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3D-Druck Bionische Hand mit Gefühl in den Fingern

Ein Gastbeitrag von David Lakatos*

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Das kalifornische Start-up Psyonic hat eine bionische Hand entwickelt, mit der die Lebensqualität ihrer Nutzer spürbar verbessert werden kann. Bei der Entwicklung erwiesen sich die additive Fertigung und der Einsatz von 3D-Druckern als großer Vorteil.

Für Garrett Anderson, dessen Unterarm unterhalb des Ellbogens amputiert wurde, hat sich der Alltag mit der bionischen Hand merklich verändert.
Für Garrett Anderson, dessen Unterarm unterhalb des Ellbogens amputiert wurde, hat sich der Alltag mit der bionischen Hand merklich verändert.
(Bild: Psyonic)

Weltweit gibt es mehr als 50 Millionen Menschen, denen aufgrund eines Unfalls Gliedmaßen amputiert wurden. Sofern Prothesen eingesetzt werden, erweisen sich diese im Alltag der Patienten meist als steif, unflexibel und wenig widerstandsfähig. Häufig werden antiquierte Arm-Prothesen genutzt, die über starre Hände oder Haken verfügen. Bessere Prothesen können sich laut einer Studie aufgrund des erhöhten Preises nur zehn Prozent der Patient leisten. Doch nun wendet sich das Blatt: Mithilfe von 3D-Druckern hat das kalifornische Unternehmen Psyonic eine hochwertige und gleichzeitig erschwingliche Lösung entwickelt. Die „Ability Hand“ ist eine künstliche bionische Hand, deren filigrane Einzelteile mit einem hybriden Fertigungssystem hergestellt werden – eine Kombination von 3D-Druck, CNC-Maschinen und komplexen technischen sowie handwerklichen Verfahren. Für die Patienten bedeutet die bionische Hand eine deutliche Verbesserung ihrer Lebensqualität: Sie ist nicht nur leicht, belastbar und widerstandsfähig, sondern ermöglicht ihnen zudem, mit den künstlichen Fingern zu fühlen.

Für Menschen wie dem US-Amerikaner Garrett Anderson, dessen Unterarm nach einem Unfall im Irak-Krieg unterhalb des Ellbogens amputiert wurde, hat sich der Alltag mit der bionischen Hand merklich verändert. Mit den künstlichen Fingerspitzen kann er heute die Hand seiner Tochter berühren und dank des sensorischen Feedbacks spüren, wie sich das anfühlt. Die feinen Sensoren reagieren auf die Oberflächenstruktur oder das Gewicht eines Gegenstands und initiieren daraufhin fein abgestimmte Bewegungen. So wird Alltägliches und Herausforderndes im Leben der Patienten plötzlich wieder möglich: Kaffee einschenken, Nägel in ein Brett schlagen, im Fitnessstudio trainieren, schwere Taschen tragen oder ein Ei halten, ohne es zu zerbrechen.

In kurzer Zeit vom Prototyp zum Endergebnis

Die „Ability Hand“ ist eine künstliche bionische Hand, deren filigrane Einzelteile mit einem hybriden Fertigungssystem hergestellt werden.
Die „Ability Hand“ ist eine künstliche bionische Hand, deren filigrane Einzelteile mit einem hybriden Fertigungssystem hergestellt werden.
(Bild: Psyonic)

Mit der Entwicklung der bionischen Hand verfolgte das Start-up Psyonic ein Ziel: Hochwertige Prothesen zugänglicher und erschwinglicher für Patienten zu machen. Bei der Mission erwies sich der Einsatz der 3D-Drucker des Herstellers Formlabs als zentraler Bestandteil, um die Prothese der nächsten Generation widerstandsfähig, leicht und bedienfreundlich zu gestalten. Dahinter verbirgt sich eine komplexe Drucktechnologie, das SLA(Stereolithografie)-Druckverfahren. UV-Laser sorgen dafür, dass flüssige Materialien wie Kunstharz aushärten, sodass Schicht für Schicht das gewünschte 3D-Modell entsteht. Dieser Vorgang erlaubt eine schnelle und qualitativ hochwertige Fertigung der erforderlichen Einzelteile und genaue, detailreiche Druckergebnisse. Dabei kann eine Vielzahl an Materialien verwendet werden, sodass der 3D-Druck eine praktikable Möglichkeit auch für weitere medizinische Geräte bietet.

