Band 1 von Orthopädie und Rehatechnik. Werkstofftechnik, Textilschweißen, Hochfrequenzkleben und bionische Greifsysteme


Forschungsarbeit, 2020

51 Seiten


Leseprobe

Inhaltsverzeichnis:

1. Werkstoff-Technik - Schlüssel für Innovationen der Orthopädie- und Rehabilitationstechnik
Material technology – key for innovations in the orthopedic- an rehabilitation technology
- Werkstofftechnik
- Werkstoffeinsatz in der Orthopädiemechanik und Rehatechnik (Deutschland)
- Metallische Hohlkugeln und Hohlkugelstrukturen
- Anwendung von Textilien

2. Textilschweißen: Thermisches Fügen und Verbinden von Textilien für Orthopädie- und Medizintechnik
Textile welding: Thermal joining and connecting for orthopedic and medical technology
- Grundwissen der Thermofügetechnik
- Systematik der Textilschweißverfahren
- Indirekte Schweißtechniken für Textilien
- Direkte Schweißtechniken: Ultraschall und Hochfrequenz
- Thermokleben von Textilien

3. Hochfrequenzkleben von funktionell ausgerüsteten Bandagenmaterialien
High frequency gluing in functionally finished orthopedic supports
- Zielvorstellung
- Einführung: Ausrüstungstrends
- Hochfrequenzerwärmung zum Kleben
- Methoden und Ergebnisse
- Schlussfolgerung

4. Greifsysteme in Natur und Technik
Gripping systems in nature and technology
- Grundprobleme der Greiftechnik
- Greifsysteme der Natur
- Roboter – technische Greifsysteme
- Bionische Greiferoptimierung

ORTHOPÄDIE – REHATECHNIK

- Werkstofftechnik
- Textilschweißen
- Hochfrequenzkleben
- Bionische Greifsysteme

Wörth am Main – Germany

April 2020

Vorwort

Durch lange Studien-, Forschungs- und Praxistätigkeit sind eine Reihe von Kongress- vorträgen, Berichten und Vorlesungen entstanden, die nunmehr zusammenfassend veröffentlicht werden. Es soll dem Nachwuchs und auch den Fachleuten ein Überblick gegeben werden über einige technische und wirtschaftliche Sondergebiete, die sonst nur aufwendig zusammenzutragen sind und bei mir immer wieder nachgefragt werden.

Meine Zitierungen und Benennungen in Fachliteratur und Schutzrechten sind sehr zahlreich geworden, was die Relevanz und Wichtigkeit der Themen aufzeigt.

Die vorliegenden Beiträge sind nur leicht überarbeitet wiedergegeben und im Satz vereinheitlicht, und sollen bewusst auch die historischen Bezüge verdeutlichen zur Abgrenzung zum Stand der Technik.

Dipl.-Ing. Reinhard Bäckmann B.A.(Univ.)

Werkstofftechnik - Schlüssel für Innovationen der Orthopädie- und Rehabilitationstechnik

Material Technology - key for Innovations in the Orthopedic and Rehabilitation-Technology

(Vortrag zum Weltkongress Orthopädie + Reha-Technik Leipzig 2002)

Themen:

- Werkstofftechnik
- Werkstoffeinsatz in der Orthopädiemechanik und Rehatechnik (Deutschland)
- Metallische Hohlkugeln und Hohlkugelstrukturen
- Anwendung von Textilien

Werkstofftechnik

Beim Thema "Werkstofftechnik in der Orthopädie- und Rehatechnik" kommt man nicht umhin, einen kurzen Rückblick anzustellen, denn die klassischen Werkstoffe der früheren Orthopädiemechanik waren jahrhundertelang die in der Natur verfügbaren Werkstoffe

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Holz und Leder

(Bild: IUBäckmann)

sowie später

– Metalle und Textilien
– Papier und Pappe.

Diese werden auch heute noch in größeren Menge eingesetzt insbesondere in der Produktion von

– Serienkonstruktionen
– Modulelementen und nicht zuletzt auch in der
– Maßkonstruktion, die in Zukunft noch an Bedeutung gewinnen wird durch
– die immer individuellere orthopädische Problematik jedes Patienten und seiner speziell verordneten Therapie oder Prävention.

