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Fallstudien zur Medizinbranche

Mithilfe von 3D-Druck können Leben gerettet werden

Ob beim Kampf gegen Diabetes oder bei den „magischen Armen“ der kleinen Emma – Mediziner nutzen 3D-Druck, um Leben zu retten und die Gesundheit zu fördern.

Erfahren Sie, wie engagierte Mediziner mithilfe des 3D-Drucks Innovationen hervorbringen, Schwierigkeiten überwinden und effizienter arbeiten.

Hauseigenes Rapid Prototyping halbiert die Entwicklungsdauer für medizinische Geräte und beschleunigt die Markteinführung

3D-Druck des Biorep-Teils 1

Biorep Technologies ist ein OEM der Medizinbranche, der sich hauptsächlich mit der Entwicklung von Geräten befasst, mit denen ein Heilmittel gegen Diabetes gefunden werden soll. Biorep verfügt über eine Partnerschaft mit dem weltbekannten Diabetes Research Institute in Miami und möchte erschwingliches Zubehör zum Isolieren von Inselzellen anbieten, damit die Technologie so vielen Forschungszentren wie möglich zur Verfügung steht.

Engineering Director Felipe Echeverri und R&D Engineer Andres Bernal sind die Leiter des Entwicklungsteams von Biorep. Seit der Gründung des Unternehmens im Jahre 1995 wurden die Prototypen in einer Werkstatt gefertigt. Gelegentlich arbeitete Biorep mit externen Anbietern zusammen, die Prototypen kleinerer Teile für die Entwurfsprüfung fertigten.

Zuwachs bei Rapid Prototyping-Projekten führt zur Suche nach eigenem 3D-Drucker

2007 waren die Produkte von Biorep kompakter und anspruchsvoller geworden, sodass Echeverri und Bernal häufiger die Fertigung von Prototypen für Kleinteile outsourcen mussten. Die Stückzahl erreichte einen Punkt, an dem es wirtschaftlich sinnvoll war, eine eigene Rapid Prototyping-Maschine anzuschaffen.

“Damals fehlte es Biorep an einer kostengünstigen Methode zur Fertigung von Prototypen”, erinnert sich Echeverri. “Das Outsourcen der 3D-Druck-Modelle war häufig teurer und nicht viel schneller als die Fertigung im eigenen Unternehmen. Wir wussten, dass die Produktivität deutlich steigern würde, wenn wir Bauteile über Nacht in unserem Büro fertigen könnten. Daher begannen wir, 3D-Drucksysteme zu begutachten.”

Entscheidung für den Objet Eden250 aufgrund der Benutzerfreundlichkeit und Oberflächenbeschaffenheit

3D-Druck eines Biorep-Teil 2

Biorep hatte folgende Kriterien für einen eigenes 3D-Drucksystem: Genauigkeit, Benutzer- und Wartungsfreundlichkeit, Oberflächenbeschaffenheit und Preis. “Zumeist prüfen wir anhand der Prototypen Konzepte, Passung, Form und Funktion, bevor wir die Werkzeuge für den Spritzguss in Auftrag geben – daher war uns die Genauigkeit besonders wichtig”, so Echeverri. “Wir gingen jedoch auch davon aus, dass wir mit eigenen Kapazitäten doppelt so viele Prototypen herstellen konnten. Da wir über ein kleines Team verfügen, waren Benutzerfreundlichkeit und Zuverlässigkeit ein weiterer entscheidender Aspekt.”

Biorep entschied sich letztlich für den Objet Eden250 3D-Drucker – ein kleineres System, dass den perfekten Einstieg in die Welt des hochwertigen Rapid Prototyping ermöglicht. Es macht die marktführenden Vorteile der patentierten PolyJet™-Technologie von Objet für fast alle Design- oder Fertigungsbetriebe verfügbar. Der Eden250 ist eine Komplettlösung zur Fertigung beliebiger Geometrien – einfach, schnell, sauber und kostengünstig. Die mit dem Eden250 gefertigten Modelle sind glatt und langlebig, verfügen über präzise Details und eine außerordentliche Oberflächenbeschaffenheit. Das kompakte und kostengünstige System verfügt über ein absolut sauberes Verfahren, das sich ideal für gewöhnliche Büroumgebungen eignet. Anders als einige andere 3D-Drucksysteme passt es durch eine gewöhnliche Tür und lässt sich einfach und schnell in Betrieb nehmen.

“Der Eden250 passte ideal zu unseren Anforderungen”, so Echeverri. “Er ist bürotauglich, sauber, benutzerfreundlich, einfach zu warten und liefert präzise Teile mit hervorragendem Oberflächenfinish.”

Dank eigenem Rapid Prototyping sechs Monate kürzere Entwicklungszeit für neue Produkte

3D-Druck eines Biorep-Teil 5

Echeverri berichtet, dass das der Eden250 seinem Team zu besseren Entwürfen und einer kürzeren Markteinführungszeit verholfen hat.

