3D-gedruckte Einlagen messen Sohlendruck direkt im Schuh

Im Spitzensport entscheiden manchmal Sekundenbruchteile zwischen Sieg und Niederlage. Um ihre Leistungen zu optimieren, nutzen Sportler:innen deshalb unter anderem massgefertigte Einlagesohlen. Aber auch Menschen mit Schmerzen des Bewegungsapparates greifen auf Einlagen zur¨¹ck, um ihre Beschwerden zu bek?mpfen.

Um solche Einlagen exakt anzupassen, m¨¹ssen Fachleute zuerst ein Druckprofil der F¨¹sse erstellen. Dazu m¨¹ssen Sportler:nnen oder Patient:innen barfuss ¨¹ber druckempfindliche Matten gehen, wo sie ihren individuellen Fussabdruck hinterlassen. Aufgrund dieses Druckprofils erstellen Orthop?d:innen dann in Handarbeit individuell passende Einlagen. Optimierungen und Anpassungen brauchen aber Zeit. Ein weiterer Nachteil: Die druckempfindlichen Matten lassen nur Messungen in einem begrenzten Raum zu, aber nicht w?hrend des Trainings oder Outdoor-Aktivit?ten.

Nun k?nnte aber eine Erfindung eines Forschungsteams der ETH Z¨¹rich, der Empa und der EPFL die Situation deutlich verbessern: Die Forschenden fabrizierten n?mlich mittels 3D-Druck eine massgeschneiderte Einlagesohle mit integrierten Drucksensoren. Damit kann der Fusssohlendruck direkt im Schuh bei verschiedenen Aktivit?ten gemessen werden.

?Man kann anhand der ermittelten Druckmuster erkennen, ob jemand geht, l?uft, eine Treppe hochsteigt oder gar eine schwere Last am R¨¹cken tr?gt. Dann verlagert sich der Druck n?mlich mehr auf die Ferse?, erkl?rt Co-Projektleiter Gilberto Siqueira, Oberassistent an der Empa und am Labor f¨¹r komplexe Materialien der ETH Z¨¹rich. M¨¹hsame Mattentests sind damit pass¨¦. Die Erfindung wurde vor kurzem in der Fachzeitschrift externe Seite Scientific Reports vorgestellt.

Ein Ger?t, mehrere Tinten

Dabei ist aber nicht nur die Benutzung, sondern auch die Herstellung der Einlagesohlen einfach. Samt den integrierten Sensoren und Leiterbahnen werden sie in nur einem Arbeitsgang und nur auf einem 3D-Drucker hergestellt, einem sogenannten Extruder.

Zum Drucken verwenden die Forschenden verschiedene Tinten, deren Rezepturen sie eigens f¨¹r diese Anwendung entwickelt haben. So nutzen die Materialwissenschaftler:innen als Grundlage der Einlagesohle ein Gemisch aus Silikon und Zellulose-Nanopartikeln.

Auf diese erste Schicht drucken sie dann mit einer leitf?higen silberhaltigen Tinte die Leiterbahnen, und auf diese an einzelnen Stellen ¨C mit russhaltiger Tinte ¨C die Sensoren. Die Verteilung der Sensoren ist dabei nicht zuf?llig: Sie werden genau dort platziert, wo der Fusssohlendruck am st?rksten ist. Um die Leiterbahnen und die Sensoren zu sch¨¹tzen, ¨¹berziehen die Forschenden diese mit einer weiteren Silikonschicht.

Eine anf?ngliche Schwierigkeit bestand darin, eine gute Haftung der unterschiedlichen Materialschichten zu erzielen. Die Forschenden behandelten deshalb die Oberfl?che der Silikonschichten mit einem heissen Plasma.

Die Sensoren sind sogenannte Piezoelemente, die mechanischen Druck in elektrische Signale umwandeln. Sie messen Normal- und Scherkr?fte. Die Forschenden haben auch eine Schnittstelle zum Auslesen der generierten Daten in die Sohle eingebaut.