Wie wird der 3D-Druck bei den Paralympischen Spielen eingesetzt?  

Sport ist für jeden da und sollte jedem zugänglich sein, egal, welche individuellen Voraussetzungen und Einschränkungen vorhanden sind. Dennoch wird Sport oftmals mit Leistung assoziiert, und um diese zu erreichen, wird fälschlicherweise die körperliche Unversehrtheit als Grundbedingung vorweggenommen. Dass dies nicht der Fall ist, beweisen alle paralympischen Athleten, die trotz ihrer persönlichen Einschränkungen und zum Teil mithilfe technologischer Mittel – darunter auch der 3D-Druck – außergewöhnliche sportliche Leistungen erbringen und bei den Paralympischen Spielen dem breiten Publikum unter Beweis stellen.  

Tatsächlich gibt es Sport und Verbände für Sportler mit Behinderungen schon seit mehr als 100 Jahren. Einen wesentlichen Beitrag zu dem, was wir heute als Paralympische Spiele kennen, leistete Dr. Ludwig Guttmann mit der Gründung eines Zentrums für Wirbelsäulenverletzungen am Stoke Mandeville Hospital, wo er Sportwettbewerbe zur Rehabilitation verwundeter Soldaten einsetzte. Diese Stoke Mandeville Games sind die Basis der Paralympischen Spiele, welche 1984 offiziell vom IOC anerkannt wurden. “Para” leitet sich dabei vom griechischen “neben” ab und impliziert, dass Olympische und Paralympische Spiele nebeneinander existieren und ausgetragen werden.  

Die Paralympischen Spiele gehen auf die Stoke Mandeville Games aus dem 20. Jahrhundert zurück. (Bild: Simon Bruty, OIS-IOC)

Seit den Anfängen der Paralympics nehmen Athleten mit unterschiedlichen körperlichen und kognitiven Einschränkungen an den Wettkämpfen teil, die je nach Art der Einschränkung in verschiedene Gruppen eingeteilt sind. Pro Disziplin gibt es außerdem Klassifizierungssysteme, um faire Wettkämpfe zu ermöglichen. Die Athleten, die in derselben klassifizierten Kategorie antreten, müssen über ähnliche funktionelle Fähigkeiten bezüglich Bewegung, Koordination und Gleichgewicht verfügen.   

Bei den aktuell stattfindenden Paralympischen Sommerspielen Paris 2024 treten 4.400 Athleten in 22 verschiedenen Sportdisziplinen im Kampf um die Medaillen an. Es sollten die bisher größten Paralympischen Spiele werden und den Athleten ermöglichen, sich mit der internationalen Konkurrenz zu messen und dem Parasport eine Bühne zu geben. Im Rampenlicht stehen natürlich die Athleten und ihre erbrachte Leistung, dennoch bringen uns auch ihre Wegbegleiter, sprich technologischen Hilfsmittel zum Staunen. Durch moderne Technologie zeigt der Parasport mit immer mehr Innovationen und technischen Neuheiten auf, die es den Sportlern ermöglichen, über ihre Grenzen zu gehen.  

Die Paralympischen Spiele in Paris 2024 sollten die bisher größten Paralympics werden. (Bild: Olympics.com)

3D-Druck bei den Paralympischen Spielen

Der Parasport ist in unterschiedlicher Ausprägung auf technologische Hilfsmittel angewiesen. Von Rollstühlen über Prothesen bis zur Sportausrüstung unterstützt der technologische Fortschritt die Athleten beim Überschreiten ihrer Limits und der Weiterentwicklung des Parasports.  

“Sport ist die beste Medizin”, hält Heinrich Popow, ehemaliger deutscher Leichtathlet und mehrfacher Paralympic-Medaillengewinner fest und hebt im selben Zug die Bedeutung der Technologie im Parasport hervor. “Die Benutzung von Hilfsmitteln ist eine eigene Sportart”, so Popow und er spricht sich daher für eine Trennung zwischen Olympischem Sport und Paralympischem Sport aus, welcher auf technologische Hilfsmittel angewiesen ist, und so seine ganz eigenen Leistungsgrenzen und Ziele verfolgt. “Das ist das Schöne am paralympischen Sport. Man merkt, wie die Leistungsdichte immer größer wird, weil man leistungsorientierten Sport macht,” betont Popow.  

