3D-Scanning in der Orthopädietechnik für die generative Fertigung

Generative Fertigungstechnologien für die Orthopädietechnik

Im vergangenen Jahr wandte sich das Sanitätshaus Klinz mit seinem Anliegen an die Laserscanning Europe GmbH: „Die Integration der generativen Fertigungstechnologie in das Unternehmen“ war die selbstgestellte Aufgabe des Sanitätshauses. Für diese Aufgabenstellung hat das Sanitätshaus die Studentin Maria Köhlitz vom Fachbereich Engineering Design der Hochschule Magdeburg / Stendal engagiert, um im Rahmen ihrer Masterarbeit neue Trends und Entwicklungen auf dem weltweiten Markt ausfindig zu machen und neue Ideen umzusetzen. Dabei sollte Frau Köhlitz betrachten, welches Potential die neuen Technologien haben und welchen Mehrwert der 3D-Scan sowie 3D-Druck dem Sanitätshaus bringen.

Schon frühzeitig wurde erkannt, dass der 3D-Druck und das 3D-Scannen vor allem in der Orthopädiebranche Hand in Hand gehen. Um Erfahrungen sammeln zu können, startete das Sanitätshaus Klinz mit kleineren Projekten. Im Rahmen des Entwicklungsprozesses nahm das Sanitätshaus den Scan-Service der Laserscanning Europe GmbH in Anspruch.

Erstes Projekt: Scanning von Gipsabdrücken - Hände mit Fingerfehlbildung

Qualitätsprüfung von Scanning-Technologie und 3D-Druck für die Orthopädie

Die ersten beiden gescannten Objekte waren Gipspositive einer linken und rechten Hand eines 12-jährigen Mädchens. Sie leidet seit ihrer Geburt an einer Fingerfehlbildung der linken Hand. Anhand dieses ersten Beispiels wollte das Sanitätshaus Klinz die Möglichkeiten des 3D-Scans sowie 3D-Drucks in Bezug auf Qualität, Detail- und Maßgenauigkeit ermitteln. Dies sind wichtige Kriterien in der Branche, damit die Patienten eine einwandfreie Versorgung erhalten.

Anhand der sehr detailreichen Gipsabdrücke sollte der 3D-Scanner auf Herz und Nieren getestet werden.

 

Gescannte Gipspositive | Digitalisiertes Bild

Scanning der Gipspositive mit dem 3D-Scanner Artec Spider

Gescannt wurde mit dem Handscanner Artec Spider - ein Hochleistungsscanner, der durch die Aufnahme kleinster Feinheiten besticht.

Die Gipse wurden nacheinander auf einem Drehteller – ca. 25 cm vor dem Scanner - positioniert. Während des Scanvorgangs rotiert der Drehteller einmal langsam um die eigene Achse. Der 3D-Scanner an sich wird bei dieser Vorgehensweise nicht viel bewegt, lediglich nach oben und unten geneigt, um einen anderen Blickwinkel zu erhalten.

Bearbeitung der Scandaten in Artec Studio

Nachdem alle Daten auf den Computer übertragen wurden, begann die Bearbeitung der entstandenen Punktwolke. Die Scans wurden optimiert und zu einem Gitternetz zusammengefügt, sodass am Ende für die linke und rechte Hand jeweils eine Datei vorhanden war.

 

Angeborene Fingerfehlbildung | Digitalisierung in Artec Studio nach dem Scannen

 

Gesunde rechte Hand | Digitalisierung in Artec Studio

Qualität der Scan-Ergebnisse

Kleine Details wie Fingerabdrücke und Lebenslinien ließen sich einwandfrei erkennen. Auch die Maßhaltigkeit vom Original zur digitalen Version war nahezu identisch; kleinere Abweichungen beim Scan sowie Messfehler sind nicht auszuschließen.

 

Messfehler in Artec Studio

Scandaten als Vorlage zur Erstellung einer Silikonhand

Mit der Scan-Datei wurde anschließend in der Software Geomagic Freeform von 3D Systems weitergearbeitet. Unebenheiten, die beim Gipsen und Scannen entstanden sind, wurden entfernt. Anschließend erstellte die Studentin Maria Köhlitz eine Art Handschuh, welcher später als Vorlage zur Erstellung der Silikonhand dienen sollte. Für diesen Zweck spiegelte sie die digitalisierte gesunde Hand und positionierte die linke Hand mit Fingerfehlbildung hinein. Anhand von Booleschen Operationen ließ sich dann die linke Hand von der rechten abziehen, sodass eine Außenhülle entstand.

 

Erzeugter "Handschuh" aus der rechten Hand als Silikoneinlage für die linke Hand

Diese neu konstruierte Datei sowie die originale Scan-Datei der rechten Hand wurden zu zwei unterschiedlichen Druckdienstleistern geschickt, um sie im FDM-Verfahren drucken zu lassen. Durch die weniger hohe Druckauflösung beim FDM gingen die sehr feinen Details wie Fingerabdrücke verloren.

 

Rechte Hand im FDM-Druck | Feinere Auflösung als die weiße Hand im Vergleich

 

Zweites Projekt: Scanning von Arm und Hand zur Entwicklung einer Orthese

Herausforderung an das 3D-Scanning eines Menschen

In einem zweiten Projekt scannte Doreen Hörold, Leiterin des Magdeburger Büros der Laserscanning Europe GmbH, Arm und Hand der Studentin ein.

