Artec Eva hilft bei der Erstellung von 3D gedruckten prothetischen Gastrocnemius-Muskeln
Das Ziel: Mit einem tragbaren 3D-Scanner die Unterschenkel einer Frau scannen, um eine komfortable, tragbare Prothese für ihr verletztes Bein zu erstellen. Verwendete
Werkzeuge: Artec Eva, Solidworks, Zbrush, 3DS Max, Photoshop
Das Entwerfen einer maßgeschneiderten Prothese des Musculus gastrocnemius ist schwieriger als es zunächst erscheinen mag. Hier erfahren Sie mehr über die Prozessablauf- und Technologie-Tools, die zur Entwicklung dieses Prototyps verwendet wurden. Die Geschichte begann damit, dass ein russisches Mädchen namens Olga sich mit einer ganz speziellen Bitte an Can Touch wandte, einen russischen Online-Dienstanbieter für industrielle 3D-Drucke. Olga betreibt den Extremsport Skydiving. Leider endete einer ihrer Sprünge unglücklich und sie verletzte sich ihr rechtes Bein: Der Wadenmuskel (gastrocnemius) wurde derart beschädigt, dass sie fast ihr gesamtes Muskelgewebe verlor und ihr Bein fortan deformiert war. Olgas Selbstbewusstsein litt und sie fühlte sich nicht mehr wohl, sodass sie beschloss, eine Prothese anfertigen zu lassen, die speziell an ihr Bein angepasst werden sollte.
Beginn der Protheseherstellung
Can Touch kam auf Olga zurück und vereinbarte ein Treffen mit ihr, um zu erläutern, was für die Herstellung einer Prothese getan werden muss. Zusammen vereinbarten sie einen schrittweisen Plan:
- Beide Beine in 3D-Format scannen
- Ein 3D-Modell erstellen
- Die Prothese mit einem 3D-Drucker ausdrucken
- Die Prothese anprobieren
Scannen der Beine
Zunächst mussten beide Beine gescannt werden und hierfür eignete sich Artecs Eva ausgezeichnet. Der Ingenieur Alexander Gorodetsky nahm den Scan vor – er hatte außerdem ebenso das Gehäuse für den Scanner entworfen. Der Scan selbst musste äußerst präzise erfolgen, weswegen das Team mit äußerster Sorgfalt vorging.
Eva erwies sich als ausgesprochen einfach in der Anwendung. Der Scanner benötigt weder Kalibrierungen noch Markierungen. So kann genau gesehen werden was aufgenommen wurde und welchen Bereichen besondere Aufmerksamkeit geschenkt werden muss.
Eva erfasst und verarbeitet bis zu 2.000.000 Punkte pro Sekunde und bietet zudem eine hohe Auflösung (bis zu 0,5 mm) und Präzision (bis zu 0,1 mm). Das macht Eva zu einer idealen Lösung für das Scannen von Körperteilen.
Erstellen eines 3D-Modelles der Prothese
Diese Phase war die mühsamste und zeitintensivste. Der erfahrene 3D-Modellbauer Valery Karaoglanyan übernahm diese Arbeit. Er musste eine kosmetische Prothese mithilfe zweier Punktewolken modellieren (die Scans des gesunden Beins und des verletzten Beins) und dabei auf Olgas Bedürfnisse eingehen. Es gab keine vorgefertigte Lösung und die ganze Arbeit musste von Grund auf angegangen werden.
Der erste Schritt bestand darin, ein solides festes 3D-Modell beider Beine mit SolidWorks zu formen. Sobald dies fertig war, wurde das Modell des gesunden Beins gespiegelt; das solide Modell des verletzten Beins wurde dann anhand der Vorlage rekonstruiert und ein Freiraum wurde eingeplant, um der Haut das Atmen zu ermöglichen.
Zunächst war überlegt worden, sowohl die inneren als auch die äußeren Teile so zu modellieren, dass sie eine Gewebeoberfläche aufweisen. Olga bat allerdings darum, die äußere Schicht weich zu gestalten.
Um eine Gewebeoberfläche zu schaffen, mussten die Designer das 3D-Modell in verschiedene Programme importieren. Zunächst wurde es in ZBrush angewandt, um eine UV-Karte und ein Bodenraster zu erstellen. Das Raster wurde dann auf einer Karte in Photoshop überlagert, dann wurde das 3D-Modell zurück in ZBrush importiert. Dies stellte die Designer vor das Problem, dass sie auch die Dicke der zukünftigen Prothese bestimmen mussten; ZBrush hat keine solche Option, sodass die Designer zusätzlich 3DS Max verwendeten.
Das Team entwickelte und modellierte des weiteren 3D-Fixierungen in SolidWorks. Als diese fertig waren, wurden sie mit dem 3D-Gesamtmodell der Prothese verbunden.
Der Designer musste all seine Fähigkeiten und großen Erfindungsgeist aufbringen, um einen Algorithmus zur Erstellung der Prothese von Grund auf zu entwickeln. Letztlich erhielt das Team ein komplettes, 3D-druckbares Modell der Wadenmuskelprothese.
3D-Drucken
Das 3D-Drucken ist der letzte Schritt des Prozesses zur Erstellung einer Prothese. Das Team benutzte weißes Plastik PA 2200 (Polyamid). Dieses Material ist sehr beständig und leicht, sodass es für regelmäßig getragene kosmetische Prothesen perfekt geeignet ist. Die Technologie, die zum Erstellen solcher Objekte aus Polyamid angewandt wird, nennt sich Selektives Laser Sinterung Verfahren – dabei sintert ein Laser pulverartiges Material auf speziell selektierte Punkte.
Anprobieren der Prothese
Beim Anprobieren zeigten sich die Stärken und Schwächen der Prothese, die beim ersten Durchgang schwer auszuschließen waren. Die Fixierungen funktionierten gut und die Prothese passte sich dem Bein perfekt an, jedoch wurde es offensichtlich, dass weiches Material für die Bereiche zwischen dem Bein und der Prothese nötig war, da das Bein schwitzt und das Material eine leicht raue Struktur hat. Hätte man die äußere Gewebeschicht der Prothese wie ursprünglich belassen, so hätte sich das Belüftungsproblem wahrscheinlich von selbst gelöst – das Bein hätte die Möglichkeit gehabt zu „atmen“.
Olga ist mit der Prothese zufrieden, sie wird allerdings noch etwas Zeit brauchen, um sie in verschiedenen Situationen zu testen.
Dieses war Can Touchs erste Erfahrung mit der Modellierung einer kosmetischen Prothese. Das Team machte ein paar Fehler, musste einige Prozesse wiederholen und einige Anstrengungen erwiesen sich als überflüssig. Dennoch bewies diese Erfahrung, dass professionelle Hard- und Software in Kombination mit Ingenieurswissen ein qualitativ hochwertiges Produkt hervorbringen können – eine Prothese, eine Minifigur, ein Triebwerk – so gut wie alles!
Scanner hinter der Geschichte
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