Seit einigen Jahrzehnten gewinnt auch der Einsatz von

– Glas und Keramik
– Kunststoffen und Gummi
– sowie Chemiewerkstoffen an Bedeutung durch die
– intrakorporalen Verwendung als Implantate
– und extrakorporalen Anwendung in der Rehatechnik und Orthopädie, z. B. bei Orthesen, Prothesen und Bandagen.

Es bietet sich deshalb im Moment ein breites Spektrum an Werkstoffen, die in der Orthopädie- und Rehatechnik zum Einsatz kommen, in nachfolgender wertmäßiger Verteilung (Jahr 2000).

Werkstoffeinsatz in der Orthopädiemechanik und Rehatechnik (Deutschland)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Besonders dynamische Bereiche sind

– Kunststoffe in Folien und Halbzeugform sowie in Verbunden und Schaumstoffen als Polster, Energieabsorber,
– chemische Werkstoffe wie Klebstoffe, Lacke, Emulsionen und Gels zur effektiven Applikation,
– Leichtmetalle wie Aluminium, Speziallegierungen und Metallschäume
– und besonders die modernen Textilien als Vliesstoffe, Maschenwaren und Textilverbunde, die besonders durch neue Faserentwicklungen an Bedeutung gewonnen haben - Stichwort: intelligente Textilien.

Hochinteressant sind die

– sonstigen Werkstoffe, die statistisch nicht gut erfassbar sind wie bionische Werkstoffe und biokompatible Werkstoffe, die jedoch hochinnovative Eigenschaften aufweisen.

Das Schlüsselwort heißt ohnehin schon einige Zeit

– Innovation, d. h. Erneuerung.

Dies bedeutet jedoch nicht nur

– Produktinnovation, sondern auch Prozessinnovation und damit in letzter Konsequenz auch Werkstoffinnovation.

Diese Begriffe sollen zur Verdeutlichung mit Bespielen in Verbindung gebracht werden, die dafür charakteristisch sind.

Typische Produktinnovation sind Kunstgelenke, bestehend aus Titan-, Keramik- und Polymerwerkstoffen. Für dauerhafte Implantate werden Werkstoffe mit verbesserter Biokompatibilität mit anwendungsspezifischen Eigenschaften wie Oberflächenrauigkeit, Festigkeit, Härte und Leichtigkeit benötigt. Lösungen bieten sich hier an durch

– neue Schaum- oder Kugelmetalle oder Strukturkeramik sowie Gelenkkapseln aus Fluor bzw. Silikonkunststoffen mit niedrigen Reibungskoeffizienten.

Metallische Hohlkugeln und Hohlkugelstrukturen

Hochporöse metallische Strukturen zeichnen sich durch Eigenschaftskombinationen aus, die in dieser Form kaum mit anderen Materialien erreicht werden können. So ist es möglich, bei einer geringen Dichte solche Eigenschaften wie z. B. Festigkeit und Duktilität sowie weitere physikalische Kenngrößen (z. B. Wärmeleitfähigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Dämpfungsverhalten, Temperaturbeständigkeit usw.) anwendungsgerecht einzustellen.

Beispiele für hochporöse Werkstoffe sind Bienenwabenstrukturen und Schäume aus Polymeren, Textilien, Metall oder Keramik. Aus metallischen Hohlkugeln ausgebaute Strukturen stellen eine neue, interessante Variante dieser leichten Materialien dar. Die Dichte der Hohlkugelstrukturen kann in weiten Grenzen variiert werden. Der Hohlkugeldurchmesser und die Hohlkugelschalendicke sind neben dem Werkstoff die bestimmenden Parameter durch Dotierung des Grundwerkstoffes kann dabei eine weitgehende Anpassung an verschiedene Betriebsbeanspruchungen erfolgen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

WERKSTOFF-ENTWICKLUNG

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(Bild: IUBäckmann)

Anwendung von Textilien

Textile Materialien und faserverstärkte Kunststoffe werden für vielfältige Stützfunktionen und Prothesenfunktionen eingesetzt sowie bei Heilbehandlungen, bei neuropathischen Erkrankungen, für Rheumapatienten oder Diabetiker.

