Die Hauptfunktion der Orthese ist es, die Daumengelenke bei der Automobilmontage vor zu hoher Krafteinwirkung zu schützen. Gelenkschlitze erhalten die Beweglichkeit und Greiffähigkeit. Gleichzeitig sorgt das weiche Material für einen hohen Tragekomfort. (Bildquelle: RWTH Aachen)

Die Hauptfunktion der Orthese ist es, die Daumengelenke bei der Automobilmontage vor zu hoher Krafteinwirkung zu schützen. Gelenkschlitze erhalten die Beweglichkeit und Greiffähigkeit. Gleichzeitig sorgt das weiche Material für einen hohen Tragekomfort. (Bildquelle: RWTH Aachen)

In fast allen Industrien sind Montagevorgänge zu finden. Auch in den hochautomatisierten Industrien, wie der Automobilindustrie, sind jedoch viele Montageschritte aus wirtschaftlichen Gründen noch Handarbeit. Das führt zu einer hohen körperlichen Belastung der Mitarbeiter. Die hohe Zahl an Wiederholungen und Belastungen in ungünstigen Winkeln begünstigt das Auftreten von Muskel-Skelett-Erkrankungen (MSE). Arbeitsplätze in der Automobilendmontage erzeugen daher ein hohes Risiko, dass solche Krankheiten am Oberkörper der Mitarbeiter auftreten. Hier werden vor allem die Bereiche Rücken, Nacken, Schultern sowie Handgelenke und Hände stärker belastet. Bezogen auf die Hände treten vermehrt Strecksehnen-Verletzungen, Sehnenscheiden-Entzündungen sowie das Karpaltunnel-Syndrom auf. Diese können die Lebensqualität der Werker nachhaltig beeinträchtigen. Das Bundesministerium für Arbeit und Soziales weist mit Blick auf den Megatrend demografischer Wandel darauf hin, dass bei einer älter werdenden Belegschaft der Fokus auf dem Erhalt der Arbeitsfähigkeit liegen sollte.

Dafür empfehlen sie als zentrale Ziele gute Arbeitsbedingungen herzustellen sowie die Gesundheit der Beschäftigten zu schützen. Um diesen Erkrankungen aufgrund von Falsch- oder Überbelastung zu begegnen, wird an individuell – an den Werker und den Arbeitsprozess – angepassten Orthesen geforscht. Ein Forschungsprojekt dreht sich beispielsweise darum, den Daumen bei Einpressaufgaben zu unterstützen. Etwa beim Montieren von Schnappverbindungen. Da es sich bei den Orthesen um personalisierte Produkte handelt, eignen sich additive Verfahren wegen ihrer Flexibilität dazu, die Orthesen in kurzer Zeit herzustellen.


Bildergalerie: Geräte für die additive Fertigung

 


Montagehilfe schützt Gelenke des Werkers

Der Einsatzzweck der Orthese ist die Automobilmontage. Dort herrschen kurze Taktzeiten, hohe Wiederholungsraten, sowie hohe Qualitätsanforderungen. Daraus ergibt sich, dass die Werker schnell, repetitiv und präzise arbeiten müssen. Eine Montagehilfe darf somit den Arbeitsfluss des Werkers nicht stören, muss dennoch die repetitive Belastung abfedern, ohne aber die Arbeitsgenauigkeit einzuschränken.

Um den Arbeitsfluss nicht zu stören, darf die Montagehilfe die Beweglichkeit des Werkers nicht beeinträchtigen, keine zusätzliche Vorbereitung vor jedem Arbeitsschritt benötigen und muss angenehm zu tragen sein. Daher muss der Werker die Orthese dauerhaft und ohne Verrutschen tragen können, wofür eine Fixierung vorgesehen ist. Dies ermöglicht ein sicheres Arretieren, ohne die Beweglichkeit von Handgelenk und den übrigen Fingern einzuschränken. Außerdem muss die Orthese angenehm auf dem Daumen liegen und darf keinen Hitzestau verursachen. Im Kern der Funktionalität steht die Verminderung der Belastung und somit der Schutz der Gelenke des Werkers. Die Kraft beim Eindrücken der Bauteile soll an den Gelenken vorbei durch die Orthese geleitet werden, um die schwächeren Daumengelenke vor Verschleiß zu schützen.

