Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf ein Festkörpergelenk mit zwei schwenkbar um eine Drehachse angeordneten Lagerelementen sowie wenigstens zwei sich quer zur Drehachse erstreckenden Federelementen, die jeweils einseitig mit einem

Lagerelement und andererseits mit dem anderen Lagerelement in Wirkverbindung stehen.

Stand der Technik

Auf dem Gebiet der mechanischen Konstruktion existiert eine Vielzahl

unterschiedlich ausgebildeter Gelenk- und Federtypen, über die wenigstens zwei mechanische Komponenten beweglich, insbesondere dreh beweg lieh, miteinander verbindbar sind. Technische Gelenke, wie Dreh-, Schraub-, Kugel- oder

Kreuzgelenke etc., bestehen aus wenigstens zwei separat gefertigten Bauteilen, die Reibkraft-beaufschlagt miteinander in Wirkverbindung treten und somit stets einem mehr oder minder stark ausgeprägten Verschleiß unterworfen sind, der durch geeignete Schmier- oder Gleitmittel um ein bestimmtes Maß herabgesetzt werden kann. Gilt es, reibungsbedingte Verluste innerhalb technischer Gelenkkonstruktionen auszuschließen, so eignen sich hierfür so genannte Festkörpergelenke, die eine Relativbewegung zwischen zwei Starrkörperbereichen durch Biegung eines beider Starrkörperbereiche verbindenden Bereiches verminderter Biegefestigkeit ermöglichen. Insbesondere bei aus Kunststoff gefertigten Gelenkkonstruktionen werden so genannte Filmscharniere eingesetzt, die im Wesentlichen aus einer dünnwandigen Verbindung bestehen, die aufgrund ihrer Biegsamkeit eine begrenzte Dreh- oder Schwenkbewegung zwischen zwei einstückig miteinander verbundenen Teilen ermöglicht. Neben der eingeschränkten Beweglichkeit einer derartigen Gelenkverbindung können belastungs- und materialbedingte Ermüdungsbrüche auftreten, die das Gelenk irreversibel schädigen.

Unter der Vielzahl bekannter Ausbildungsformen zur Realisierung eines

Festkörpergelenkes sei auf das Prinzip sowie die konstruktive Auslegung des so genannten Kreuzfedergelenkes verwiesen. Ein derartiges Gelenk ist in der

Druckschrift US 3,142,888 beschrieben und weist zwei koaxial angeordnete und bereichsweise ineinander greifende Hohlzylinderformabschnitte auf, die

ausschließlich über quer zur gemeinsamen Zylinderachse verlaufende

Blattfederelemente miteinander verbunden sind. Die blattfederartig ausgebildeten Federelemente, von denen vorzugsweise wenigstens zwei in Kreuzstellung quer zur gemeinsamen Zylinderachse angeordnet sind, ermöglichen ein Verdrehen der beiden ansonsten lose relativ zueinander konzentrisch angeordneten

zylinderförmigen Formabschnitte um die als Drehachse ausgebildete gemeinsame Zylinderachse relativ zueinander. Die Blattfederelemente sind dabei jeweils mit beiden Blattfederenden an die Innenwände beider zylinderförmig ausgebildeter Formabschnitte gefügt. Gattungsgemäße Kreuzfedergelenke stellen weitgehend verschleißfreie Festkörpergelenke dar, die zumeist im Messgerätebau als spiel-, reibungs- und abnutzungsfreie Drehgelenke eingesetzt werden. Ergänzend sei in diesem Zusammenhang auch auf die Druckschriften DE 818 293 A sowie DE 1654489 U verwiesen. Aus der Druckschrift DE 103 30 947 A1 ist ein Kreuzfederelement zu entnehmen, dessen mechanische Belastbarkeit optimiert ist, indem zur Verbindung zweier gegeneinander verdrehbarer, zylinderartig ausgebildeter Lagerelemente, die sich kreuzenden Blattfederelemente mindestens paarweise ausgebildet sind, wobei die Enden jedes Blattfederpaares einer Seite jeweils an unterschiedlichen

Lagerelementen befestigt sind.

Neben den aus unterschiedlichen Bauteilen zusammengesetzten

Festkörpergelenken, beispielsweise nach Art eines vorstehend erläuterten

Kreuzfedergelenkes, sind auch monolithisch gefertigte Festkörpergelenke bekannt, zu deren Erläuterung stellvertretend auf die Druckschrift US 2013/0308997 A1 verwiesen wird, in der eine einstückig gefertigte Gelenkstruktur mit zwei plattenformig ausgebildeten Lagerelementen beschrieben ist, die zwei einander zugewandte Flächenseiten besitzen, zwischen denen zwei die beiden plattenförmigen

Lagerelemente jeweils einstückig miteinander verbindende, in Kreuzstellung zueinander angeordnete Blattfederelemente angeordnet sind. Über die elastisch verformbaren Blattfederelemente lassen sich beide Lagerelemente relativ zueinander um eine durch die Kreuzstellung beider Blattfederelemente vorgegebene Dreh- bzw. Schwenkachse auslenken. Zudem sind beide Lagerelemente aufgrund der

elastischen Eigenverformbarkeit der Blattfederelemente federnd zueinander gelagert.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Festkörpergelenk mit zwei schwenkbar um eine Drehachse angeordneten Lagerelementen sowie wenigstens zwei sich quer zur Drehachse des Festkörpergelenkes erstreckenden Federelementen, die jeweils einseitig mit einem Lagerelement und andererseits mit dem anderen Lagerelement in Wirkverbindung stehen, derart weiterzubilden, dass die durch die Dreh- bzw.

Schwenkbewegungen innerhalb des Festkörpergelenkes auftretenden

Materialspannungen reduziert und die damit verbundene Belastbarkeit signifikant erhöht werden kann. Darüber hinaus gilt es, ein Federgelenk anzugeben, das zusätzlich zu wenigstens einem rotatorischen federelastischen Freiheitsgrad einen orthogonal zur Drehachse orientierten gleichermaßen federelastischen weiteren Freiheitsgrad besitzt.

Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Den Erfindungsgedanken in vorteilhafter Weise weiterbildende

Merkmale sind in den Unteransprüchen sowie der weiteren Beschreibung, insbesondere unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele, angegeben.

Lösungsgemäß zeichnet sich ein Festkörpergelenk nach den Merkmalen des

Oberbegriffes des Anspruches 1 dadurch aus, dass zwischen beiden

Lagerelementen ein spiral- oder helikalformiges Federelement angeordnet ist, wobei die wenigstens zwei sich quer zur Drehachse erstreckenden Federelemente jeweils einseitig mit dem spiral- oder helikalformigen Federelement und andererseits jeweils mit einem der beiden Lagerelementen verbunden sind.

Sorgen einerseits die zwischen beiden Lagerelementen sich quer zur Drehachse erstreckenden Federelemente für eine relative Drehbeweglichkeit beider

Lagerelemente um die Drehachse, so sorgt andererseits das zwischen beiden Lagerelementen lösungsgemäße angeordnete und ausgebildete spiral- oder helikalförmige Federelement um eine zusätzliche quer zur Drehachse orientierte federelastische Lagerung beider Lagerelemente. Insbesondere verfügt das spiral- oder helikalförmige Federelement zusätzlich zu den sich quer zur Drehachse erstreckenden Federelementen über eine das gesamte Festkörperelement stabilisierende mechanische Abstützfunktion, durch die, ohne die Drehbeweglichkeit des Drehgelenkes nachhaltig zu beeinflussen, eine signifikante Reduzierung der innerhalb der einzelnen Komponenten bzw. Materialabschnitte des

Festkörpergelenkes vorherrschenden Materialspannungen erreicht werden kann. Auf diese Weise lässt sich die Belastbarkeit und somit auch die Lebensdauer des

Festkörpergelenkes erheblich verbessern.

Unter dem Begriff„spiral- oder helikalformiges Federelement" ist ein Federelement zu verstehen, dem eine durch seine Form vorgegebene Federachse zuordenbar ist, die durch die Anbringung des Federelementes zwischen beiden Lagerelementen mit der Drehachse des Festkörpergelenkes zusammenfällt oder zumindest zu dieser parallel verläuft. In bevorzugter Weise ist das Federelement helikalformig ausgebildet und weist zumindest abschnittsweise eine Federgeometrie mit konstanter oder variabler Steigung auf, die sich längs eines Mantels eines virtuellen Geradzylinders windet. Alternativ und in Abhängigkeit zur Ausbildung der Lagerelemente ist eine spiralförmige Federform denkbar, die sich zumindest abschnittsweise mit konstanter oder variabler Steigung längs der Oberfläche eines virtuellen Kegels oder

Kegelstumpfes windet. Sämtlichen„spiral- oder helikalförmigen Federelementen" im lösungsgemäßen Sinne ist gemein, dass sie sowohl eine um die Federachse bzw. Drehachse des Festkörpergelenkes orientierte als auch eine quer zur Feder- bzw. Drehachse des Festkörpergelenkes orientierte federelastische Eigenverformbarkeit besitzen, um Lastmomente, die längs eines Kraftflusses zwischen beiden

Lagerelementen des Festkörpergelenkes wirken, federnd abzufangen.

Das spiral- oder helikalförmige Federelement ist vorzugsweise in Form eines zu einer Spirale oder Helix geformten Federbandes mit einem rechteckförmigen

Federquerschnitt ausgebildet, dessen zur Federachse radiale Außenseite den Lagereiemeten zugewandt ist und an dessen Innenseite jeweils einseitig die Enden der sich quer zur Drehachse des Festkörpergelenkes erstreckenden Federelemente lokal verbunden sind. Die Ausbildung und Anordnung des spiral- oder helikalförmigen Federelementes zwischen beiden Lagerelementen ist insbesondere durch die lose Lagerung des Federelementes zwischen beiden Lagerelementen charakterisiert. Die gegenüber den Lagerelementen lose Lagerung des spiral- oder helikalförmigen Federelementes wird durch die sich quer zur Drehachse erstreckenden

Federelementen ermöglicht, durch deren Federlänge und Anordnung der

gegenseitige Abstand beider Lagerelemente festgelegt ist.

Die vorzugsweise in Form von Blattfedern ausgebildeten, sich quer zur Drehachse erstreckenden Federelemente, deren Blattfederenden einseitig direkt mit einem Lagerelement und andererseits mit dem spiral- oder helikalförmigen Federelement in Wirkverbindung stehen, stellen jeweils zweiseitig fest eingespannte Federbalken dar, die sowohl den Abstand zwischen beiden Lagerelementen als auch die Drehachse des Festkörpergelenkes vorgeben. Die jeweils beidseitig fest eingespannten, sich quer zur Drehachse erstreckenden Blattfederelemente sind in einer

Ausführungsvariante jeweils als separate Federelemente ausgebildet, die jeweils axial zur Feder- bzw. Drehachse des Festkörpergelenkes beabstandet zueinander angeordnet sind. In einer einfachsten Ausführungsform sind wenigstens zwei sich quer zur Drehachse erstreckende Federelemente erforderlich, von denen ein erstes Federelement einseitig mit dem einen Lagerelement und andererseits mit dem spiral- oder helikalförmigen Federelement und ein zweites Federelement einseitig mit dem anderen Lagerelement und ebenfalls mit dem spiral- oder helikalförmigen

Federelement verbunden sind. Auf diese Weise tritt das spiral- oder helikalförmige Federelement zwar nicht in unmittelbaren Kontakt zu beiden Lagerelementen und behält sich somit die dem Federelement zu eigenen Federeigenschaften unverändert bei, dient jedoch zugleich mittelbar als kraftübertragendes Abstützelement für Lasten, die längs eines zwischen beiden Lagerelementen verlaufenden Kraftflusses über die sich quer zur Drehachse erstreckenden Federelemente wirken.

In einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform des lösungsgemäß ausgebildeten Festkörpergelenkes nach Art eines Kreuzfedergelenkes befinden sich die wenigstens zwei quer zur Drehachse erstreckenden Federelemente in Kreuzstellung, d.h. in Projektion längs der Drehachse des Festkörpergelenkes schließen die

Längserstreckungen der im Lastfreien Zustand gerade ausgebildeten

Blattfederelemente vorzugsweise einen 90°-Winkel ein. Auch in diesem Fall können die einzelnen sich quer zur Drehachse erstreckenden Federelemente separat zueinander ausgebildet sein, gleichwohl ist es denkbar, axial längs zur Drehachse des Festkörpergelenkes angeordnete, sich quer zur Drehachse erstreckende

Federelemente im Bereich der Kreuzungspunkte miteinander zu verbinden, um auf diese Weise die Drehachse des Festkörpergelenkes räumlich und körperlich festzulegen. Konstruktionsbedingt ist die maximale Schwenkbewegung eines derartig ausgebildeten Festkörpergelenkes auf einen maximalen Drehwinkel von 90° beschränkt. Gilt es, den Drehwinkel des Festkörpergelenkes zu vergrößern, so sieht eine weitere Ausführungsform für ein lösungsgemäß ausgebildetes Festkörpergelenk eine Vorkrümmung der sich quer zur Drehachse erstreckenden Federelemente in einem unbelasteten, d.h. nicht ausgelenkten Zustand des Festkörpergelenkes derart vor, dass bei Auslenkung des Festkörpergelenkes die Krümmung der einzelnen Federelemente reduziert wird. Wie die weitere Beschreibung, insbesondere unter Bezugnahme auf ein diesbezügliches illustriertes Ausführungsbeispiel zeigen wird, sind mit der vorstehenden Maßnahme Drehbewegungen von 120° und mehr möglich.

Eine weitere Ausführungsform des lösungsgemäß ausgebildeten Festkörpergelenkes sieht eine zusätzliche Maßnahme vor, durch die die Drehbeweglichkeit des

Festkörpergelenkes in Abhängigkeit der auf das Festkörpergelenk einwirkenden Last eingeschränkt bzw. blockiert werden kann. Eine derartige Blockierung bzw. Sperrung der Gelenkfunktion kann insbesondere in Anwendung und Ausbildung des

lösungsgemäßen Festkörpergelenkes in Form eines Prothesen-Kniegelenkes von Vorteil sein. Zur Blockade der Gelenkfunktion sieht das Festkörpergelenk an dem spiral- oder helikalförmigen Federelement und/oder an den Lagerelementen einander zugewandte Strukturen vor, die bei gegenseitiger Annäherung ineinandergreifen und ein Schwenken beider Lagerelemente um die Drehachse verhindern. Derartig einander zugewandte Strukturen können in vorteilhafter Weise in Form von

Verzahnungen ausgebildet sein. Weitere Einzelheiten hierzu sowie Möglichkeiten einer entsprechenden diesbezüglichen Realisierung sind im Rahmen der

nachstehenden Illustrationen näher erläutert.

Durch die kompakte Bauform des lösungsgemäßen Festkörpergelenkes, das in besonders vorteilhafter Weise monolithisch ausgebildet ist, d.h. beide Lagerelemente sowie die dazwischen befindlichen, sich quer zur Drehachse erstreckenden

Federelemente sowie das spiral- oder helikalförmige Federelement sind einstückig gefertigt, vorzugsweise im Rahmen eines generativen Fertigungsprozesses hergestellt, beispielsweise im Rahmen des selektiven Lasersinterns, eröffnet sich die konstruktive Möglichkeit, dass wenigstens zwei Festkörpergelenke in serieller oder paralleler mechanischer Wirkweise miteinander verkoppelt werden können. Im Falle der seriellen Kopplung ist jeweils ein Lagerelement eines ersten Festkörpergelenkes fest mit dem anderen Lagerelement eines zweiten Festkörpergelenkes verbunden, so dass die Drehachsen beider Festkörpergelenke koaxial zueinander gelagert sind, d.h. zusammenfallen. Im Falle der parallelen mechanischen Kopplung sind die Lagerelemente wenigstens zweier Festkörpergelenke derart miteinander verbunden, so dass die Drehachsen beider Festkörpergelenke parallel und voneinander beabstandet gelagert sind.

Das lösungsgemäß ausgebildete Festkörpergelenk, das neben seiner

Drehbeweglichkeit über federnd gelagerte Eigenschaften verfügt, eignet sich in besonders vorteilhafter Weise für den Einsatz in der Medizintechnik. Künstliche Gelenke für Exo- und Endo-Prothesen sowie auch Orthesengelenke können mit Hilfe des lösungsgemäßen Festkörpergelenkes einem breiten Einsatzspektrum zugeführt werden, zumal insbesondere die generative Herstellungstechnik eine große

Variantenvielfalt in Bezug auf Skalierung und konstruktive Komplexität im

Gelenkaufbau ermöglicht. So können die Federeigenschaften sowie auch der Schwenkbereich, um die die Lagerelemente relativ zueinander um eine dem

Festkörpergelenk zugeordnete Drehachse geschwenkt werden können, unabhängig voneinander variabel eingestellt und aufeinander abgestimmt werden.