Häufig kommt zum Überschreiten der Leistungsgrenzen eine Kombination aus verschiedenen Technologien zum Einsatz. Für Paralympioniken eröffnen sich so ganz neue Sportarten und auch neue Möglichkeiten in ihrer bereits ausgeführten Disziplin. 3D-Druck etwa kann in Verbindung mit anderen Technologien – z.B. 3D-Scanning und Designoptimierung – zu mehr Ergonomie, Mobilität und Komfort beitragen und so optimale Leistung in Wettkampf und Training begünstigen. Deshalb setzen immer mehr Athleten auf die Vorteile des 3D-Drucks und im Laufe der letzten Jahre konnten wir immer mehr 3D-gedruckte Hilfsmittel bei den Paralympischen Spielen ausmachen, darunter natürlich hochmoderne Prothesen und Orthesen, aber auch Ausrüstungsteile wie ergonomische Griffe und Handschuhe in den Fahrrad- und Rollstuhlbewerben.  

Die Schweizerin Flurina Rigling bestreitet ihre Wettkämpfe bei den aktuell stattfindenden Paralympischen Spielen in Paris mit 3D-gedruckten Schuhen. (Bild: Tobias Lackner)

Die Schweizer Athletin Flurina Rigling, die bei den Paralympischen Sommerspielen 2024 in Paris mit 3D-gedruckten Schuhen in den Rad-Bewerben antritt (und am 29.08. bereits eine Bronze-Medaille erreichte), bringt die Vorteile des 3D-Drucks für Athleten auf den Punkt: “Diese Neuerung hilft mir enorm”, sagt Rigling. “Man muss sich das mal vorstellen: Früher hatte ich einen einzigen Lederschuh. Wenn der einmal nass war, musste ich ihn zuerst trocknen lassen. Jetzt sind die 3D-Drucker-Schuhe vergleichsweise schnell hergestellt und sie sind deutlich leichter als die alten. Das verändert brutal viel für mich.” 

Indem immer mehr hochleistungsfähige Materialien per 3D-Druckverfahren verarbeitet werden können, erhöht sich auch der Komfort für die Sportler. Per Multi-Material-Druck können etwa Komponenten mit weichen und harten Teilen gefertigt werden. Weitere Vorteile des 3D-Drucks sind die Individualisierung und hohe Anpassbarkeit. Zum einen können die gedruckten Objekte maßgefertigt werden und sind dann perfekt auf die jeweilige Person zugeschnitten, zum anderen können sie auch sehr schnell angepasst werden, wenn sich zum Beispiel durch eine auftretende Verletzung die Bedürfnisse der Person ändern.  

Bei der großen Bandbreite an Sporthilfen und -teilen ist es selbstverständlich, dass verschiedene 3D-Druckverfahren und Materialien zum Einsatz kommen können. Bei den Verfahren sind vor allem FDM, SLS und MJF zu nennen. Der FDM-3D-Druck wird in erster Linie für das Prototyping und für Testteile verwendet, um sicherzustellen, dass vor allem die Schäfte perfekt zu den Athleten passen (da sich ein zu enger oder zu lockerer Sitz negativ auswirken kann). Für viele Prothesen, die direkt von den Athleten verwendet werden, sind MJF-3D-Druck und SLS hingegen eine beliebte Wahl, um Hochleistungsteile für den Parasport herzustellen.

Prothesen stammen mittlerweile häufig aus dem 3D-Drucker. (Bild: Autodesk)

Damit kommen wir zu den Materialien. Wie zu erwarten, unterscheiden sich die verwendeten Materialien je nach dem herzustellenden Teil stark. Standardmaterialien für den 3D-Druck wie Nylon und ABS können verwendet werden, insbesondere für Prototypen, aber kohlenstofffaserverstärkte Materialien werden viel häufiger für Endverbrauchsteile verwendet. Dies liegt daran, dass bei Verbundwerkstoffteilen Verstärkungsfasern (einschließlich CF und GF) entweder gezielt oder kontinuierlich in eine thermoplastische Matrix eingebettet werden können. Im 3D-Druck lassen sich die Verstärkungsfasern präzise platzieren, sodass die Steifigkeit der Teile gezielt angepasst werden kann und gleichzeitig leichte Teile gedruckt werden können. Darüber hinaus wird im Parasport auch der 3D-Druck von Metallen eingesetzt. Aus Titan werden zum Beispiel personalisierte Prothesen gedruckt, die dann viel stärker sind als Standardprothesen.

Ein Beispiel dafür ist Anna Grimaldi, eine Paralympionikin aus Neuseeland, die mit einer 3D-gedruckten Titanprothese 50 Kilogramm sicher heben kann. Welche Methode und welches Material gewählt wird, hängt oft vom Einzelfall ab, da der Schwerpunkt der Sportler auf Leistung und Komfort liegt. Manchmal wird eine Kombination verschiedener Technologien (CNC, Spritzguss, 3D-Druck) verwendet, um die beste Lösung für den Athleten zu finden. Dennoch zeigen die zahlreichen Beispiele der letzten Jahre, dass der 3D-Druck bei den Paralympischen Spielen auf dem Vormarsch ist.