Der Kraftfluss ist über eine starre Orthese hinweg möglich, jedoch muss eine Lösung gefunden werden, die zugleich die Greiffähigkeit der Hand nicht einschränkt. Abschließend muss die Arbeitsgenauigkeit sichergestellt bleiben. Der Tastsinn ist bei der Montage sehr wichtig, daher muss neben dem Erhalt der Greiffähigkeit auch eine Lösung für die Tastfähigkeit der Daumenspitze vorgesehen werden. Ebenso gilt es, das Werkstück präzise zu bewegen und zu montieren. Hierfür ist die Gestaltung der Orthesenspitze ausschlaggebend. Außerdem sollte in Betracht gezogen werden, eine Werkstückführung einzusetzen. Darüber hinaus spielt die Gesamtdicke der Orthese eine Rolle, da diese den gewohnten Arbeitsfluss beeinträchtigen kann, wenn der Werker bei jeder Bewegung den zusätzlichen Umfang der Orthese berücksichtigen muss.

Die Entwicklung der Orthese läuft daher in zwei Phasen ab: Zunächst wird ein digitales Modell der Hand des Werkers erstellt. Darauf folgt der iterative Konstruktions- und Fertigungsprozess der Daumenorthese.

Aus der mittels 3D-Scanner erfasste Hand wird eine Punktewolke errechnet. Diese wird mittels entsprechender Software noch bearbeitet, was insbesondere das Schließen von Löchern und das Erzeugen einer homogenen Oberfläche im Bereich der späteren Montagehilfe einschließt. (Bildquelle: RWTH Aachen)

Aus der mittels 3D-Scanner erfassten Hand wird eine Punktewolke errechnet. Diese wird mittels entsprechender Software noch bearbeitet, was insbesondere das Schließen von Löchern und das Erzeugen einer homogenen Oberfläche im Bereich der späteren Montagehilfe einschließt. (Bildquelle: RWTH Aachen)

3D-Scan liefert exakte Daten

Eine Hand ist wegen ihrer komplexen Form und Beweglichkeit problematisch für einen 3D-Scanner. Daher analysierten die Wissenschaftler sowohl stationäre als auch mobile Scanner-Systeme. Dabei wurde klar, dass – unabhängig vom Scanner – auf der Hand angebrachte Referenzpunkte zwar die Qualität der erzeugten Punktwolke verbesserten. Dennoch genügte sie nicht den Anforderungen. Insbesondere die Mikrobewegungen der Hand führten zu undeutlichen Aufnahmen. Eine Fixierung der Hand bei gleichzeitigem Referenzieren über die Umgebung ergab schlussendlich ein verwertbares Modell der Hand, welches mittels mobilem Scanner aufgezeichnet wurde.

Die gescannte Punktewolke wird mittels entsprechender Software noch bearbeitet. Dies beinhaltet insbesondere das Schließen von Löchern und das Erzeugen einer homogenen Oberfläche im Bereich der späteren Orthese. Ungenauigkeiten in Bereichen der nicht betroffenen Finger sowie des Unterarms sind zulässig und stören bei der späteren Konstruktion der Orthese nicht, da sie sich auf dem Bereich um den Daumen beschränkt.

Eine Polyjet-Anlage baut die Montagehilfe schließlich. Das Gerät zur additiven Fertigung kann beide, das harte (im Bild weiß) und weiche Material (schwarz), in einem Arbeitsgang verarbeiten. (Bildquelle: RWTH Aachen)

Eine Polyjet-Anlage baut die Montagehilfe schließlich. Das Gerät zur additiven Fertigung kann beide, das harte (im Bild weiß) und weiche Material (schwarz), in einem Arbeitsgang verarbeiten. (Bildquelle: RWTH Aachen)

Hart-Weich-Verbindung sorgt für Beweglichkeit

Damit die Orthese ihre Funktionen erfüllt, werden einige Gestaltungselemente in die Daumenorthese eingearbeitet. Die Beweglichkeit des Daumengrundgelenkes sowie die des Endgelenkes ermöglichen Schlitze auf Höhe der Gelenke auf der Oberseite der Orthese. Eine Aussparung auf der Unterseite des Endgliedes erhält die Tastfunktion des Daumens. Ein Steg stellt dabei die gewünschte Beweglichkeit der Orthese sicher.

Neben den konstruktiven Auslegungen ist auch die Auswahl der zu verwendenden Materialien für die Funktionalität der Orthese entscheidend. Um die gewünschte Beweglichkeit, einen hohen Tragekomfort und eine gute Kraftübertragung zu ermöglichen, besteht die Orthese aus einer Materialmischung aus einem sehr weichen und einem harten Werkstoff.