Auch in der Orthopädie werden spezielle textile Erzeugnisse, z. B. textile Futter- und Einlagestoffe für Therapieschuhe oder zur Abdeckung und Polsterung oder für Kompressionsstrümpfe verwendet. Bei chronischen Wirbelsäulen, und Knieerkrankungen finden sie als Miederstützkorsetts, Leibbandagen oder Haltungen, z. B. "Halskrausen", Verwendung.

Eine künstliche Beinprothese muss leicht, ihre Länge einstellbar und das Gelenk gut schwenkbar sein. Hier springen Faserverbundwerkstoffe ein, die aus geflochtenen oder gewebten textilen Halbzeugen bestehen, da diese die Anforderungen "geringes Gewicht" und "Stabilität" sehr gut erfüllen können.

Prozessinnovationen bieten neue Textilmaterialien an aus Polypropylengestrick, die elastisch, aber auch thermoplastisch sind und sich thermisch verformen und schweißen lassen mit Hochfrequenz oder Ultraschall und Laser, und damit im Herstellungsprozess erheblich Kostenvorteile bieten.

Werkstoffinnovationenin breiter Front sind in der Experimentierphase wie

– Mikrokapseltechnologien, die in die Polymere oder Textilien Kapseln einlagern, die mit Wirkstoffen oder Phasenwechselmaterialien gefüllt sind und dann automatische Medikation erlauben oder thermischen Komfort von Orthesen und Prothesen verbessern,
– oder auch elektrisch leitende, halbleitende oder mit Piezo- und Glasfasern ausgerüstete Werkstoffe, die sensorische Fähigkeiten haben, um mechanische Beanspruchung in Prothesen oder Alterung und Abnutzung zu diagnostizieren.
– In der Entwicklung sind auch Legierungen und Polymere mit 3-D-Formgedächtnis und Strukturremanenzen, die sich teilweise selbst reparieren können, auch auf bionischer Basis.

Letztere Werkstoffe suchen jedoch noch nach ihrem Produkteinsatz.

Die Werkstofftechnik in der Orthopädie- und Rehatechnik vollzieht also in den nächsten Jahrzehnten einen schnellen Wandel von der

– passiven, lediglich adaptiven Materialpalette
– zu den aktiven, sich fast biologisch verhaltenden Werkstoffen.

Dies wäre sicher ein eigenes Thema.

Bionische Prothesen und Orthesen aus der Retorte sind wohl noch nicht zu erwarten - aber erhebliche Umstrukturierungen in der Orthopädiemechanik und Rehatechnik mit Komfort- und Therapievorteilen zum Nutzen der Patienten.

– Die Werkstofftechnik in Orthopädie und Rehabilitation ist deshalb eine wichtige Aufgabe und zugleich eine Schlüsselinnovation der Zukunft.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(Bild: IUBäckmann)

Literaturnachweis:

1.) Hohlbaum: Der medizinische Kompressionsstrumpf. Schattauer Verlag Stuttgart- New York, 1987
2.) O.V.: Statistisches Bundesamt: Material- und Wareneingang "Produzierendes Gewerbe". Verlag Metzler-Poeschel, Stuttgart, April 2001
3.) Bäckmann, R.: Seminar "Technische Textilien - Technische Konfektion". Okt. 2001, Heimbuchenthal
4.) O.V.: MaTech - Neue Materialien für Schlüsseltechnologien des 21. Jahrhunderts. Jahresbericht 1999/2000. Bundesministerium Bildung u. Forschung. Berlin

Textilschweißen: Thermisches Fügen und Verbinden von Textilien für Orthopädie- und Medizintechnik

Textile welding: Thermal joining and connecting for orthopaedic and medical technology

(Vortrag Weltkongress Orthopädie- und Reha-Technik, Leipzig Mai 2004)

Stand: Januar 2004

Themen:

- Grundwissen der Thermofügetechnik
- Systematik der Textilschweißverfahren
- Indirekte Schweißtechniken für Textilien
- Direkte Schweißtechniken: Ultraschall und Hochfrequenz
- Thermokleben von Textilien
- Zusammenfassung

Grundwissen der Thermofügetechnik

Mit einer gewissen Regelmäßigkeit tauchen immer wieder Slogans auf wie:

- Schweißen ersetzt Nähen
- Neue Ultraschallnähmaschine entwickelt
- Hochfrequenzschweißen ohne PVC
- Naturfasern schweißbar durch Gentechnik
- das war so in den 60er Jahren, in den 70er Jahren, den 90ern, und zurzeit - auch wieder einmal.