3D-Druck für Reparaturen vor Ort

In diesem Zusammenhang sind auch Reparaturen zu nennen. Bei jeglicher Sportausrüstung kann es durch die hohen Kräfte, äußerliche Einwirkungen, Stürze und Abnutzung zu Verschleiß, Beschädigungen und gebrochenen Teilen kommen. Der 3D-Druck ermöglicht eine schnelle Reparatur, je nach Ausmaß des Schadens auch direkt vor Ort. 

Aus diesem Grund gibt es bei den Paralympischen Spielen eine spezielle Reparaturwerkstätte, das Ottobock Technical Repair Service Center. Ottobock ist ein langjähriger Partner des Internationalen Paralympischen Komitees (IOC) und stellt seit Seoul 1988 nun auch in Paris mit seinem internationalen, 164-köpfigen Team sicher, die Athleten zu unterstützen. Neben der 720 Quadratmeter großen Hauptwerkstatt im Olympischen Dorf gibt es auch 14 kleinere Werkstätten in den Sportanlagen. In der Hauptwerkstatt befinden sich u. a. eine Schweißanlage, eine Schneiderei, eine Schusterei, eine spezielle Thermoplastenabteilung, aber auch 3D-Drucker und Handscanner sind dort zu finden.  

Das Ottobock Repair Service Center leistet diverse Reparaturarbeiten – auch mit 3D-Druckern. (Bild: 3Dnatives)

Wie beim Boxenstopp in der Formel 1 kommen die Athleten mit ihren beschädigten Teilen und Anliegen in der Werkstätte vorbei und können sich auf das Team vor Ort verlassen, um rechtzeitig mit dem ausgebesserten Material an den Wettkämpfen starten zu können. Julian Napp, Technical Director der Werkstatt in Paris und Orthopädietechnikermeister bei Ottobock, hebt die Beudeutung der modernen Technologien hervor: „Die neuen digitalen Möglichkeiten helfen uns dabei, den Athleten schneller zu helfen. Und Zeit ist sowohl für die Sportler als auch für uns Techniker bei den Paralympics ein wesentlicher Faktor. Der Erfolgsfaktor in der Werkstatt bleibt jedoch das Know-How des Teams. Kreativität, Lösungsorientierung und Erfahrung gepaart mit neuester Technik – das ist unsere Unterstützung für die Sportler.“ 

Seit Tokio 2021 nutzt Ottobock auch 3D-Drucker vor Ort, wie Peter Franzel, Head of Global Events, Exhibitions & Sport bei Ottobock in einer Pressekonferenz erklärt. In Paris stehen dem Team 3D-Drucker von Cosmyx und Markforged zur Verfügung, um Modelle und Endteile direkt vor Ort zu fertigen. Das Einsatzgebiet des 3D-Drucks ist seit Tokio gewachsen: “Wir können einen Testschaft (für eine Prothese) vor Ort drucken, scannen und anpassen. Der Testschaft ist noch bearbeitbar, wenn etwa Wucherungen, Narben etc. Berücksichtigt werden müssen. Dann wird der modellierte Schaft nochmal für die finale Form gescannt. Der Scan wird dann weitergeschickt nach Grenoble (Anmerkung: zu den französischen Ottobock-Kollegen) und im Pulverdruckverfahren gedruckt”, kommentiert Franzel auf Anfrage zu einem konkreten Einsatzbeispiel des 3D-Drucks.  

Das Ottobock Repair Service Center verfügt vor Ort über 3D-Drucker und Handscanner. (Bild: 3Dnatives)

Hauptsächlich handelt es sich bei den eingehenden Reparaturaufträgen bei Ottobock zu 56 % um Rollstühle, die restlichen Prozent bestehen aus Prothesen und Orthesen. In Tokio verzeichnete Ottobock insgesamt 2.200 Reparaturen, bei den Paralympics in Paris liegt das Repair Center mittlerweile beinahe gleich auf und wird die Marke bis zum Ende der Spiele wahrscheinlich knacken. Die Schnelligkeit und die technologische Bandbreite des Ottobock Repair Service Centers ist entscheidend für die Athleten, sodass diese bei plötzlich auftretenden Schäden am Hilfsmaterial bestmöglich versorgt sind und sich ganz auf ihre Leistung konzentrieren können.  

