Projekt:
Praxisprojekt und Bachelorarbeit
Studentin:
Johanna Pohlen
Studiengang:
Sport- & Rehatechnik
Zeitraum:
Sommersemester 2021
Optical measurement and modelling of a conventionally manufactured whole-leg orthosis with the objective of reverse engineering
Ziel dieser Bachelorarbeit war die erfolgreiche Vermessung und anschließende 3D-Modellierung einer Ganzbeinorthese. Aufbauend auf den Erkenntnissen des vorausgehenden Praxisprojektes „Parameteroptimierte Vermessung einer Ganzbeinorthese mittels Lichtschnittverfahren“ wurde die Orthese mittels eines Messgerätes der Firma Nikon Metrology, bestehend aus dem Koordinatenmessarm MCAx20+ und dem Laserscanner ModelMaker MMDx200 vermessen. Eine in dem vorangehenden Praxisprojekt abgeschlossene Messparameterkonfiguration bestimmte dabei die Einstellung der beiden innerhalb der Messung wichtigen Parameter Laserleistung und Laserbelichtung in der Scanning-Software Focus. Nachdem die Vermessung der Orthese abgeschlossen war, wurde diese mit Hilfe der Software PolyWorks modelliert. Schlussendlich wurden die modellierten Flächen nach CATIA exportiert und in CAD-Modelle umgewandelt. Die verwendete Ganzbeinorthese wurde von einer Patientin von Kersting – Das Sanitätshaus in Trier bereitgestellt und besteht aus einem Fußheber, einer Unterschenkel- und einer Oberschenkelschiene, die jeweils mit Gelenken miteinander verbunden sind. Zu der weiteren Ausstattung der Orthese gehören Klettverschlüsse, Riemen und Schnallen, um das Bein der Patientin optimal fixieren zu können. Diese benötigt die Orthese zur Stabilisierung ihres Beines, welches sich, durch eine im Alter von drei Jahren aufgetretene Kinderlähmung, nicht vollständig ausbilden konnte.
Die auf die Messparameterkonfiguration des Praxisprojektes aufbauende Vermessung der Ganzbeinorthese verlief problemlos. Die Messung wurde auf einem Schweißtisch in der Maschinenhalle der Hochschule Trier durchgeführt, welcher eine sichere Basis für die mittels spezieller Schraubzwingen an den Tisch befestigten Ganzbeinorthese sowie dem Messgerät bieten konnte. Die an der Orthese befestigten Klettverschlüsse, Riemen und Schnallen wurden entsprechend der Geometrie der Orthese abgeklebt und stellten somit keine störenden Faktoren während der Messung dar. Diese wurde schlussendlich mit einer Laserleistung von 75% und einer Laserbelichtung von 20% durchgeführt. Außerdem wurde die Ganzbeinorthese für die Messung mit dem binnen vier Stunden sublimierenden Scanningspray AESUB blue eingesprüht, damit ihre reflektierenden Stellen kein Hindernis darstellen können.
Die bei der Messung entstandenen Punktwolken des Fußhebers, der Unterschenkel- und der Oberschenkelschiene wurden anschließend in die Software PolyWorks importiert, in welcher die drei Bestandteile der Ganzbeinorthese ohne Probleme modelliert werden konnten. Die drei Elemente der Orthese wurden dabei einzeln modelliert, da sie durch zwei im Modell unerwünschte Gelenke miteinander verbunden sind und man diese somit aus dem Modell entfernen kann. Dieser komplette Modellierungsvorgang wurde in einer Anleitung anhand des Fußhebers der Orthese beschrieben. Die Schritte beinhalten dabei den Export der Punktwolke von Focus nach PolyWorks, die Vernetzung der Punkte zu einem Polygonmodell, das anschließende Glätten des Polygonmodells, das Löschen von Elementen, das Schließen von Löchern, die Rekonstruktion des Netzes, die Analyse des Polygonmodells, die Erstellung von NURBS-Flächen sowie schließlich der Export nach CATIA. Zudem werden die Ergebnisse des Modellierungsprozesses übersichtlich zusammengefasst.
Innerhalb der Arbeit wurde neben der kostenpflichtigen Software PolyWorks auch die kostenfreie Software GOM Inspect Suite anhand der Modellierung des Fußhebers getestet. Allerdings stellte sich dabei heraus, dass der Import der Punktwolke des Fußhebers in GOM Inspect Suite ab einem Limit von 200 zu importierenden Elementen nicht mehr durchführbar war. Nach einer Ladezeit von über einer Stunde auf einem leistungsstarken Laptop ist die Software auch nach mehreren Versuchen immer wieder abgestürzt. Somit war eine mit PolyWorks vergleichbare Modellierung nicht möglich.
Es wird festgehalten, dass der Prozess beginnend mit dem Vermessen der Ganzbeinorthese in Focus, über das Modellieren in PolyWorks bis zu dem Erstellen der CAD-Modelle in CATIA erfolgreich durchgeführt werden konnte. Die Punktwolken in Focus konnten die Geometrie der Orthese optimal darstellen. Der Modellierungsprozess in PolyWorks konnte aufgrund der abgeklebten Klettverschlüsse, Riemen und Schnallen und aufgrund der im Praxisprojekt abgeschlossenen Messparameterkonfiguration reibungslos umgesetzt werden. Im Anschluss daran konnten schlussendlich die gewünschten CAD-Modelle ungehindert verwirklicht werden
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