Die Variabilität in Hinblick auf die elastische Eigenverformbarkeit des

Festkörpergelenkes sowie auch des Schwenkbereiches lässt sich zudem durch den Einsatz verschiedenartiger Materialien, die über unterschiedliche elastische

Eigenschaften verfügen, erheblich vergrößern. Insbesondere der Einsatz moderner generativer Herstellungsverfahren ermöglicht die Verarbeitung unterschiedlicher Materialien. So ließen sich spiral- oder helikalförmige Federelemente fertigen, die abschnittsweise unterschiedliche elastische Eigenschaften aufweisen, wodurch das elastische Eigenverfornnungsverhalten individuell eingestellt und vorgegeben werden kann, um beispielsweise das Schwenkverhalten des Festkörpergelenkes, bspw. in Bezug auf einen winkelabhängigen variablen Kraftaufwand für ein Schwenken und /oder in Bezug auf eine mögliche Einflussnahme auf die räumliche Lage der Drehachse während des Schwenkvorganges, die sich bspw. längs einer Polkurve bewegt, gezielt zu beeinflussen.

Kurze Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen

Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1a, b perspektivische Ansicht sowie axiale Frontansicht eines lösungsgemäß ausgebildeten Festkörpergelenkes,

Fig. 2, 3 alternative Ausführungsformen für ein lösungsgemäßes

Festkörpergelenk,

Fig. 4a, b perspektivische Ansicht sowie axiale Frontansicht an ein

Festkörpergelenk mit vergrößertem Schwenkbereich,

Fig. 5 Darstellungen zur Illustration alternativ ausgebildeter spiral- oder

helikalförmiger Federelemente,

Fig. 6 perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels für ein

lösungsgemäßes Festkörpergelenk,

Fig. 7, 8 parallele sowie serielle mechanische Verschaltung wenigstens zweier

Festkörpergelenke,

Fig. 9 a, b Festkörpergelenk mit Blockierverzahnung gegen Schwenken,

Fig. 10 a, b alternative Ausführungsform für ein lösungsgemäßes Festkörpergelenk,

Fig. 11 a-d bevorzugte Verwendungsbeispiele für ein Festkörpergelenk sowie Fig. 12 alternative Ausführungsform für ein spiral- oder helikalförmiges

Federelement.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit

Fig. 1 a zeigt in perspektivischer Darstellung eine Ausführungsform eines

lösungsgemäß ausgebildeten Festkörpergelenkes mit zwei im Wesentlichen plattenförmig ausgebildeten Lagerelementen, einem oberen Lagerelement 1 und einem unteren Lagerelement 2, die jeweils einander zugewandte Lagerflächen 1 ', 2' aufweisen. Die Lagerelemente 1 , 2 können je nach Einsatzzweck individuell ausgestaltet sein und sind nicht auf die dargestellte Plattenform festgelegt.

Einstückig mit den Lagerelementen 1 , 2 verbunden erheben sich über die jeweiligen Lagerflächen V, 2' bogensegmentartig ausgebildete Abstützelemente 3, 4, die über dem jeweils gegenüber liegenden Lagerelement 1 , 2 zugewandt orientierte

Abstützflächen 3', 4' verfügen. In dem in Figur 1 a dargestellten Ausführungsbeispiel weisen die Lagerelemente 1 , 2 jeweils zwei in y-Richtung - siehe das in Figur 1 a dargestellte kartesische Koordinatensystem - voneinander beabstandete, ansonsten gleichförmig ausgebildete Abstützelemente 3, 4 auf. Die an den jeweils gegenüber liegenden Lagerflächen V, 2' angebrachten Abstützelemente 3, 4 sind in Bezug auf ihre gegenseitige räumliche Anordnung längs der y-Achse auf Lücke angeordnet, so dass ein spiral- oder helikalförmiges Federelement 5, in Form und Größe angepasst, zwischen den Abstützelementen 3, 4 kontaktfrei eingebracht ist. Das spiral- oder helikalförmige Federelement 5 ist ansonsten gegenüber den Lagerflächen V, 2' des jeweils oberen und unteren Lagerelements 1 , 2 lose, d.h. mit Abstand, gelagert.

Die körperliche Verbindung zwischen dem oberen Lagerelement 2, dem unteren Lagerelement 2 sowie dem zwischen beiden Lagerelementen 1 , 2 eingebrachten spiral- oder helikalförmigen Federelement 5 erfolgt über sich quer zur y-Raumachse erstreckenden blattfederförmig ausgebildeten Federelemente 61 bis 68. Die blattfederartig ausgebildeten Federelemente 61 bis 68 sind jeweils einseitig mit dem spiral- oder helikalförmigen Federelement 5 und andererseits jeweils mit einem der beiden Lagerelemente 1 , 2 verbunden, vorzugsweise monolithisch verbunden. Dabei stützt sich beispielsweise das Federelement 61 mit seinem unteren Ende unmittelbar an der Abstützfläche 3' des Abstützelementes 3 ab, wohingegen das obere Ende des Federelementes 61 unmittelbar mit dem spiral- oder helikalförmigen Federelement 5 verbunden ist. In gleicher Weise ist das in y-Richtung nächstfolgende Federelement 62 verbunden. Hingegen stützt sich das blattfederartig ausgebildete Federelement 63 mit seinem unteren Ende unmittelbar an dem spiral- oder helikalförmigen

Federelement 5 ab, wohingegen das obere Ende des Federelementes 63 mit dem oberen Abschnittselement 4 monolithisch verbunden ist. In gleicher weise stützt sich das in y-Richtung nächstfolgende Federelement 64 mit seinem oberen, nicht dargestellten Federende am oberen Abstützelement 4 ab und mit seinem unteren Federende am spiral- oder helikalförmigen Federelement 5. In entsprechender Weise erfolgt die Abstützung bzw. Verbindung der in y-Richtung folgenden blattförmigen Federelemente 66 bis 68. Die Längen der einzelnen Federelemente 61 bis 68, deren räumliche Anbringung sowie der Durchmesser des spiral- oder helikalförmigen Federelementes 5 sind derart aufeinander abgestimmt, dass zwischen dem

Federelement 5 und dem oberen bzw. unteren Lagerelement 1 , 2, jeweils ein lichter Abstand ist.