Eines der neuesten Projekte, bei dem beide Vorteile ins Spiel kamen, ist das von Biorep zum Patent angemeldete „Pinch Manifold“. Laut Bernal verwenden medizinische Labors herkömmlicherweise zum Auswerten von Flüssigkeiten ein Quetschventil, um zu verhindern, dass die Flüssigkeiten im Silikonschlauch mit der Ausrüstung in Kontakt kamen. Quetschventile werden ihrem Namen gerecht und bilden einen Quetschverschluss für den Schlauch. Sie neigen jedoch zur Überhitzung und erfordern einen bestimmten Leitungsdruck. Sie sind nicht sonderlich zuverlässig und äußert kostspielig. Bei einem Stromausfall können sich die Quetschventile unerwartet öffnen und die Flüssigkeit freigeben.

Das wichtigste Gerät von Biorep erfordert 32 kontaktfreie und zuverlässige Quetschventile. Die handelsüblichen Quetschventile waren untauglich, sodass sich das Biorep-Team zur Entwickelung eines eigenen entschloss.

Das Ergebnis, das „Pinch Manifold“ von Biorep, verfügt über eine Reihe von Nocken und Motoren, mit denen die Flüssigkeiten in verschiedene Kanäle geleitet werden, die den kontaktfreien Eigenschaften herkömmlicher Quetschventile entsprechen. “Unser „Pinch Manifold“ ist eine neue Methode, Flüssigkeiten ohne jeglichen Kontakt mit den Ventilteilen zu indizieren”, so Bernal. “Die Flüssigkeiten kommen lediglich mit dem austauschbaren Silikonschlauch in Berührung. In einer sterilen Laborumgebung ist es sehr wichtig, die Kontaminierung der Ausrüstung durch die jeweilige Flüssigkeit – häufig Blut oder Bakterien – zu vermeiden. Daher ist ein kontaktfreies Ventil entscheidend.”

Außerdem sagt Bernal: “Das System kann auf beliebig viele Kanäle erweitert werden. Daher ist es bedeutend effizienter als ein herkömmliches Quetschventilsystem, das in der Regel nur für einen Kanal geeignet ist. Und da es mechanisch und nicht elektromagnetisch funktioniert, ist es ausfallsicher. Bei einem Stromausfall bleibt es in Position.”

Bernal begann mit Entwürfen zu experimentieren, für die jeweils mit dem Eden250 Prototypen erstellt wurden. “Wir erkannten schnell, dass wir es mit etwas ganz Großem zu tun hatten”, so Echeverri. “Wir präsentierten dem Management einen Objet-Prototypen, der uns sehr dabei half, das Konzept zu verkaufen. Wir erhielten umgehend das OK für die weiteren Arbeiten.”

“Für den Erfolg dieses Projekts war es absolut entscheidend, dass wir eigene Prototypen fertigen konnten”, so Bernal. “Zunächst einmal konnten wir Teile ohne Rücksicht auf die Verarbeitungseinschränkungen entwerfen, was unsere Denkweise beflügelte – wenn wir eine neue Idee hatten, konnten wir sie sofort entwickeln, drucken und testen. Zweitens konnten wir in sehr kurzer Zeit und kostengünstig viele Prototypen fertigen und daher viele Tests durchführen. Auf diese Weise konnten wir sehr früh einige funktionale Probleme erkennen und beheben, die für das Projekt zu einem späteren Zeitpunkt äußerst hinderlich gewesen wären.”

Das „Pinch Manifold“ verfügt ohne Motor über etwa ein Dutzend Teile, die alle auf dem Eden250 als Prototyp gedruckt und anschließend zusammengebaut wurden. Einige der frühen Konzepte hätten aufgrund ihrer Geometrie nicht maschinell gefertigt werden können. “Wir fertigten insgesamt fünf vollständige Prototypen sowie im Lauf der Entwicklung Dutzende von Einzelteilen”, erinnert sich Echeverri. “Wir druckten die Teile über Nacht, sodass wir das Konzept am nächsten Morgen umgehend testen konnten.

Das Eden250 hat das Projekt möglicherweise um sechs Monate verkürzt, sodass wir das „Pinch Manifold“ bedeutend schneller auf den Markt bringen konnten.”

Unternehmen erhält dank 3D-Prototypen NIH-Zuschuss für innovatives neues Petrischalendesign

Ein weiteres aktuelles, durch den Eden250 ermöglichtes Biorep-Projekt ist eine Silikonmembran-Petrischale – die bei Biorep als “Oxygen Sandwich” bezeichnet wird. In eine herkömmliche Kunststoffpetrischale kann lediglich von oben Sauerstoff eindringen. Wissenschaftler des Diabetes Research Institute (DRI) stellten die Hypothese auf, dass die Zellen in einer Schale besser atmen könnten und somit brauchbarer wären, wenn der Sauerstoff von oben und unten in die Schale gelangte.