Der untere Teil der Orthese inklusive den Befestigungsbereichen sowie den Enden der Gelenkschlitze wird aus weichem Material (Tangoblackplus von Stratasys) gefertigt. Dies hat die Vorteile, dass sich die Orthese geschmeidig an der Hand anlegt, die Befestigungsbereiche flexibel sind und sich die einzelnen Gelenke bewegen lassen. Der obere Teil der Orthese inklusive der Orthesenspitze und Bauteilaufnahme bestehen aus einem harten Material (Verowhiteplus von Stratasys), das den Kraftfluss sicherstellt.

Eine Polyjet-Anlage baut die Montagehilfe schließlich. Das Gerät zur additiven Fertigung kann beide Materialien in einem Arbeitsgang verarbeiten. Nach dem Druckprozess muss die Orthese nur noch mittels Wasserstrahl vom – für den Druckprozess notwendigen – Stützmaterial befreit werden.

Schon der erste Prototyp unterstützte den Werker bei seiner Arbeit. Der harte Kunststoff verteilte beim Durchstrecken des Daumens die Kraft auf die Hand. Um den Tragekomfort und die Haltbarkeit der Orthese zu verbessern, wurden in einem weiteren Schritt Ventilationslöcher in den weichen Bereich der Montagehilfe eingebracht.


Durch die hohe Zeitreduktion bei der Herstellung kann viel früher getestet werden, ob sich ein Objekt tatsächlich so spritzgießen lässt wie vorgesehen. Auch eine Funktionsprüfung, ein früher Testlauf mit serienähnlichen Mustern, ist durch den 3D-Druck schnell möglich. (Bildquelle: shotput/pixabay.com)

Bildquelle: Shotput/pixabay.com

Marktübersicht Dienstleister der Additiven Fertigung

Die Marktübersicht enthält Auftragsfertiger, die Bauteile mithilfe von additiven Verfahren herstellen. In der Regel bieten die Unternehmen mehrere 3D-Druck-Verfahren an, darunter Fused Deposition Modeling (FDM), Lasersintern, Laserschmelzen und Stereolithografie. An Werkstoffen steht in der Regel ein breites Angebot an Kunststoffen und Metallen zur Auswahl, je nach Verwendungszweck. Dieser erstreckt sich von bloßen Modellen über funktionsfähige Prototypen bis zu vollwertigen Ersatzteilen oder Werkzeugeinsätzen.

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Montagehilfe hilft und schützt

Die Hauptfunktion der Orthese ist es, die Daumengelenke vor zu hoher Krafteinwirkung zu schützen. Die Elemente des weichen Materials stoßen bei gestrecktem Daumen aneinander und stellen somit den Kraftfluss sicher. Die geforderte Beweglichkeit und Greiffähigkeit wird durch die Gelenkschlitze sichergestellt. Gleichzeitig sorgt das weiche Material für einen hohen Tragekomfort, den die Belüftungslöcher weiter erhöhen. Die Orthese wird mittels Klettband befestigt und so ausgelegt, dass sie sich problemlos über dem Arbeitshandschuh tragen lässt. Aussparungen am Endglied des Daumens erhalten die Tastfähigkeit. Ein kleiner Anschlag an der Daumenspitze ermöglicht es, ein Bauteil zu führen, ohne den Werker in seinem Bewegungsfluss zu behindern.

Die dargestellte Vorgehensweise zur Konstruktion und Herstellung von Daumenorthesen ermöglicht eine auf jeden Werker angepasste Schutzausrüstung. Für den additiven Fertigungsprozess spielt die Varianz in den Daumen der Werker keine Rolle. Weiterer Forschungsbedarf besteht hier vielmehr in der Weiterentwicklung der Materialien und der digitalen Prozesskette. Deren aktuell noch gänzlich manuellen Schritte, wie das Scannen der Hand, dem Erstellen eines verwendbaren Daumenmodells und das Konstruieren der Orthese, müssen für eine wirtschaftliche Anwendung automatisiert werden. Erst dann kann die additive Fertigung ihre Stärken voll ausspielen. Zudem sollte die genaue Wirksamkeit verschiedener Geometrien der Orthese untersucht werden. Dafür werden Kraftmessungen diskutiert, die die Kräfte und Momente an den Daumengelenken aufzeichnen. Das ermöglicht es, die Belastungen zu vergleichen. Neben der Wirksamkeit sollte auch die Akzeptanz der Orthese seitens der Montagemitarbeiter weiter untersucht werden.

Über die Autoren

Sebastian Kawollek

ist Gruppenleiter der Fachgruppe Plastic Components des Lehrstuhls Production Engineering of E-Mobility Components (PEM) der RWTH Aachen.

Prof. Dr. Achim Kampker

ist Universitätsprofessor und Lehrstuhlinhaber des Chair for Production Engineering of E-Mobility Components (PEM) der RWTH Aachen