Das in Figur 1 a dargestellte Festkörpergelenk, das in vorteilhafter Weise

monolithisch, d.h. einstückig gefertigt ist, vorzugsweise unter Einsatz eines generativen Herstellungsverfahrens, verfügt konstruktionsbedingt über eine

Drehachse D, die durch die Kreuzstellung der blattfederartig ausgebildeten

Federelemente 61 bis 68 räumlich bestimmt ist.

Durch die gegenüber dem oberen und unteren Lagerelement 1 , 2 lose Lagerung des spiral- oder helikalförmigen Federelementes 5, das ausschließlich jeweils mit den einen Enden der blattfederartig ausgebildeten Federelemente 61 bis 68 monolithisch verbunden ist, sind die elastischen Eigenschaften des Festkörpergelenkes durch zwei unterschiedliche Federarten bestimmt, nämlich zum einen durch die elastische Eigenverformbarkeit der jeweils zweiseitig eingespannten, blattfederartig

ausgebildeten Federelemente 61 bis 68 sowie zum anderen durch die elastische Eigenverformbarkeit des spiral- oder helikalförmigen Federelementes 5. Insbesondere das spiral- oder helikalförmige Federelement 5 vermag einen entscheidenden Beitrag zu der Drehbeweglichkeit des Festkörpergelenkes um die Drehachse D beizutragen, der durch die bewegungsabhängige Verdrillung bzw. Aufdehnung der Spiral- oder Helikalform des Federelementes 5 eine um die

Drehachse D orientierte Kraft zu generieren vermag. Zusätzlich besitzt das spiral- oder helikalförmige Federelement 5 über eine quer zur Drehachse D orientierte elastische Eigenverformbarkeit, durch die das Festkörpergelenk zusätzlich federnde Eigenschaften erhält. Diese zusätzliche federnde Eigenschaft ist insbesondere beim Einsatz des Festkörpergelenkes im Medizinbereich, insbesondere für künstliche Gelenke, von großem Nutzen und Vorteil, wie dies im Weiteren noch näher erläutert wird.

Eine alternative Ausführungsform des in Figur 1 a illustrierten Festkörpergelenkes ist in Figur 2 dargestellt, das unter Weglassung der in Figur 1 a dargestellten

blattfederartig ausgebildeten Federelemente 62, 64, 66 und 68 ansonsten baugleich mit dem in Figur 1 a illustrierten Festkörpergelenk ist. So stützt sich das spiral- oder helikalförmige Federelement 5 des in Figur 2 illustrierten Festkörpergelenkes ausschließlich an den vier quer zur y-Achse verlaufenden Federelementen 61 , 63, 65 sowie 67 ab, die jeweils einseitig mit einem Abstützelement 3, 4 und andererseits mit dem spiral- oder helikalförmigen Federelement 5 verbunden sind.

Das in Figur 2 illustrierte Festkörperelement verfügt verglichen mit dem in Figur 1 a illustrierten Festkörperelement über eine geringere Federsteifigkeit um die

Drehachse D des Festkörpergelenkes, die parallel zur angegebenen y-Achse jeweils durch die geometrischen Mitten der Federelemente 61 bis 67 verläuft.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel zur Ausgestaltung eines lösungsgemäßen

Festkörpergelenkes ist in Figur 3 illustriert. Wieder ausgehend von dem in Figur 1 a dargestellten Festkörpergelenk unterscheidet sich das in Figur 3 illustrierte

Festkörperelement lediglich dadurch, dass die blattfederartig ausgebildeten

Federelemente 61 bis 68 nicht wie im Fall der Figur 1 a in y-Richtung separat voneinander ausgebildet sind, sondern längs der Drehachse D durch ein axial verlaufendes Verbindungsmittel 7 allesamt körperlich verbunden sind. Das stabformig ausgebildete Verbindungsmittel definiert somit körperlich die Drehachse D des Festkörpergelenkes.

Sämtlichen, in den Figuren 1 bis 3 erläuterten Ausführungsbeispielen ist gemeinsam, dass ihr maximaler um die Drehachse D erzielbarer Schwenkbereich auf 90° begrenzt ist, wie dies aus Figur 1 b hervorgeht. Dies liegt zum einen an der

Ausbildung und Anordnung der Lagerelemente 1 , 2 mit dem jeweils einstückig mit diesen verbundenen Abstützelementen 3, 4, die bei einer Maximalverschwenkung um 90° mechanisch jeweils mit dem gegenüber liegenden Lagerelement in Kontakt treten. Zum anderen ist der Gelenkwinkelbereich auf 90° auch durch die nur limitierte elastische Eigenverformbarkeit der blattfederartig ausgebildeten Federelemente 61 bis 68 begrenzt. Aus einer Grundstellung, die in den Figuren 1 a, b illustriert ist, in der die einzelnen Blattfedern 61 bis 68 kraftfrei und unverformt, jeweils eine geradlinige Form und in axialer Projektion zur Drehachse D eine 90°-Kreuzstellung einnehmen, werden die Federelemente in eine maximale Endlage geschwenkt, in der die blattfederartigen Federelemente 61 bis 68 halbkreisartig geformt sind.