“Silikon ist sauerstoffdurchlässig, daher versuchten wir, eine Silikonmembran-Petrischale zu entwickeln”, so Echeverri. “Wissenschaftler des DRI entwickelten eine eigene Silikonmischung mit verbesserter Sauerstoffdurchlässigkeit, die wir als „Oxygen Sandwich“ bezeichneten, da die Zellen von oben und unten in den Sauerstoff eingebettet werden.”

Die DRI-Wissenschaftler entwickelten die Membran. Aufgabe von Biorep war es, diese in die Form und Funktion einer herkömmlichen Petrischale zu bringen.

Echeverris Team produzierte mit dem Eden250 einen Prototyp des ursprünglichen Entwurfs und experimentierte anschließend mit verschiedenen Ansätzen, um die Herstellbarkeit und sinnvolle Anordnung sicherzustellen. “Das endgültige Design der Membran ist nur 300 Mikron dick und doch stark genug, um ohne Beschädigungen im Labor eingesetzt zu werden, und steif genug, um verformungsfest zu sein. Wir fertigten viele Prototypen mit unterschiedlichen Konfigurationen, um zu diesem Ergebnis zu gelangen”, so Echeverri.

Das Team stellte anhand der Prototypen zudem die Tauglichkeit des Entwurfs zur Massenfertigung sicher. Die bei diesen Arbeiten erstellten Prototypen wurden unlängst bei der Bewerbung für einen Zuschuss des National Institutes of Health (NIH) eingereicht, mit dem das Produkt weiterentwickelt werden soll. “Dass wir auf dem Eden250 einen realitätsgetreuen Prototyp fertigen konnten, half uns dabei, das Konzept zu belegen und den NIH-Zuschuss zu erhalten”, so Echeverri. “Beim Präsentieren eines vollständig neuen Entwurfs sind CAD-Zeichnungen einfach nicht effektiv genug.”

In nur sechs Monaten wurde die Silikonmembran-Petrischale von Biorep vom Zeichenbrett bis zum aktuellen Status, den Praxistests in einer Reihe von Laboren, entwickelt. „Sechs Monate sind eine unglaublich kurze Zeit, um ein medizinisches Gerät bis zum Praxistest zu bringen“, so Echeverri. “Durch die Möglichkeit, Prototypen schnell hausintern zu fertigen, konnte die Entwicklungszeit halbiert werden.”

Die Ergebnisse der ersten Praxistests sind vielversprechend: Die Wissenschaftler des DRI berichten, dass die Zellen gesünder sind und mehr Insulin produzieren, was für die weitere Entwicklung der Diabetesforschung wichtig ist. Biorep ist auch hinsichtlich der gewerblichen Möglichkeiten des Produkts jenseits der Diabetesforschung zum Beispiel im Bereich der Stammzellen optimistisch.

3D-Drucker befreit Biorep von Verarbeitungseinschränkungen und verschafft Designern kreative Möglichkeiten

Forschungs- und Entwicklungsingenieur Bernal von Biorep stimmt Echeverris Ansicht vollkommen zu, dass der eigene Eden250 die Gesamtqualität der Entwürfe von Biorep verbessert hat. “Die Möglichkeit, im eigenen Haus schnell Prototypen fertigen zu können, hat das kreative Denken im Hinblick auf die Entwürfe beflügelt”, so Bernal. “Mit dem 3D-Druck können wir innovative Konzepte schnell testen, da wir die Fertigungsaspekte vernachlässigen können. Mit dem Objet-Drucker hat die Designidee Vorrang. Dies kommt der Konzeptbestätigung zugute.”

Echeverri sagt, dass die eigenen 3D-Druck-Kapazitäten zudem zur Diversifikation des Produktangebots von Biorep sowie zu einem erhöhten Umsatz beigetragen haben. “Wir können nun eine größer Bandbreite an Projekten entwickeln und mit Prototypen versorgen”, sagt er. “So arbeiten wir beispielsweise jetzt gerade an Projekten, die von Geräten für die Ophthalmologieforschung bis hin zu Konzepten für chirurgische Instrumente reichen. Früher hatten wir hierfür weder die Zeit noch die Ressourcen.

Unsere Produktentwicklungszyklen wurden beschleunigt, da wir nun mehrere Entwurfskonzepte gleichzeitig bedienen können. Die Möglichkeit, Teile über Nacht unbeaufsichtigt zu drucken, war äußerst hilfreich. So können wir die Kosten und Verzögerungen der herkömmlichen Fertigung umgehen.”

Tatsächlich erwies sich der Eden250 für Biorep als so wertvoll, dass das Unternehmen nun die Anschaffung eines zweiten 3D-Druckers erwägt, der funktionale Teile mit einer größeren Bandbreite an Materialien drucken kann.

Echeverri merkt an, dass Biorep zwar durch den Objet-Drucker ausreichend Gewinne erzielt hat, um dessen Kosten zu rechtfertigen, dass der eigentliche Wert jedoch darin liegt, dass die Geräte, für die Prototypen gefertigt und die perfektioniert werden, das Leben vieler Menschen verändern können. “Deshalb arbeiten wir an diesen Dingen”, so Echeverri. “Es geht letztlich darum, ein Heilmittel zu finden.”

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