter oder additiver Fertigung zur Entwicklung und Herstellung von Prothesen und Orthesen, wodurch manuelle Abformung und Handfertigung ersetzt oder ergänzt werden.

Scope

Dieses Thema behandelt die digitale Design- und Fertigungskette, wie sie auf Prothesen und Orthesen angewendet wird: Scannen, CAD-Modellierung, computergestützte Fertigung und additive Fertigung, zusammen mit ihren Designparametern und Kompromissen. Es handelt sich um Referenzmaterial zur Technologie und ihren Überlegungen, nicht um ein Fertigungsprotokoll oder eine klinische Anleitung zur Herstellung eines Geräts für eine Einzelperson.

Core questions

• Wie funktioniert eine digitale Design- und Fertigungskette in der Prothetik und Orthopädie?
• Wie unterscheiden sich CAD/CAM und additive Fertigung?
• Welche Designparameter beeinflussen die Festigkeit und Qualität eines 3D-gedruckten Geräts?
• Welche potenziellen Vorteile und Einschränkungen hat die digitale Fertigung?

Key concepts

• Computer-aided design (CAD)
• Computer-aided manufacturing (CAM)
• Additive Fertigung (3D-Druck)
• Oberflächenscanning und digitale Formerfassung
• Schmelzschichtverfahren
• Füll- und Schichtparameter
• Reproduzierbarkeit und Anpassbarkeit

Mechanisms

Ein digitaler Arbeitsablauf beginnt typischerweise mit der Erfassung der Form des Gliedmaßes oder der Körperregion mit einem Oberflächenscanner, wodurch ein dreidimensionales Modell entsteht. Der Kliniker oder Ingenieur modifiziert dieses Modell in der CAD-Software, um die Gerätegeometrie zu erstellen, wobei Formkorrekturen vorgenommen werden, die denen ähneln, die manuell an einem Gipsabdruck vorgenommen werden. Das Modell wird dann entweder durch computergestützte Fertigung, die ein Positivmodell für die konventionelle Formgebung schnitzt, oder durch additive Fertigung realisiert, die das Gerät direkt durch schichtweises Auftragen von Material aufbaut. Bei gedruckten Teilen beeinflussen Prozessparameter wie Materialwahl, Schichtorientierung und Fülldichte die mechanische Festigkeit, sodass diese Einstellungen entscheidend dafür sind, ob ein gedrucktes Gerät funktionellen Belastungen standhalten kann.

Clinical relevance

Digitales Design und additive Fertigung verändern die Herstellung von Prothesen und Orthesen und bieten reproduzierbare, anpassbare Arbeitsabläufe, die ein aktives Forschungs- und Praxisgebiet darstellen. Dieser Eintrag beschreibt die Technologie und ihre technischen Überlegungen als Referenzmaterial; er enthält keine Anweisungen zur Herstellung eines Geräts oder Anleitungen zur Auswahl einer Fertigungsmethode für einen einzelnen Patienten.

Evidence & guidelines

Die Evidenzbasis wird von technischen Studien und Übersichten dominiert. Übersichten zur polymerbasierten additiven Fertigung beschreiben die zunehmende Akzeptanz und die Bandbreite der verwendeten Materialien und Prozesse, während experimentelle Studien, wie die von Campbell und Kollegen (2018), untersuchen, wie Druckparameter wie der Füllgrad die Festigkeit von 3D-gedruckten Transtibialschäften beeinflussen, und hervorheben, dass die mechanische Eignung stark davon abhängt, wie ein Gerät gedruckt wird.

History

Computergestütztes Design und Fertigung hielten ab den 1980er Jahren Einzug in die Prothetik und Orthopädie, um die traditionell von Hand an Gipsabdrücken vorgenommene Formgebung von Schäften und Orthesen zu digitalisieren. Die spätere Verbreitung des zugänglichen 3D-Drucks, insbesondere der Schmelzschichtverfahren, erweiterte die digitale Kette auf die direkte Herstellung von Geräten und trieb die Forschung an Materialien, Druckparametern und der Festigkeit gedruckter Komponenten voran.

Seminal works

• campbell-2018
• sakib-2023

Frequently asked questions

Was ist der Unterschied zwischen CAD/CAM und 3D-Druck in der Prothetik?

Beim CAD/CAM wird ein digitales Modell verwendet, um ein Positivmodell für die konventionelle Fertigung zu bearbeiten, während beim 3D-Druck (additive Fertigung) das Gerät selbst direkt durch schichtweises Auftragen von Material aufgebaut wird.

Beeinflusst die Art und Weise, wie ein Schaft 3D-gedruckt wird, seine Festigkeit?

Ja. Prozessparameter wie das Material, die Ausrichtung der gedruckten Schichten und die Fülldichte beeinflussen die mechanische Festigkeit eines gedruckten Geräts, sodass diese Einstellungen entscheidend dafür sind, ob es funktionellen Belastungen standhalten kann.