Hydrostatische Aufbiss-Schiene im Space Puzzle Molding-Verfahren hergestellt

Wieder kraftvoll zubeißen

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Damit Patienten wieder kraftvoll zubeißen können, entwickelte ein Kieferorthopäde eine neue Aufbiss-Schiene. Die Vorserienteile entstanden im Space Puzzle Molding-Verfahren. Patiententests zeigen: Material und Konstruktion wurden den mechanischen Anforderungen gerecht. Die Schiene hält über vier Wochen Kräfte bis 200 Kilo aus.

Die Autorin Beate Ziehres ist freie Journalistin in USA-Hixson und erstellte den Beitrag für das Ingenieurbüro Laich, Uttenreuth, sowie die Protoform K. Hofmann GmbH, Fürth-Hardhöhe

Soforthilfe und Heilung bei Kiefergelenkbeschwerden verspricht die hydrostatische Aufbiss-Schiene „Aquasplint“, die derzeit im deutschsprachigen Raum vorgestellt wird. Ihr Erfinder, der Erlanger Kieferorthopäde Dr. Aladin Sabbagh, beauftragte knapp ein Jahr vor der Markteinführung das Ingenieurbüro Laich mit der Umsetzung der Idee. Protoform war maßgeblich an der Realisierung beteiligt. Per Space-Puzzle-Molding entstanden Vorserien-Teile, die für Patiententests eingesetzt wurden.
Hart und weich wächst miteinander
Im Falle des Aquasplint kombinierte Laich eine harte Komponente mit einer weichen: „Beide wachsen miteinander. Macht die eine einen Schritt, wächst die andere ebenfalls um einen oder zwei Schritte.“ Er ließ zuerst Prototypen im Stereolithografie-Verfahren herstellen und wandte sich anschließend an Protoform.
In Fürth wurde die feste Komponente der Schiene hinsichtlich der Herstellbarkeit im Spritzgussverfahren optimiert. Nach weiteren Änderungen gab Laich schließlich das Serienwerkzeug in Auftrag. „Jeder Entwicklungsschritt hat seine Berechtigung“, sagt Wolfgang Tykvart, Leiter Marketing bei Protoform. Hans Laich stimmt dieser Aussage zu: „Mit Blick auf die Produktoptimierung war der Zwischenschritt über das Space Puzzle Molding-Verfahren sehr sinnvoll.“
Im Space Puzzle Molding (SPM)-Verfahren entstanden auch die Trägerteile für die ersten, voll funktionsfähigen Aufbiss-Schienen, die von ihrem Erfinder für Patiententests eingesetzt wurden. Der Kieferorthopäde behandelt mit dem Aquasplint die meist schmerzhafte Kiefergelenkserkrankung CMD. Sie kommt bei etwa 10 % der Gesamtbevölkerung vor, rund 3 % werden als behandlungsbedürftig eingestuft. Der hydrostatisch arbeitende Aquasplint führt sofort zur Entspannung der Kau- und Kopfmuskulatur sowie zur Entlastung der Kiefergelenke.
Eines der wichtigsten Ergebnisse der Patiententests ist für Hans Laich neben dem Beweis der therapeutischen Wirksamkeit die erwiesene Belastbarkeit. Material und Konstruktion wurden den mechanischen Anforderungen gerecht. „Die Schiene sollte Kräfte bis 200 Kilo aushalten und das schafft sie, vier Wochen lang“, sagt Laich. „Schließlich macht es einen Unterschied, ob ich ein Bauteil gleichmäßig mit 200 kg belaste, oder ob ich mit den Zähnen darauf beiße“, erklärt der.
Prototypen wie Serie aus Originalmaterial
Die Prototypen wurden wie die Serie aus dem Originalmaterial Polycarbonat im Spritzguss gefertigt. Polycarbonat fungiert als Trägerkomponente für die weichen, mit Flüssigkeit gefüllten Kissen. Das Material weist die erforderliche Steifigkeit und Stabilität auf für den medizintechnischen Verwendungszweck. Ein weiteres Kriterium war die Anforderung, Silikon auf die Unterseite des Trägers aufzubringen. Die weichbleibende Unterfütterung bildet die individuelle Zahnstruktur des Patienten als Negativ ab. Für die Anpassung benötigt der Zahnarzt etwa 5 min. Mit der Idee, die Schiene unverrückbar zwischen Ober- und Unterkiefer einzulegen, hebt sich Aquasplint damit von bisher bekannten Schienen ab.
In den Kissen aus Ethylenvinylacetat (EVA) befindet sich Glycerin. „Wasser würde durch die Wand diffundieren, wenn man lange darauf beißt, Glycerin nicht“, erklärt Hans Laich. Zudem verfügt Glycerin über trägere Fließeigenschaften, die Flüssigkeit dämpft also besser. „Wir haben durch die frühen Tests an Patienten qualitativ hochwertige Ergebnisse erhalten, wie wir sie mit Prototypen aus anderen Herstellungsverfahren nie bekommen hätten“, sagt Laich.