Wir können mit unserem 3D-Druck nicht unmittelbar an den Leistungen der Athleten teilhaben. Aber dadurch, dass wir schnell scannen, modellieren und fertigen können, können wir die Sportler auch schnell versorgen. Das trägt dann natürlich dazu bei, dass sie sich viel besser auf ihren Sport konzentrieren können und ihre Trainings wahrnehmen können. Wohingegen im Vergleich zu vorher die Versorgung der Athleten sehr aufwendig war, denn da musste man einen Gipsabdruck machen und dann noch eine Anprobe. Da sehe ich die größte Auswirkung des 3D-Drucks. – Leon Fiolka, CPO bei Ottobock  

Die 3D-Technologien bieten viele Möglichkeiten und der 3D-Druck vor Ort kommt vielen Athleten gelegen. “Felix Streng war bei uns im Repair Center und wollte einen Scan von seinem Stumpf haben”, erzählt Fiolka und fährt fort: “Er war glücklich darüber, dass wir jetzt hier vor Ort die Möglichkeit haben, seinen Stumpf zu scannen, denn er hat sich dadurch einen Flug nach Deutschland erspart. Ein anderes Beispiel für ein Erfolgsbeispiel ist ein kleines 3D-gedrucktes Ersatzteil für einen Rollstuhl, das wir konstruiert haben, damit dort die Bremse wieder funktioniert und der Sportler mit seinem Alltagsrollstuhl wieder sicher durch die Straßen fahren konnte.”  

Wie wertvoll das Repair Center mit seinen technologischen Möglichkeiten für die Athleten ist, hebt auch Heinrich Popow hervor und erzählt eine Anekdote von einem Schaden unmittelbar vor einem Wettkampf “Meine Goldmedaille in London hat auch mit dem Ottobock Repair Service zu tun. Hätte es den Repair Service nicht gegeben, hätte es mich niemals als Goldmedaillengewinner gegeben!” 

Rollstühle machen einen Großteil der Reparaturen aus (Bild: Ottobock)

Anwendungen des 3D-Drucks bei den Paralympischen Spielen 

Nun wird klar, dass der 3D-Druck häufig zur Umsetzung von Entwürfen herangezogen wird, die mit anderen Technologien nicht möglich oder im Hinblick auf die Produktionsgeschwindigkeit und die Kosten nicht rentabel wären. Prototypen und Endverbrauchsteile können mit der additiven Fertigung schnell hergestellt und Designiterationen kostengünstig umgesetzt werden. Moderne Konstruktionsmöglichkeiten ermöglichen auch die Herstellung besonders leichter Teile und eine bessere Aerodynamik.

Werfen wir nun einen genaueren Blick darauf, wie der 3D-Druck bisher bei den Paralympischen Spielen eingesetzt wurde. Generell lassen sich die 3D-Druckanwendungen im Parasport in zwei Kategorien einteilen: Prothesen/Orthesen und Hilfsmittel/Ausrüstung. Die Unterscheidung besteht darin, dass erstere in den Körper des Athleten integriert werden, während letztere  als Teil der sportlichen Ausstattung des Athleten betrachtet werden können.

Eines der ersten Beispiele für Anwendungen des 3D-Drucks bei den Paralympischen Spielen stammt von der deutschen Radsportlerin Denise Schindler bei den Paralympics 2016 in Rio. Schindler entschied sich für eine 3D-gedruckte Prothese, die mithilfe von Autodesk durch digitales Vermessen und anschließendes 3D-Drucken hergestellt wurde. Diese Prothese war dadurch bei gleicher Festigkeit 14 % leichter als andere Kohlefaserteile. Und nicht nur das, auch die Produktionszeit wurde erheblich verkürzt! Während die Herstellung einer Prothese mit herkömmlichen Methoden etwa 12 Wochen dauert, konnte die additiv gefertigte Prothese in nur 48 Stunden gedruckt werden. Schindler gewann damit sowohl Bronze und Silber und erhielt auch einen Eintrag ins Guinness-Buch der Rekorde für die erste 3D-gedruckte Prothese, die bei den Paralympischen Spielen verwendet wurde.

Mit der 3D-gedruckten Prothese fuhr Denise Schindler 2016 zu Bronze und Silber. (Bild: Autodesk)

Das ist aber noch lange nicht das einzige Beispiel. Der amerikanische Sportler Mike Shultz wandte sich dem Para-Snowboarding zu, als er nach dem Verlust seines Beins nicht mehr am Motorradfahren und extremen Snowmobilfahren teilnehmen konnte. Er benötigte jedoch eine einzigartige Prothesenhülle, die der Belastung durch intensive sportliche Aktivitäten standhält. Hier kam dann der 3D-Druck ins Spiel. Stratasys konnte bei der Herstellung einer Prothese mit zwei verschiedenen Gelenken (da Schultz‘ Bein oberhalb des Knies amputiert worden war) mit TPU 92A helfen. Es wurde nicht nur für das endgültige Teil verwendet, sondern half auch beim Designprozess, da die additive Fertigung eine schnellere Iteration ermöglicht und sicherstellte, dass die verschiedenen Anforderungen von Schultz erfüllt wurden. Am Ende konnte Mike Schultz mit der Prothese Gold und Silber bei den Paralympics gewinnen.