Wird hingegen ein Festkörpergelenk nach lösungsgemäßer Art mit einem größer bemessenen Gelenkwinkelbereich gewünscht, so sei in diesem Zusammenhang auf ein in den Figuren 4a und 4b illustriertes Ausführungsbeispiel verwiesen. Anhand der perspektivischen Ansicht des Festkörpergelenkes gemäß Figur 4a sowie der axialen Draufsicht gemäß Figur 4b ist ersichtlich, dass die blattfederartig ausgebildeten Federelemente 61 bis 68 in der lastfreien Ausgangsstellung eine Vorkrümmung jeweils in Längserstreckung derart aufweisen, dass bei Auslenkung des

Festkörpergelenkes die Krümmung des jeweiligen Federelementes 61 bis 68 zunächst reduzierbar ist. Wird das in den Figuren 4a, 4b in seiner Ausgangsstellung gezeigte Festkörpergelenk um die Drehachse D in Uhrzeigerrichtung geschwenkt, so nimmt die Krümmung der einzelnen Federelemente 61 bis 68 zunächst ab bis ein Zustand eines geradlinigen Verlaufes jedes einzelnen Federelementes erreicht wird. Bei weiterem Schwenken des oberen Lagerelements 1 um die Drehachse D nehmen die Federelemente 61 bis 68 eine entgegengesetzt zur Anfangskrümmung orientierte Krümmung an.

Neben der im Ausgangszustand des Festkörpergelenkes vorgesehenen

Vorkrümmung längs jedes einzelnen blattfederartig ausgebildeten Federelementes 61 bis 68 sind die Ausgestaltung sowie auch Anbringung der Abstützelemente 3, 4 an den Lagerelementen 1 , 2 für einen vergrößerten Schwenkbereich gleichsam von Bedeutung. So sind die bogenförmig ausgebildeten Abstützelemente 3, 4 verglichen zur Ausführungsform gemäß Figur 1 a gegenüber der Lagerfläche V, 2' der

Lagerelemente 1 , 2 erhöht angebracht. Zudem sind die bogenförmig ausgebildeten Abstützelemente 3, 4 um 45° zur Anordnung gemäß dem Ausführungsbeispiel in Figur 1 a um die Drehachse D versetzt angeordnet, um auf diese Weise ein freies Verschwenken beispielsweise des oberen Lagerelementes 1 um die Drehachse D relativ zum unteren Lagerelement 2 in einem Schwenkbereich von wenigstens 120° zu ermöglichen.

In den Figuren 5a bis d sind alternative Ausführungsformen für eine mögliche

Ausgestaltung eines spiral- oder helikalförmigen Federelementes dargestellt. Figur 5a zeigt einen dem oberen Lagerelement zugewandt orientierten ersten

Bogenabschnitt 8 sowie einen zweiten, dem unteren Lagerelement zugewandt orientierten Bogenabschnitt 9 des spiral- oder helikalförmigen Federelementes 5, die, wie die weiteren Teilfiguren der Figur 5 zeigen werden, zu Zwecken eines

formelastischen Kraftschlusses in unterschiedlicher weise miteinander verbunden sein können. In Figur 5b dient ein geradlinig trapezförmig ausgebildeter

Verbindungsabschnitt 10 zur formelastischen Verbindung beider Bogenabschnitte 8, 9. Figur 5c illustriert eine formelastische Verbindung 1 1 über einen parallel zur Feder- bzw. Drehachse D des spiral- bzw. helikalförmig ausgebildeten

Federelementes. In Figur 5d ist der Verbindungsabschnitt 12 derart ausgebildet, so dass beide Bogenabschnitte 8, 9 in Ergänzung eine klassische Helikalform bilden. Die in Figur 5a-d illustrierten Möglichkeiten zur Ausbildung eines spiral- oder helikalförmigen Federelementes stellt eine nicht begrenzte Vielfalt an möglichen Ausgestaltungen für ein spiral- oder helikalförmig ausgebildetes Federelement dar.

Figur 6 zeigt eine alternative Ausführungsform für ein Festkörpergelenk, das über ein bogenförmig ausgebildetes oberes Lagerelement 1 ^* sowie ein bogenförmig ausgebildetes unteres Lagerelement 2 ^* verfügt. Zwischen beiden Lagerelementen 1 ^* , 2 ^* ist ein helikal geschwungenes Federelement 5 ^* angeordnet, das keinen unmittelbaren körperlichen Kontakt zum oberen und unteren Lagerelement 1 ^* , 2 ^* besitzt. Das obere Lagerelement 1 ^* ist über zwei sich kreuzende, quer zur

Drehachse D des Festkörpergelenkes verlaufende Federelemente 13, 14 mit dem helikal geschwungenen Federelement 5 ^* verbunden. Es sei angenommen, dass das Federelement 5 ^* in Art der in Figur 5 b dargestellten Federform ausgebildet ist, d.h. der in der Darstellung obere Bogenabschnitt 8 ist lediglich über den in Figur 6 sichtbaren Verbindungsabschnitt 10 ^* mit dem unteren Bogenabschnitt verbunden. Das mit dem Bezugszeichen 13 versehene Federelement ist an seinem oberen Ende mit dem oberen Lagerelement 1 ^* verbunden und zweigt sich in seiner

Längserstreckung gabelförmig auf und ist mit seinem unteren Ende bzw. seinen beiden unteren Enden monolithisch mit dem helikal geschwungenen Federelement 5 ^* verbunden. Der gabelförmige Bereich des Federelementes 13 wird durchragt von dem Federelement 14, das gleichsam das obere Lagerelement 1 ^* mit dem helikal geschwungenen Federelement 5 ^* monolithisch verbindet. In gleicher weise ist das untere Lagerelement 2 ^* über ein gabelförmig ausgebildetes Federelement 15 sowie ein Federelement 16 mit dem helikal geschwungenen Federelement 5' verbunden. Auch das in Figur 6 illustrierte Festkörpergelenk verfügt um die Drehachse D drehelastische Eigenschaften, gepaart mit quer zur Drehachse D orientierten federelastischen Eigenschaften. Das Federelement 5 ^* stellt eine weitere Raumform dar, die unter dem Begriff des„spiral- oder helikalförmigen Federelementes" zu subsumieren ist. Eine mit dem vorstehenden Festkörpergelenk vergleichbare weitere Ausführungsform ist in Figur 10 gezeigt. Zur Vergrößerung des Bewegungsspielraumes sowie auch zur Repositionierung der einem Festkörperdrehgelenk zuordenbaren Drehachse können auch mehrere Festkörpergelenke mechanisch parallel oder in Reihe miteinander gekoppelt bzw. geschaltet werden. In Figur 7 ist ein Ausführungsbeispiel, bestehend aus zwei Festkörpergelenken 17, 18, gezeigt, die parallel miteinander verbunden sind, d.h. die Drehachsen D beider Festkörpergelenke 17, 18 sind koaxial, d.h. längs einer gemeinsamen Drehachse angeordnet. Hierbei ist das untere Lagerelement 2 des ersten Festkörpergelenkes 17 über einen Verbindungsabschnitt 19 mit dem oberen Lagerelement 1 des zweiten Festkörpergelenkes 18 verbunden. Eine derartige mechanische Kopplung zweier Festkörpergelenke führt zu einem größeren