Diese Aufgabe brachte einige Herausforderungen mit sich: Eine Hand ist im Vergleich zum restlichen Körper eher flach, aber trotzdem unendlich detailreich. Zudem ist es nahezu unmöglich, die Hand für die gesamte Scanzeit in der Ruhestellung zu halten. Somit müssen hier mehr Scanvorbereitungen getroffen werden als beim Scan der Gipspositive. Wichtig ist es vor allem, den Arm so abzustützen, dass dieser so lang wie möglich in der gleichen Position gehalten werden kann.

Zu Beginn sollte geprüft werden, dass ein 360°-Scan möglich ist und der 3D-Scanner frei um die zu scannende Person bewegt werden kann. Ein Scanning kann mehrere Minuten dauern, je nach Schwierigkeitsgrad. Hilfsmittel zum Abstützen sollten möglichst nicht vom Scanner erfasst werden, um die Nacharbeit zu vereinfachen.

3D-Handscanner Artec Eva und Artec Spider zur Erfassung von Arm und Hand

In diesem Projekt wurden zwei verschiedene Scanner aus dem Hause Artec ausprobiert: Zum einen der Scanner Eva und zum anderen der Spider. Der Spider, geeignet für mehr Detailgenauigkeit, wurde benutzt, um die Hand sowie den Zeigefinger zu scannen. Der 3D-Scanner Artec Eva fand Anwendung beim Scan des gesamten Arms. Beide Scans waren wichtig, da diese die Grundlage für die Masterarbeit bildeten.

Der hauptsächliche Unterschied der Scanner besteht darin, dass der Spider für filigranere Objekte geeignet ist, wobei der Eva Scanner für größere, flächigere Objekte verwendet wird. Beim Scanning der Hand bzw. Finger mit dem Artec Eva Scanner würden zu viele wichtige Details verloren gehen, auf welche es in der Arbeit ankam.

Andere Scanner wurden von dem Sanitätshaus Klinz bis dato ausgeschlossen, wodurch wieder auf die Verwendung der Artec Scanner zurückgegriffen wurde.

Bearbeitung der Scan-Daten

Nachdem der Scan abgeschlossen wurde, musste die Punktwolke in der Software „Artec Studio Professional“ zu einer verwendbaren Datei zusammengefügt werden. An diesem Punkt wird gut sichtbar, ob der Arm ruhig gehalten wurde oder leicht wackelte. Die Software ist in der Lage, kleinere Bewegungen auszugleichen und ein harmonisches Gesamtbild zu errechnen. Entstandene Fehlscans können einfach entfernt werden.

 

Scans des Fingers | Sehr realistische Darstellung in Artec Studio

Umso besser der durchgeführte Scan ist, desto einfacher lassen sich gute Ergebnisse erzielen. Das Ergebnis wird nach dem Registrieren sowie anschließenden Globalisieren sichtbar - in diesem Fall war es einwandfrei. Das Aufprojizieren der aufgenommenen Texturen auf die Hand lassen diese zum Schluss noch lebendiger wirken. Der Arm wurde grau belassen.

 

Links: Arm unbearbeitet nach dem Scannen | Rechts: Geglättete Hand - bearbeitet in Geomagic Freeform

Verwendung der Scans zur Entwicklung einer Orthese

Die Scans wurden verwendet, um darüber eine Orthese zu entwerfen, welche schlussendlich in 3D ausgedruckt wurde. Anhand der durch das Scanning vereinfachten Entwicklung der passgenauen Orthese wurde bewiesen, dass der Einzug der generativen Technologie in die Orthopädiebranche an der Zeit ist.

 

Der Arm-Scan wurde verwendet, um eine maßgeschneiderte Orthese zu erstellen.

 

Mit Hilfe des Finger-Scans konnte eine sehr genaue Orthese erstellt werden.

 

Finales Ergebnis

Resümee

Der Einsatz von 3D-Handscannern, wie beispielsweise Artec Eva und Spider, ist eine gute Ergänzung zur konventionellen Herstellung in der Orthopädiebranche. Verwendet werden können die Scanner insbesondere für Sonderfälle, in denen das Eingipsen schwierig ist: Abdrücke von frischen Wunden oder Frakturen zu nehmen, ist für den Patienten sowie die Orthopädietechniker eine Belastung. Durch das kontaktlose Ablichten der Körperform durch Licht lassen sich schnellere und bessere Ergebnisse erzielen.

Die Scanner der Firma Artec wurden auf Empfehlung ausprobiert und überzeugten in der Leistung und Qualität, sodass kein anderer Scanner anderer Firmen getestet wurde. Mit der Auflösung von einem Millimeter für den Eva und mit 0,25 Millimeter für den Spider ist die Detailgenauigkeit sehr hoch. Auch die dazugehörige Software ist sehr einfach und verständlich aufgebaut und zu bedienen, sodass sich eine Investition lohnt.

Das Resümee nach einem Jahr ist, dass der 3D-Scan sowie 3D-Druck in dem Sanitätshaus Klinz Einzug gehalten haben. Schon nach kurzer Zeit wurde sich für den Kauf eines Artec Eva mit dazugehöriger Software entschieden. Vorerst wurden Patienten mit Problemen an Bein, Arm, Schulter usw. gescannt. Dafür eignen sich die Artec-Scanner optimal. Der Erwerb des Artec Spider ist geplant, um den Patienten eine breiteres Spektrum anbieten zu können. Das Unternehmen bietet weiterhin die traditionelle Versorgung an, für spezielle Einzelfälle wird aber die neue Technologie verwendet, um den Patienten schneller und besser versorgen zu können.