Während jedoch früher das Textilschweißen fast immer in die Sackgasse führte, da zu hohe Erwartungen geweckt wurden, stehen heute die Vorzeichen günstiger. Ähnlich wie bei der Entwicklung des Kunststoff-Schweißens, bedingt durch den Einsatz von Thermoplasten in Kompaktform oder als Beschichtung oder Folie, gibt es immer mehr schweißbare Textilfasern am Markt, die als Grundwerkstoff fast die gesamte Palette der Thermoplaste und Thermoelaste umfassen, die als Textilien in Orthopädie- und Medizintechnik eingesetzt werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(Bild: IUBäckmann)

So gibt es beispielsweise beim thermischen Trennen eine Möglichkeit, die Schnittkanten sofort mit zu verschweißen, das thermische Fügen erzeugt flächig geschlossene oder teiloffene Verbindungen und vermeidet die gewisse Undichtigkeit der Nähnähte.

Die grundlegende Idee des Textilschweißens und Thermofügens gegenüber dem Nähen ist also,

– punktförmige Nahtspannungen, mechanische Vorschädigung und Stichlocheffekte und Nahtöffnung zu vermeiden.

Man muss also die Frage aufwerfen:

– Nähen, Textilschweißen oder Thermokleben - welche Fügemethode ist bei welchem Fasermaterial richtig?

Die thermischen Fügetechnologien für Textilien und Textilverbundstoffe haben, vereinfacht gesprochen, etwas mit Temperatur und Wärme zu tun. Bekanntlich sind die meisten Bestandteile der Textilstoffe Fasermaterialien, die auf Wärme in besonderer Art und Weise reagieren - vielfach negativ. Die Orientierung und damit die Festigkeit und Elastizität textiler Fasern sind unmittelbar nach der Flächenbildung und Ausrüstung maximal bzw. optimal ausgebildet. Eine zusätzliche thermische Behandlung bedeutet daher in der Regel eine mehr oder weniger weitgehende Verschlechterung der Eigenschaften. Je nach Anwendung ist die Wärmeeinwirkung auf die Textilien mehr oder weniger konzentriert bzw. lange fortzusetzen.

Temperaturbereiche am Beispiel eines teilkristallinen Faserstoffs

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Temperatur T

ET: Erweichungstemperatur FL: Fließtemperatur

KT: Kristallitschmelztemperatur ZT: Zersetzungstemperatur

(Bild: IUBäckmann)

Bei den textilen Fügetechnologien ist Schweißen besonders interessant. Es wird wie folgt definiert:

Schweißen ist das Vereinigen von Werkstoffen in der Schweißzone unter Anwendung von Wärme und/oder Kraft ohne oder mit Schweißzusatz. Es kann durch Schweißhilfsstoffe, z. B. Pasten, Pulver oder Folien ermöglicht oder erleichtert werden. Die in der Schweißzone wirkende Arbeit wird von außen oder innen durch Energieträger zugeführt. Es müssen dabei keine gleichartigen Faserstoffe sein, da nur eine Mischung in der Schmelze gefordert wird, die jedoch nur bei gleichem Schmelzbereich möglich ist.

Bei mikroskopischer Betrachtung sind jedoch viele Textilschweißverbindungen keine Schweißungen im Sinne der Norm und es ist sinnvoll, nach

- Stoffschluss, also Schweißen,
- molekularen Kraftschluss, dem thermischem Kleben und Fixieren,
- Strukturschluss, dem Vulkanisieren und
- Formschluss, dem thermoplastischen Verankern zu gliedern; hinzu kommt noch der
- Diffusionsschluss, was man als "Textillöten" bezeichnen kann.