Bewegungsspielraum des Gesamtgelenkes, jedoch bleibt die zentrale Drehachse D, die sich durch die Drehachsen beider Festkörpergelenke zusammensetzt, erhalten.

In Figur 8 ist ein Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem zwei Festkörpergelenke 20, 21 mechanisch in Reihe geschaltet sind. Hierbei ist das untere Lagerelement 2 des oberen Festkörpergelenkes 20 mit dem oberen Lagerelement 1 des unteren

Festkörpergelenkes 21 verbunden. Ist die Verbindung beider Festkörpergelenke 20, 21 , wie in Figur 8 gezeigt derart ausgebildet, so dass ihre Drehachsen D in vertikaler Projektion einen Versatz Δχ aufweisen, so kann die Drehachse des Gesamtgelenkes gezielt verlagert werden. Durch diese Verlagerung bewegt sich die Drehachse des Gesamtfestkörpergelenkes bei Verdrehen des oberen Lagerelementes 1 gegenüber dem unteren Lagerelement 2 längs einer Pohlkurve.

Eine Verlagerung der Drehachse längs einer Polkurve in Abhängigkeit von der Auslenkung kann auch innerhalb eines einzigen lösungsgemäß ausgebildeten Festkörpergelenkes erzielt werden, nämlich durch geeignete Modifikation des spiral- oder helikalförmigen Federelementes, indem beispielsweise das Federelement abschnittsweise aus unterschiedlichen Federelementmaterialien gefertigt ist, die jeweils über unterschiedliche Federhärten verfügen. Derartige individuelle

Ausgestaltungsmöglichkeiten einzelner Komponenten, aus denen das

lösungsgemäße Festkörpergelenk zusammengesetzt ist, lassen sich vorzugsweise im Rahmen generativer Herstellungsverfahren, wie beispielsweise Rapid Prototyping oder Additiv Manufacturing realisieren. Insbesondere für das Anwendungsgebiet der Medizintechnik sind individuelle Ausgestaltungsmöglichkeiten von hoher Bedeutung. Die Variationsvielfalt der Gelenke in Verbindung mit der individuellen

Fertigungsweise von generativen Verfahren bildet den Grundstein von hoch innovativen Produkten, wie beispielsweise die Anfertigung patientenindividueller Exo- und Endo-Prothesen sowie auch Orthesengelenke.

Insbesondere für medizinische Anwendungen, vor allem zur Realisierung künstlicher Gelenke, kann es von Vorteil sein, wenn die Gelenkfunktion beispielsweise bei einer Überbelastung des Gelenkes blockiert wird. Figur 9a stellt eine mögliche

Ausführungsform für ein lösungsgemäß ausgebildetes Festkörpergelenk mit

Blockierfunktion dar. Hierzu sieht die Außenkontur des spiral- oder helikalförmigen Federelementes 5 eine Außenverzahnung 22 vor. Zusätzlich sehen das obere Lagerelement 1 und/oder das untere Lagerelement 2 jeweils eine dem Federelement 5 zugewandte Verzahnungsstruktur 23 vor. Solange das Festkörpergelenk nicht überlastet ist, sind beide Verzahnungsstrukturen 22, 23 durch einen Spalt getrennt und greifen nicht ineinander. Wird hingegen das Festkörpergelenk bei vertikaler Lasteinwirkung überbelastet, so kommt es zu einer elastischen Eigenverformung sowohl der blattfederartig ausgebildeten Federelemente 61 bis 68 sowie

insbesondere des spiral- bzw. helikalförmigen Federelementes 5, wodurch die Verzahnungsstrukturen in gegenseitigen Eingriff gelangen und das Gelenk

blockieren. Diese Eigenschaft kann in vorteilhafter Weise bei Prothesen-Kniegelenke genutzt werden. Eine derartige Sperrung bzw. Blockade entsteht unabhängig von der Position bzw. Auslenkung des Festkörpergelenkes, sobald eine quer zur Drehachse orientierte Last eine vorgebbare Lastgrenze überschreitet.

In Figur 9b ist eine alternative Ausbildungsform für eine derartige Gelenkblockade illustriert, bei der fest jeweils mit einem Lagerelement verbundene Strukturen 24, 25 über geeignete Außenverzahnungen 21 verfügen, die bei entsprechender

Überlastung des Festkörpergelenkes in entsprechend am gegenüber liegenden Lagerelement 1 , 2 angebrachte Gegenstrukturen in Eingriff gelangen. Ansonsten entspricht das Festkörpergelenk in Art und Ausbildung den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen.

