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Anwendung

Sensorik und 3D-Druck in intelligentem Orthesenprototyp

Die Kombination aus IoT-Technologien und 3D-Druck ermöglichen den Prototyp einer intelligenten Knieorthese, die den Heilungsprozess beschleunigen kann.

Durch die Kombination von industriellem 3D-Druck, eingebetteter Sensorik sowie Konnektivität haben die Unternehmen EOS und Blackbox Solutions eine maßgeschneiderte, intelligente Knieorthese entwickelt. Angeregt durch das Internet der Dinge (IoT) und die damit verbundene Vernetzung von Unterhaltungselektronik, Gebäudeinfrastruktur und Maschinenelementen war Eos, ein Technologieanbieter im industriellen 3D-Druck von Metallen und Kunststoffen, überzeugt, dass man das volle IoT-Potenzial durch den klugen Einsatz von additiver Fertigung ausschöpfen kann. Mit additiver Fertigung würden sich intelligente und vernetzte Komponenten wesentlich einfacher und ökonomischer integrieren lassen. Die Kombination von Sensorik, Konnektivität und 3D-Druck könnte laut EOS die Digitalisierung zu Anwendungen und Geschäftsszenarien führen, von denen heute – noch – niemand spricht.

Smart Parts mit hoher Gestaltungsfreiheit

Kombiniert man mechanische Designelemente mit eingebetteter Elektronik wie Mikrocontrollern, Sensoren und Konnektivität via Radiofrequenz, wird dies heute als intelligente Bauteile – „Smart Parts“ – bezeichnet.  Diese Bauteile ermöglichen ein maßgeschneidertes Produktdesign, das mittels hochpräziser, sicherer Datenübertragung in Echtzeit die Anforderungen spezifischer Nutzergruppen adressiert. Die additive Fertigung wiederum liefert unter anderem eine sehr hohe Gestaltungsfreiheit bei präziser Konstruktion sowie die Möglichkeit zur Funktionsintegration von Sensoren zur schnellen und gleichzeitig wirtschaftlichen Fertigung maßgeschneiderter Bauteile. Der Vorteil ist hier die  verkürzte Anlaufzeit für die Kleinserienproduktion und dadurch eine schnelle Markteinführung.

Innovative Problemlösung

Bei Knieverletzungen führen laut EOS oft falsche Bewegungen oder eine zu starke Belastung des Knies während des Heilungsprozesses zu einer Verzögerung der Genesung. Die Lösung wäre, Patienten direkt Rückmeldung bei falscher Belastung zu geben, ohne jedoch die Bewegungsmöglichkeiten massiv einzuschränken. Vor diesem Hintergrund haben die 3D-Druckspezialisten von EOS Additive Minds gemeinsam mit den Sensorik-Experten von Blackbox Solutions eine in hohem Maße anpassbare, additiv gefertigte Knieorthese entwickelt, die mit integrierten Sensoren, der Fähigkeit zur Datenverarbeitung und RF-Konnektivität ausgestattet ist. Der Prototyp zeigt laut Eos, wie man durch ein intelligentes Produkt wertvolle Echtzeiteinblicke durch Sensordaten erhalten und  diese für alle Beteiligten vorteilhaft nutzen kann.

Hohe Präzision und Echtzeit-Monitoring

Der entwickelte Prototyp besteht aus einer eingebetteten technischen Lösung, die sowohl das Nachrüsten bei einer vorhandenen Knieorthese mittels einem additiv gefertigten, maßgeschneiderten Ersatzgehäuse erlaubt als auch die direkte Integration in eine komplett additiv gefertigte Orthese. Das kompakte Format der Sensoren ist platzsparend und unterstützt damit die Leichtigkeit und Ergonomie der Knieorthese. Die gewählte Sensortechnologie für Winkel- und Kraftmessungen vereint hohe Präzision mit einem berührungslosen Konzept, was die Integration erheblich vereinfacht. WiFi und Bluetooth-Low-Energy-Kommunikation erlauben ein Echtzeit-Monitoring. Dieses kann entweder über eine direkte WLAN-Verbindung oder über ein mobiles Gerät als Benutzerschnittstelle und Controller gesteuert werden. Die Datenanalyse erfolgt dann entweder auf Remote-Servern, über eine Anwendung auf einem lokalen mobilen Gerät und/oder direkt über den in der Knieorthese eingebetteten Prozessor. Wichtig ist, dass die sensiblen Daten der Nutzer auf sichere Weise vor Ort verarbeitet werden können und somit die Bestimmungen hinsichtlich Datenschutz und Privatsphäre erfüllt sind. Der Datenzugriff sowie die Analyse und Sicherung der gesammelten Informationen erfolgt über Schnittstellen, die auf die Bedürfnisse und Anforderungen der verschiedenen Nutzergruppen zugeschnitten sind.
Batteriebetriebene Sensoren und vernetzte Software-Anwendungen können Patienten und Ärzte dabei unterstützen, die richtige Kniebelastung und den damit unterstützten Heilungsprozess in Echtzeit zu verfolgen und Reha-Maßnahmen nach den individuellen Patientenbedürfnissen auszurichten. Die vom intelligenten Bauteil eingehenden Echtzeitdaten ermöglichen den Herstellern einen unmittelbaren Einblick in die Nutzung und Leistung ihrer Produkte, so dass zukünftige Versionen verfeinert und verbessert werden könnten. Krankenkassen und Gesundheitsbehörden wiederum könnten die Daten nutzen, um bessere statistische Berichte über Krankheitsfälle zu erstellen.
Die intelligente Knieorthese zeigt laut EOS das immense Potenzial, das in der Kombination von additiver Fertigung, Sensorik und Konnektivität liegt. Der industrielle 3D-Druck liefere dabei den entscheidenden Beitrag: Dazu gehören die hohe Gestaltungsfreiheit auch bei einem kompakten und präzisem Design sowie die funktionale Integration von Sensoren. Letzteres ermöglicht, individualisierte Produkte in relativ kleinen Mengen schneller und ökonomischer herzustellen und gleichzeitig die Funktionalität des physischen Produkts kundenspezifisch zu optimieren.

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