Weltweit sind 35 bis 40 Millionen Menschen auf Prothesen und orthopädische Dienstleistungen angewiesen. Die Firma «Project Circleg» ist ein junges und sehr erfolgreiches schweizerisch-kenianisches Unternehmen, das sich zum Ziel gesetzt hat, den Markt der Beinprothetik mit nachhaltigen, robusten und gleichfalls kostengünstigen Unterschenkelprothesen zu bereichern. «Project Circleg» begann 2018 als Studienprojekt für Industriedesign an der Zürcher Hochschule der Künste und ist heute ein preisgekröntes Start-Up-Unternehmen. Die Prothesen sind modular aufgebaut und lassen sich rasch und individuell auf einen Träger anpassen. Defekte Komponenten können bei Bedarf ausgetauscht werden. Vor etwas mehr als einem Jahr hat «Project Circleg» einen Partner gesucht, der ihnen bei der Entwicklung von sehr komplexen und hoch beanspruchten Kunststoffkomponenten behilflich sein kann. Bei der Entwicklung des Knie- als auch des Sprung-Gelenks konnte Cimcom Engineering das Projekt substanziell mit Festigkeitsoptimierung unterstützen.
Warum müssen Bauteile optimiert werden?
Damit eine Prothese mit Kunststoffkomponenten zuverlässig funktioniert und möglichst lange hält, muss sie strukturmechanisch für verschiedenste Belastungsfälle optimiert werden. Dabei kommt ein Berechnungstool zum Zuge, dass Cimcom Engineering bereits vor mehreren Jahren geschaffen und seitdem ständig weiterentwickelt hat. Das Tool eignet sich besonders für Festigkeits-Assessments von faserverstärkten und unverstärkten Thermoplasten. Auf sehr effiziente Wiese kann dabei die Lebensdauer von Bauteilen, sowohl unter statisch ruhender als auch unter zyklischer Beanspruchung, simuliert und bewertet werden. Insbesondere bei Optimierungsaufgaben ist es entscheidend, mit möglichst effizienten und wenig zeitintensiven Verfahren die einzelnen Iterationsschleifen des Berechnungsverfahrens zu durchlaufen. So lässt sich mit vergleichsweise wenig Aufwand ein Maximum an Bauteiloptimierung erreichen.
Wie kann man ein Bauteil optimieren?
Der Optimierungsprozess eines Bauteils sieht im Grunde so aus, dass man mit grossem Sachverstand, aus dem Bereich der Statik als auch in der jeweiligen Fertigungstechnologie, die Struktur sukzessive anpasst und immer wieder rechnerisch überprüft. Und wie überprüft man am besten rechnerisch eine mechanisch belastete Struktur? Mit einer sogenannten «Finite Elemente Analyse» (FEA). Bei den meisten Bauteilauslegungen liefert eine einfache Handrechnung keine hinreichend genaue Abschätzung der tatsächlichen Bauteilspannungen und Deformationen. Auch wird eine strukturmechanische Beanspruchung schwieriger von Hand abzuschätzen, wenn auch dynamische anstelle von statischen Kräften ins Spiel kommen, also wenn beispielsweise mit der Prothese auch Fussball gespielt werden soll. Für solche komplexe Beanspruchungsfälle benötigt man eine FEA.
Wie sieht so eine Berechnung aus?
Die nachstehend zwei Bilder zeigen ein bestimmtes Bauteil einer Knieprothese zu einem gewissen Zeitpunkt der Optimierung in zwei Ansichten. Dargestellt wird der Belastungsgrad unter zyklischer Beanspruchung in verschiedenen Farben (je mehr rot, desto höher ist die Beanspruchung). Aufgrund dieser Analyse und unter Ausnutzung der bestmöglichen Material-Festigkeit und Steifigkeit wurde die Knieprothese derart optimiert, dass die Bauteildeformation deutlich reduziert und die Materialbeanspruchung vergleichmässigt wird.
Auf der Abbildung sieht man ein Bauteil der «Circleg»-Knieprothese während der Gestaltoptimierung. Dargestellt ist der Auslastungsgrad unter einer zyklischen Beanspruchung. Werte >1 deuten auf eine hohe Versagenswahrscheinlichkeit hin.
Unsere Strategie, mit sehr detaillierten und gleichwohl effizienten Berechnungs- und Auswerte-Methoden die Bauteile der Beinprothese zu optimieren, ist zu 100 % aufgegangen.
Wie kann man bei komplizierten Bauteilen unterschiedliche Lastkollektiven berücksichtigen und letztendlich auch noch optimieren?
Nun, jetzt wird es etwas komplexer. Sie brauchen Experten, deren Erfahrungen, spezifische Kompetenzen und, ganz wichtig, deren erprobte Strategien zu einer gelungenen Bauteiloptimierung führen. Wie bei dem Optimierungsziel für das Bauteil, nämlich Ressourcen einzusparen, sollte auch die komplexe Optimierung beim Berechnen mit möglichst wenig Aufwand auskommen. Und genau das ist eine der Stärken von Cimcom Engineering: Maximales Ergebnis bei minimalen Kosten.
Welchen Beitrag hat Cimcom Engineering zum Erfolg der Prothese erbracht?
Bei der Entwicklung des Knie- als auch des Sprunggelenks der Beinprothese konnte CIMCOM Engineering das Projekt substanziell mit Festigkeitsoptimierungen unterstützen. Die Bauteile der «Circleg»-Knieprothese haben Ende 2023 alle erforderlichen Zulassungsverfahren erfolgreich absolviert und werden mittlerweile von sehr vielen Patienten gelobt und geschätzt. Eine Punktlandung sozusagen.
Haben Sie Fragen zum Thema «Bauteiloptimierung» an das Team von Cimcom Engineering?