Figur 10 a zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein Festkörpergelenk, das im Unterschied zu dem in Figur 6 dargestellten Gelenk ein zu einem vollständigen Ringschluss ergänztes helikalförmiges Federelement 5 ^** besitzt. Zwischen dem ersten und zweiten Lagerelement 1 ^* , 2 ^* ist das zu einem vollständigen Ringschluss ergänzte helikalförmige Federelement 5 ^** angeordnet, das lediglich über die quer zur Drehachse D orientierten Federelemente 13, 14, 15, 16, gleichsam wie in Figur 6, mit den bogenförmig ausgebildeten Lagerelementen 1 ^* , 2 ^* monolithisch verbunden ist. Figur 10 b zeigt das Festkörpergelenk ohne die Federelemente 13 bis 16. In dieser Darstellung ist ersichtlich, dass zwischen dem Lagerelement 2 ^* und dem

Federelement 5 ^** ein Spalt besteht, ebenso auch zwischen dem Lagerelement 1 ^* und dem Federelement 5 ^** . Ferner verfügen die Lagerelement 1 ^* , 2 ^* über eine größere radiale Erstreckung als das Federelement 5 ^** , so dass ihre über das

Federelement 5 ^** radial erhabenen Außenflächen in Wirkverbindung mit zwei um die Drehachse D relativ zueinander dreh- bzw. schwenkbaren Komponentenabschnitte treten können.

Das in Figur 10 a dargestellte Festkörpergelenk verfügt aufgrund des vollständigen Ringschlusses in der Ausbildung des Federelementes 5 ^** über eine höhere

Federfestigkeit sowohl in Bezug auf Drehungen um die Drehachse D als auch in Bezug auf quer zur Drehachse D auf das Federelement einwirkenden

Verformungskräfte. Bevorzugte Verwendungen des Festkörpergelenkes sind in den Figuren 1 1 a, b, c und d gezeigt.

Figuren 1 1 a und b, von denen Figur 1 1 b eine Teiltransparentansicht darstellt, zeigen jeweils eine Fußprothese mit einem Fußgelenk 26, das über zwei parallel geschaltete Festkörpergelenke 27 und 28, jeweils nach Art des in Figur 10 a gezeigten

Festkörpergelenkes, verfügt. Das Fußgelenk 26 verbindet einen oberen

Prothesenfußteil 29 mit einem unteren Prothesenfußteil 30, die beweglich um die Drehachse D des Fußgelenkes gelagert sind. Hierbei sind die radial erhabenen Aussenflächen der bogenförmig ausgebildeten Lagerelemente mit dem oberen bzw. dem unteren Prothesenfußteil 29, 30 fest verbunden.

Die Figur 1 1 c zeigt eine Ellenbogenorthese, die jeweils eine an den Oberarm O und an den Unterarm U angepasste Orthesenschale 33, 34 aufweist, die beide über ein Festkörpergelenk 35 gelenkig miteinander verbunden sind. Das Festkörpergelenk 35 ist nach einem der vorstehenden Ausführungsbeispiele, vorzugsweise in Art eines in den Figuren 1 bis 4 illustrierten Festkörpergelenkes, ausgebildet. Mit Hilfe der Ellenbogenprothese kann das Ellenbogengelenk unterstützt oder entlastet werden. Auch eine teilweise Einschränkung der Beweglichkeit ist durch spezielle Geometrien oder Sperrungsmechanismen innerhalb des Festkörpergelenkes möglich. Durch eine starke Federung des Festköpergelenkes wäre zudem ein Trainingseffekt möglich. Selbstverständlich lässt sich das der Ellenbogenprothese zugrundeliegende

Orthesenprinzip durch entsprechende Form-Abwandlung der Orthesenschalen auf andere Körpergelenke übertragen, z.B. Hüftgelenk, Handgelenk, Kniegelen,

Sprunggelenk oder Schulter.

Die Figur 1 1d zeigt eine Prothesenhand 36, an der gelenkig ausgebildete

Fingerelemente 37 angebracht sind. Die Prothesenhand 36 sitzt endseitig an einem Armstrumpf A auf. Längs der Fingerelemente 37 sind zu Zwecken einer Nachbildung der natürlichen Fingerbeweglichkeit Festkörpergelenke 35 unterschiedlicher Größe und Ausprägung nach Art der vorstehend beschriebenen Festkörpergelenke angebracht. Die Festkörpergelenke 35 können optional mit geeigneten Aktoren, bspw. Seilzugaktoren, kombiniert werden, um eine aktive Beugung und Streckung der einzelnen Fingerelemente 37 zu initiieren.

Figur 12 zeigt ein helikalförmiges Federelement 5, das längs zu dessen Steigung zwei benachbarte Federabschnitte unmittelbar miteinander verbindende

Verbindungsstege 31 , 32 vorsieht. Durch die Verbindungsstege 31 , 32, die einzeln oder gemeinsam vorgesehen sein können, erfährt das Federelement eine erhöhte Federsteif ig keit sowohl in Federlängsrichtung als auch in torsionaler Richtung um die Federachse 33. Das dargestellte Federelement kann in allen lösungsgemäß erläuterten Festkörpergelenken eingesetzt werden.

Bezugszeichenliste

oberes Lagerelement

unteres Lagerelement

', 2' Lagerfläche

,4 Abstützelemente

' ,4' Abstützflächen

, 5 ^* spiral- oder helikalförmiges Federelement1 bis 68 balkenförmiges Federelement

Verbindungsmittel

erster Bogenabschnitt

zweiter Bogenabschnitt

0 trapezförmiger Verbindungsabschnitt1 balkenförmiger Verbindungsabschnitt2 helikaler Verbindungsabschnitt

3,14,15,16 Federelement

7 Festkörpergelenk

8 Festkörpergelenk

9 Verbindungsabschnitt

0 Festkörpergelenk

1 Festkörpergelenk

2 Außenverzahnung

3 Verzahnungsstruktur

4, 25 Struktur

6 Fußgelenk

7, 28 Festkörpergelenk

9 oberes Prothesenfußteil

0 unteres Prothesenfußteil

1 , 32 Verbindungssteg

3, 34 Orthesenschale

5 Festkörpergelenk 36 Prothesenhand

37 Fingerelemente A Armstumpf

O Oberarm U Unterarm