Bohren wie die Holzwespen

Um Löcher zu bohren, kennen Techniker bislang nur eine Methode: Sie lassen ein Werkzeug rasch rotieren, wie es jeder Heimwerker von seiner Bohrmaschine kennt. Doch es geht auch anders. Oliver Schwarz hat sich in der Natur umgeschaut, denn die Bionik ist sein Spezialgebiet. Er leitet beim Stuttgarter Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA die Gruppe »Bionische Medizintechnik«. Bei den Hautflüglern ist er fündig geworden. Viele Arten von Holz- und Schlupfwespen bohren bis zu vier Zentimeter tiefe Löcher ins Holz, um ihre Eier abzulegen. Da ihnen Rotationen nicht möglich sind, raspeln sie die Hohlräume überaus trickreich aus dem Stamm. Wenn man ihren Legestachel genau unter die Lupe nimmt, erkennt man, dass er eigentlich aus drei separaten Raspeln besteht, die sich unabhängig voneinander bewegen können. Eine Art Leitschiene sorgt dafür, dass die Chitin-Teile beieinander bleiben. Beim Bohren bewegt sich das Raspel-Trio in einem ausgeklügelten Wechselspiel vor und zurück und frisst sich dabei ganz von selbst ins Holz. Techniker sprechen vom Pendelhubprinzip. Während sich der eine Teil bewegt, verklemmt sich der andere im Loch und sorgt so für den nötigen Halt. Auf diese Art muss das Tier den filigranen Stachel nicht andrücken, wie es etwa bei einer Bohrmaschine nötig ist.

© Fraunhofer IPA Bohren wie die Holzwespen – von den Holzwespen abgeschaut: Ein neuartiger Bohrer soll Chirurgen dabei helfen, Hüftprothesen einzusetzen.

Diese Bohrtechnik bietet gegenüber der herkömmlichen Methode erhebliche Vorteile. Vor allem ist sie nicht auf runde Löcher beschränkt. Da nichts rotiert, lassen sich Löcher mit beliebigem Querschnitt erzeugen. Man muss nur die Form der Raspeln entsprechend anpassen. Wählt man etwa ein Dreieck oder Rechteck, würde ein Dübel viel besser halten, weil er nicht durchdrehen kann. Man könnte sogar ganz auf Dübel verzichten und stattdessen den Bohrkopf im Loch stecken lassen und anschließend mit einem Stift oder einer Schraube spreizen. Und wenn man auch noch die Hohlräume im Legestachel nachahmt, die Holzwespen brauchen, um ihre Eier durchzuleiten, könnte man beim Bohren sogar Flüssigkeiten ins Loch drücken, etwa Öl oder – bei medizinischen Anwendungen – Medikamente. Und noch ein Vorteil: Weil ein Pendelhub-Bohrer kaum angedrückt werden muss, könnte man ihn selbst im Weltall oder unter Wasser nutzen, wo es schwierig ist, eine große Gegenkraft aufzubringen. Auch das Bohren über Kopf würde seine Schrecken verlieren. »Ich möchte, dass unser Bohrer irgendwann im Baumarkt zu haben ist«, sagt Schwarz deshalb. Für harten Stahl eignet er sich momentan zwar nicht, denn darin kann seine Spitze nicht eindringen. Und ohne Ansatz können die Raspeln erst gar nicht loslegen. Aber viele Spezialanwendungen sind denkbar, etwa das Bohren in Gasbeton oder in Hohlblocksteinen. Herkömmliche Bohrer haben Probleme, wenn sie auf Hohlräume stoßen, weil das ganze Gerät dann durch den großen Anpressdruck ruckartig nach vorne schnellt.

Vorerst hat Schwarz aber ein ganz anderes Einsatzgebiet gefunden, das zu seinem Fraunhofer-Arbeitsfeld passt. Er und sein Team möchten den Orthopäden das Implantieren von künstlichen Hüftgelenken erleichtern. Knochen eignen sich wegen ihrer porösen Struktur besonders gut für den Raspelbohrer. Jedes Jahr lassen sich allein in Deutschland etwa 200 000 Patienten ein neues Hüftgelenk einsetzen. Dazu wird im Oberschenkelknochen ein passgenaues Loch mit einem rechteckigen Querschnitt gebohrt. Bei dieser Knochenarbeit ist große Präzision nötig, denn die meisten Implantate müssen ohne Zement auskommen, damit sie länger halten. Hohlräume dürfen nicht entstehen. Trotz der hohen Anforderungen arbeiten die Chirurgen bisher weitgehend von Hand, wobei ihnen ein Satz Raspeln mit unterschiedlichen Querschnitten zur Verfügung steht – ein zeitraubendes und fehleranfälliges Vorgehen.

Das Team um den Bioniker Schwarz hat nun ein pneumatisch betriebenes Gerät nach dem Pendelhubprinzip entwickelt, das den Ärzten das Bohren erheblich erleichtern und die Präzision erhöhen würde. Die Stuttgarter haben sich dabei eng mit Fachmedizinern abgestimmt, um deren Bedürfnisse berücksichtigen zu können und das optimale Design zu finden. Der handliche Apparat trägt den Namen »Sirex®« nach dem Gattungsnamen der Holzwespen, ein Patent wurde erteilt. Ein erstes Funktionsmuster hat gezeigt, dass man mit der Technik problemlos in Knochen bohren kann, aber auch in Holz oder Gasbeton. Schwarz: »Das geht rein wie Butter.« Ein pneumatisch angetriebener und zwei weitere elektrische Bohrer sind aufgebaut worden um in verschiedene Materialien zu bohren. Noch fehlt ein Partner aus der Industrie, um den innovativen Knochenbohrer in seiner endgültigen Form bauen zu können.

Die Natur ist der beste Erfinder, schließlich hatte sie Jahrmillionen Zeit, um ihre Methoden zu optimieren. Um von ihr lernen zu können, meint IPA-Experte Schwarz, brauche man nicht nur offene Augen. »Man muss noch staunen können.« (Klaus Jacob) 

Weitere Informationen finden Sie unter: https://www.ipa.fraunhofer.de/de/Branchenloesungen/medizin–und-biotechnik/schwerpunkte/medizintechnik.html

Fachliche Ansprechpartner
Dr. rer. nat. Oliver Schwarz | Telefon +49 711 970-3754 | oliver.schwarz@ipa.fraunhofer.de

Verfasst von Fraunhofer IPA

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