THERMISCHES FÜGEN FÜR TEXTILIEN / TEXTILVERBUNDSTOFFE

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(Bild: IUBäckmann)

Bei allen ist das objektive Kriterium die unterschiedlichen Verbindungsmechanismen, die in der Fügezone wirken. Diese können auch noch in Kombinationen untereinander auftreten und beeinflussen so die Verbindungsqualität.

Systematik der Textilschweißverfahren

Das Prinzip einer Schweißung von thermoplastischen Werkstoffen ist dadurch gekennzeichnet, dass diese durch Wärmeeinwirkung bis in den thermoplastischen Bereich erhitzt werden. Dabei haben die Moleküle eine solche Beweglichkeit erreicht, dass sie mit bisher nicht anwesenden Molekülen, z. B. eines anderen Fügeteils, eine Verbindung eingehen können. Durch Druckeinwirkung werden diese Moleküle der sich berührenden Oberflächen dicht zusammengedrängt und bilden eine fast homogene Verbindungszone. Da mit der Druckeinwirkung eine Abkühlung verbunden ist, nimmt mit der Temperatursenkung die Beweglichkeit der Moleküle so ab, dass sich der Werkstoff wieder im thermoplastischen Bereich befindet mit der neuen, festen Verbindungsstelle der gefügten Teile.

Der thermoelastische Bereich ist der allgemeine Verwendungssektor, in dem die Textilien ihre Festigkeits- und Gebrauchseigenschaften entfalten. Nur im thermoplastischen Bereich ist das Fügen nach dem Schweißverfahren möglich. Für die geforderten Verwendungseigenschaften sind die Werkstoffe in diesem Temperaturbereich nicht mehr einsetzbar, da frühere Fügestellen bei Belastung wieder zerstört werden können. Die Schmelz- und Zersetzungspunkte liegen temperaturmäßig meist dicht beieinander, sie dürfen beim Schweißen oder Thermofügen nicht erreicht werden.

Temperaturbereiche einiger thermoplastischer Werkstoffe

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1) vom Anteil und der Art des Weichmachers abhängig
2) weiterhin gebrauchsfähig bei höherer Festigkeit und geringerer Dehnung

Wie kommt nun die Schweißwärme in konzentrierter Form an die Verbindungsstelle?

Die Physik bietet hier an die

Wärmeübertragung als indirekte Erwärmung sowie die
Wärmeerzeugung direkt im Material bzw. Textil.

Es gibt drei Arten der Wärmeübertragung: Wärmeleitung, Wärmemitführung (Konvektion), Wärmestrahlung. Sie treten stets mehr oder weniger gemeinsam auf.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

(Bild: IUBäckmann)

Wärmeleitung

Bei der Wärmeleitung, z. B. durch ein Heizelement oder Heizkeil, wird die Wärme durch die Bewegung der Moleküle, die sich gegenseitig anstoßen, durch den Körper geleitet. Die Wärmeleitung ist ein Ausgleichsvorgang, dabei geht von der Stelle mit höherer Temperatur zu der mit niedrigerer Temperatur ein Wärmestrom über und zwar abhängig von der Wärmeleitfähigkeit des Textils - viele Textilien sind aber schlechte Wärmeleiter bzw. sogar Wärmedämmstoffe. Es wird deshalb im allgemeinen mit hohen Temperaturen geschweißt mit Heizelementen, lediglich bei dünnen Textilien, die niedrigschmelzend sind, reichen niedrige Temperaturen aus. Die Wärmeleitung ist ein molekularer Vorgang.

[...]

Ende der Leseprobe aus 51 Seiten

Details

Titel
Band 1 von Orthopädie und Rehatechnik. Werkstofftechnik, Textilschweißen, Hochfrequenzkleben und bionische Greifsysteme
Autor
Jahr
2020
Seiten
51
Katalognummer
V540829
ISBN (eBook)
9783346166388
ISBN (Buch)
9783346166395
Sprache
Deutsch
Schlagworte
Werkstofftechnik - Textilschweißen - Hochfrequenzkleben - Bionische Greifsysteme
Arbeit zitieren
Reinhard Bäckmann (Autor), 2020, Band 1 von Orthopädie und Rehatechnik. Werkstofftechnik, Textilschweißen, Hochfrequenzkleben und bionische Greifsysteme, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/540829

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