Im Falle der bionischen Hand konnten insgesamt neun verschiedene Prototypen im Unternehmen in kurzer Zeit gefertigt, überarbeitet und angepasst werden – gerade für kleinere Start-ups wie Psyonic ein großer Vorteil, da während des Entstehungsprozesses unkompliziert Anpassungen vorgenommen werden können. Dank des SLA-Druckverfahrens konnten komplizierte Formen problemlos gefertigt werden. Einzelne Karbonformen, die zur Konstruktion des künstlichen Unterarms gehören, konnten mithilfe der 3D-Drucker mit weniger Kosten und in nur wenigen Stunden angefertigt und immer wieder optimiert werden. Zu Beginn verfügte Psyonic nicht über die nötigen Kapazitäten, um die Kohlefaserformen maschinell herzustellen. So kamen Materialien aus Kunstharz zum Einsatz, die zwar zerbrechlich, doch sehr hitzebeständig sind. Anschließend konnten die Kohlefaserplatten in die gewünschte Form gepresst werden, bevor sie bei hohen Temperaturen im Ofen aushärteten und schließlich auf die Hand geklebt wurden.

Fingerformen aus dem 3D-Drucker

Während die Karbonformen für die finalisierten Prothesen heute maschinell produziert werden, stecken noch immer einige End-Einzelteile aus dem 3D-Drucker in der aktuell verfügbaren bionischen Hand. Die wohl wichtigsten Bauteile sind die fünf frei beweglichen Finger aus Silikon, die über eine besonders glatte Oberfläche verfügen. Für diese wurden spezielle Finger-Formen entwickelt, die aus dem transparenten Material Clear Resin angefertigt und dutzende Male verwendet werden können. Das Drucken der Formen erfolgt mit der höchsten Auflösung, die der Desktop-Drucker zu bieten hat, damit die Oberflächen besonders glatt sind. Anschließend werden die Formen von Hand mit Silikon gefüllt und sobald dieses aushärtet, können die Silikonfinger herausgenommen werden. Das Endergebnis sind widerstandsfähige, ergonomisch geformte Finger mit gleichzeitig äußerst weicher, glatter Oberfläche. Auch Ersatzteile wie kleinste Verbindungsstücke eignen sich für den 3D-Druck, genauer gesagt für das so genannte „reverse engineering“. Dabei werden Form und Beschaffenheit der Kleinteile kopiert und per 3D-Druck selbst hergestellt – eine sinnvolle Alternative gegenüber dem Neukauf der teilweise hochpreisigen Ersatzteile.

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Erschwingliche Lösung für komplexe Herstellungsprozesse

Tatsächlich bieten 3D-Drucker generell die Möglichkeit, die Kosten für Herstellung und Entwicklung zu minimieren. Allein die Zeitersparnis ist ein entscheidender Faktor, wenn digital konstruierte Teile innerhalb weniger Stunden gedruckt sowie anschließend getestet und optimiert werden können. Selbst Tests mit Probanden sind so problemlos möglich und deren Feedback kann unmittelbar genutzt werden, um den Prototyp anzupassen. So wurde auch die bionische Hand immer wieder optimiert, bis sowohl Entwickler als auch Patienten mit dem Endergebnis zufrieden waren. Durch das Verfahren konnten die Gesamtkosten der Herstellung insgesamt niedriger gehalten werden als bei einer rein maschinellen Fertigung. Nicht zuletzt durch die Formlabs-3D-Drucker konnte die Zugänglichkeit zu hochwertigen Arm-Prothesen insgesamt gesteigert werden: Statt 10 Prozent der Patienten können sich nun 75 Prozent solche Prothesen leisten, die ihre Lebensqualität spürbar verbessern. Auch in Hinblick auf andere medizinische Geräte und Produkte ist das Verfahren vielversprechend: Durch den 3D-Druck könnte deren Weiterentwicklung und Herstellung vereinfacht werden.

Weitere Artikel über Auftragsfertigung und Fertigungseinrichtungen finden Sie in unserem Themenkanal Fertigung.

* Der Autor: David Lakatos ist Chief Product Officer bei Formlabs.

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