Der Schaft verbindet eine Beinprothese mit dem Körper. Er muss Lasten übertragen, empfindliche Bereiche des Stumpfs entlasten und möglichst genau zur individuellen Anatomie passen. Klassisch entsteht er über einen Gipsabdruck und mehrere handwerkliche Schritte. Im Verbundprojekt NaRo-3D haben das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, Tecnaro und DOI ortho-innovativ biobasierte Druckmaterialien mit einer digitalen Planung und Fertigung verbunden. Das von 2023 bis 2025 laufende Vorhaben wurde vom Bundesministerium für Landwirtschaft, Ernährung und Heimat über die Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe gefördert.

Von 23 Filamenten zu belastbaren Testschäften

Im Projekt entwickelte Tecnaro Mischungen aus Bio-Polyestern, Bio-Polyamiden, Cellulosederivaten und weiteren Kunststoffen. Die Rezepturen mussten sich zu gleichmäßigen Filamenten verarbeiten und im Schmelzschichtverfahren drucken lassen. Zugleich sollten die Bauteile belastbar und wärmeformbeständig sein.

DOI ortho-innovativ prüfte Probekörper aus 23 biobasierten Filamenten und wählte vier Varianten für weitere Versuche aus. Besonders geeignet waren laut FNR ein Biopolyester mit einem biobasierten Kohlenstoffanteil von 78 Prozent und ein vollständig biobasiertes Polyamid. Der Wert gibt an, welcher Anteil des Kohlenstoffs aus Biomasse statt aus fossilen Rohstoffen stammt. Einzelne Rezepturen übertrafen erdölbasierte Vergleichsmaterialien bei mechanischen Kennwerten. Ein leicht transparentes Material aus Cellulosederivaten und Biopolyester eignete sich zudem für Testschäfte, deren Passform sich von außen kontrollieren lässt.

Digitale Planung berücksichtigt das Gewebe

Für die individuelle Auslegung entwickelte das Fraunhofer IPA eine virtuelle Schaftplanungsplattform. Oberflächenscans und Ultraschallaufnahmen lieferten Daten zur Form des Stumpfs und zu den darunterliegenden Weichgeweben. Zusätzlich dienten MRT-Aufnahmen zur Kontrolle. Daraus entstanden digitale Modelle von Stumpf und Schaft.

Mit Computersimulationen berechnete das Team, an welchen Stellen der Schaft besonders stark auf den Stumpf drückt und wie sich das Gewebe dabei verformt. So ließen sich druckempfindliche Bereiche entlasten und weniger empfindliche Zonen stärker für die Kraftübertragung nutzen. Die Berechnung bezog auch Schubspannungen ein, die beim Verschieben des Gewebes entlang der Schaftoberfläche entstehen.

Zwei langjährige Prothesenträger erprobten Versuchsprothesen aus den ausgewählten Biocompounds. Beide bewerteten den Komfort der optimierten Schäfte mindestens als gleichwertig oder besser als bei Vergleichsschäften aus anderen Herstellungsverfahren. Wegen der kleinen Zahl von zwei Testpersonen bleibt die Aussagekraft begrenzt. Fraunhofer IPA will die Plattform nun über Pilotprojekte für Sanitätshäuser zugänglich machen. Tecnaro bereitet die Vermarktung der neuen Compounds und Filamente vor.

ag