Auch Orthesen werden mehr und mehr in 3D gedruckt. Die lettische Rollstuhlfechterin Polina Rozkova stand auf ihrer Reise zu den Paralympics in Rio vor einer konstruktiven Herausforderung. Stratasys war jedoch in der Lage, eine maßgeschneiderte 3D-gedruckte Rückenbandage zu erstellen, die sie sowohl beim Training als auch bei Wettkämpfen verwenden konnte. Der 3D-Druck ermöglichte die Herstellung einer individuell angepassten Rückenbandage, die speziell auf ihren unteren Rücken zugeschnitten ist, um Beschwerden und Belastungen während körperlicher Aktivitäten zu verringern. Sie wurde aus Nylon 12 hergestellt, um sicherzustellen, dass es sich um ein leichtes und flexibles Teil handelt.

Neben Prothesen/Orthesen finden wir aber auch zahlreiche Beispiele für 3D-gedruckte Hilfsmittel, die Bestandteil der Ausrüstung von Paralympioniken sind, die aber nicht unbedingt in deren Körper integriert sind. Dies ist einer der Bereiche, in denen die additive Fertigung wirklich zu glänzen beginnt. So machte der deutsche Biathlet Martin Fleig 2014 Schlagzeilen, als er bei den Paralympischen Winterspielen in Sotschi mit einem 3D-gedruckten „Schlitten“ antrat. Fleig entwickelte diesen Sitz-Ski-Schlitten im Rahmen des Projekts „Snowstorm“ gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik. Das Renngerät wurde mittels 3D-Konstruktion und 3D-Druck perfekt an Fleigs Körper angepasst. Mit dem fertigen 3D-gedruckten Renngerät aus PA12 mit eingeklebten Stahldrähten erreichte Fleig Platz 9.

Martin Fleig auf seinem 3D-gedruckten „Schlitten“. (Bild: Fraunhofer IWM)

Ein weiteres Beispiel sind die 3D-gedruckten Snowboard-Bindungen für den paralympischen Snowboarder Darren Swift, der aus der britischen Armee stammt und vom Centre for Modelling & Simulation (CFMS) entwickelt wurde. Diese Bindungen wurden aus glasfaserverstärktem Nylon hergestellt und verhalfen ihm zu einem Vorsprung gegenüber seinen Konkurrenten in China 2022. Der britische Paralympionike Joe Townsend nutzte ebenfalls den 3D-Druck für maßgeschneiderte Teile seines adaptiven Rennrads, während die paralympische Parakanu-Meisterin Emma Wiggs MBE 2020 den 3D-Druck nutzte, um ein Paddel zu entwickeln, das perfekt an ihre Hände angepasst war, was zu einem neuen paralympischen Gold und einer Rekordzeit von 57,028 Sekunden in Tokio 2020 führte

Ein weiterer Trend, den wir beobachtet haben, sind 3D-gedruckte Handschuhe. Joe Townsend, Tatyana McFadden und Arielle Rausin haben mithilfe des 3D-Drucks haltbarere Handschuhe hergestellt, die sich an die Hände der Athleten anpassen lassen und je nach deren individuellen Bedürfnissen gestaltet werden können. Sie eignen sich besonders gut für den Rollstuhlsport, und McFadden wird ihre Handschuhe sogar bei den Paralympics 2024 in Paris verwenden.

Tatyana McFadden tritt bei den Paralympischen Spielen 2024 mit 3D-gedruckten Handschuhen an. (Bild: Tatyana McFadden / Instagram)

Das sollte Beweis genug dafür sein, dass der 3D-Druck langsam dazu beiträgt, den Parasport zu verändern, indem er den Athleten als Werkzeug dient, um über ihre Grenzen hinauszugehen. Da die Spiele 2024 am Sonntag zu Ende gehen, gab es noch nie eine so gute Gelegenheit, den Einsatz der additiven Fertigung im Sport zu feiern.  

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*Titelbildnachweis: Der Athlet Howie Sanbornd mit seinen 3D-gedruckten Griffen von Joe Townsend