Mit der Fertigung der Prototypen bei Protoform verfolgte Hans Laich jedoch zusätzliche Ziele. Ihm ging es darum, die Herstellbarkeit im Serien-Spritzguss-Verfahren zu bestätigen und das Design fertigungsgerecht optimieren zu lassen. Problempunkte waren die Wandstärke, die Verbindungtechnik zwischen Flüssigkeitskissen und Schiene sowie eine Klemmvorrichtung. „Diese Klemmung und damit die maßliche Größe des Hinterschnitts ist ein winziges Detail der Schiene, das man zwar theoretisch auslegen kann. Aber was nach dem Abkühlen der Teile an Schwindung auftritt, ist nicht zu 100 Prozent vorhersehbar“, so Laich. Auch Wolfgang Tykvart sieht hier hinsichtlich der Feasibility bei der Serie ein wichtiges Kriterium. Das Bauteil war an dieser Stelle hinterschnittig. „Das heißt, hier ist keine einfache Entformung möglich. Die Gefahr besteht auch, dass das Teil beim Entformen deformiert wird“, erklärt er. Es zeigte sich bei der Anwendung, dass auf den Hinterschnitt in der Serie verzichtet werden konnte, was die Kosten wesentlich reduzierte.
Protoform optimiert die von Kunden entwickelten Bauteile hinsichtlich der spritzgießtechnischen Verarbeitung oder entwickelt Bauteile selbst im CAD. Aus den Daten werden die Formwerkzeuge generiert und nach der Umwandlung in CNC-Maschinenprogramme im hauseigenen Werkzeug- und Formenbau angefertigt. Dem Formenbau folgt der Spritzgießvorgang. Die mehrteilige Form wird von Hand oder mit Hilfe eines Handling-Gerätes in den Formenträger eingesetzt. Space Puzzle Molding kann so auf Schieber, Auswerfer-Einrichtungen und andere Werkzeugmechanismen verzichten.
Anguss von innen nach außen verlagert
„Das Werkzeug von Protoform ist deutlich günstiger als ein konventionelles Vorserienwerkzeug. Schon allein durch die Erkenntnis, dass der Anguss von innen nach außen verlagert werden sollte, hat sich der Zwischenschritt über Protoform gelohnt“, sagt Hans Laich. Bei der Verlagerung des Angusses ging es in erster Linie um mehr Komfort für den Patienten. „Hintergrund ist, dass sich die Zunge innen daran stören könnte. Der Anguss wird ja nur abgetrennt und nicht nachgearbeitet. Das ist außen unkritisch“, sagt Laich.
Die Herstellung der Prototypen im Spritzgussverfahren war Laich auch aus fertigungstechnischen Gründen wichtig. Erst anhand der von Protoform gefertigten Teile wurde festgelegt, wie das Flüssigkeitskissen auf der Trägerkomponente zu befestigen ist. Im Hause Laich liefen sowohl Versuche, Nietverbindungen herzustellen als auch das Kissen einzukleben. Zufrieden war man jedoch mit keinem der beiden Lösungsansätze. Daher ergänzte man die Konstruktion um ein unterhalb des Trägers liegendes Gegenstück, das aus dem weichen Material des Kissens besteht. Durch die im Träger vorhandenen Durchbrüche wird diese Folie an das Kissen geschweißt. Erst im Serienwerkzeug wurden Form und Lage der Durchbrüche dem Verfahren entsprechend angepasst. „In diesem Fall wurde nach dem Festlegen des endgültigen Designs kein Prototyp mehr gebaut. Das Bauteil ging also mit den Änderungen direkt in die Großserie“, bestätigt Wolfgang Tykvart. Durch die im Haus gefertigte Vorserie wurden Teile-Geometrie und Wandstärken bestätigt. Die geringe Wandstärke des zu fertigenden Trägerteils von 0,4 mm stellte eine besondere Herausforderung für Protoform dar. „Bei der Bemusterung der ersten Teile waren wir gerade grenzwertig mit der vollständigen Füllung“, erinnert sich Tykvart. Nach Absprache mit Laich war es notwendig, die Wandstärke vorerst in der Nähe des Angusses um 0,1 mm zu erhöhen. Im Serienwerkzeug erhöhte der Auftraggeber die Wandstärke generell um 0,1 mm. Doch Laich weiß auch um die Bedeutung einer möglichst geringen Wandstärke. „Es geht auch hierbei um den Tragekomfort. Da sollte wirklich soviel Material wie möglich gespart werden. Zudem ist Polycarbonat in dieser geringen Wandstärke biegsamer.“
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