Вернуться к результатам поиска

Case Study из области медицины

3D-принтеры помогают спасать жизни

Медицинские работники используют 3D-печать, чтобы спасать жизни и заботиться о здоровье людей — от борьбы с диабетом до «волшебных ручек» маленькой Эммы.

Узнайте, как работники здравоохранения быстрее внедряют инновации и ломают барьеры благодаря 3D-печати.

Возможность быстро создавать прототипы собственными силами сократила время разработки медицинского оборудования вдвое, а также ускорила сроки выхода на рынок

Деталь 1, напечатанная на 3D-принтере в Biorep

Biorep Technologies производит оригинальное оборудование для медицинской промышленности, специализируясь преимущественно на разработке устройств, необходимых для поиска средств излечения диабета. Biorep располагается во всемирно известном Институте исследования диабета в Майами и стремится разрабатывать оборудование для изолирования островковой ткани за приемлемую цену, чтобы сделать технологию доступной для как можно большего количества исследовательских центров.

Технический директор Фелипе Эчеверри (Felipe Echeverri) и инженер отдела исследований Андрес Бернал (Andres Bernal) возглавляют в Biorep группу проектирования. Со дня основания компании в 1995 году они используют аппаратный цех для создания прототипов. Время от времени Biorep сотрудничает с бюро обслуживания с целью быстрого создания прототипов мелких деталей для оценки дизайна проектов.

Рост объема работ по быстрому прототипированию привел к необходимости приобретения собственного 3D-принтера

С 2007 года, когда оборудование, производимое Biorep, стало компактнее и сложнее, Эчеверри и Бернал заметили, что аутсорсинг становился все более необходимым для быстрого прототипирования мелких деталей. Объемы возросли настолько, что приобретение собственной технологии быстрого прототипирования стало экономически обоснованным.

«В это время Biorep нуждалась в экономически эффективном способе быстрого прототипирования, — вспоминает Эчеверри. — Когда мы отправляли 3D-модели на аутсорсинг, это выходило намного дороже, чем стоимость печати на собственном аппарате, и к тому же занимало больше времени. Мы поняли, что могли бы значительно увеличить производительность наших проектов, если бы имели возможность печатать детали в ночное время у себя в офисе. Поэтому мы начали сравнивать различные системы 3D-печати».

Objet Eden250 был выбран за простоту использования и высокое качество готовой поверхности

Деталь 2, напечатанная на 3D-принтере в Biorep

Основными критериями выбора собственной системы 3D-печати для Biorep были точность, простота использования, требования к обслуживанию, качество готовой поверхности и цена. «Чаще всего мы использовали быстрое прототипирование для подтверждения концепций и проверки размеров, формы и функциональности до начала механической обработки и литья под давлением, так что точность была действительно важна для нас, — рассказывает Эчеверри. — Но при этом мы ожидали, что сможем производить вдвое больше опытных образцов, если будем иметь собственные возможности для этого, к тому же команда у нас небольшая, поэтому простота использования и надежность также были определяющими».

Компания Biorep в конечном счете остановила свой выбор на Objet Eden250V — небольшой системе, открывающей окно в мир создания высококачественных опытных образцов. Она принесла передовую технологию PolyJet, запатентованную Objet, практически в каждую операцию проектирования и производства. Eden250 — это полноценное решение для точного создания модели любой геометрии. Легко, быстро, чисто и экономично. Модели, напечатанные на Eden250, получаются ровными и прочными, с высокой степенью детализации и выдающимся качеством поверхности. Эта экономичная система занимает немного места и сохраняет полную чистоту при работе, что делает ее идеальной для использования в офисе. В отличие от других систем 3D-печати, она прошла через дверные проемы, была легко и быстро установлена.

«Система Eden250 оказалась именно тем, что нам необходимо», — рассказывает Эчеверри. — “Она вписывается в офисное пространство, она чистая, простая в использовании и обслуживании и выдает точные детали с потрясающим качеством поверхности.”

Возможность быстро создавать опытные образцы собственными силами сократила время разработки нового продукта на шесть месяцев

Деталь 5, напечатанная на 3D-принтере в Biorep

Эчеверри рассказал, что система Eden250 помогла его команде начать работу над гораздо более сложными проектами и ускорила время выхода новых изделий на рынок.

В одном из последних проектов — Pinch Manifold — сочетаются обе эти выгоды, и патент на него в настоящее время находится на рассмотрении. По словам Бернала, медицинские лаборатории при исследовании жидкостей традиционно используют устройство, называемое запорным клапаном, который предотвращает протекание жидкостей из силиконовых трубок на оборудование. Запорные клапаны пережимают трубку, удерживая в ней жидкость. Однако запорный клапан имеет тенденцию перегреваться и сильно зависит от рабочего давления в трубке. Они не очень надежные и весьма дорогостоящие. В случае сбоя в питании запорные клапаны могут внезапно открыться и выпустить всю жидкость наружу.

Основному устройству Biorep требуются 32 надежных бесконтактных запорных клапана. Имеющиеся на рынке готовые запорные клапаны не справляются с задачей, поэтому команда Biorep решила разработать свои собственные.

Получившийся в итоге Pinch Manifold использует ряд камер и мотор для контроля жидкостей в нескольких каналах, сохраняя также бесконтакность обычных запорных клапанов. «Наш Pinch Manifold — это новое слово в работе с жидкостями. При этом сохраняется абсолютное отсутствие контакта с частями клапана, — рассказывает Бернал. — Жидкости вступают в контакт только с силиконовыми трубками, которые легко заменить. В стерильном пространстве лаборатории очень важно избегать загрязнения оборудования жидкостями, такими как кровь или жидкость, содержащая бактерии. Следовательно, отсутствие контакта с клапаном действительно критично».

В дополнение Бернал рассказал: «Система может быть расширена до любого количества каналов; таким образом, она намного более эффективна, чем традиционная система запорных клапанов, работающая только с одним каналом. Также данная система в высокой степени отказоустойчива, поскольку она механическая, а не электромагнитная. В случае сбоя питания она остается в своем положении».

Бернал начал экспериментировать с различными проектами клапанов, и все они были смоделированы на Eden250. «Мы быстро поняли, какие возможности оказались у нас в руках, — говорит Эчеверри. — Мы использовали опытный образец, созданный на Objet, для презентации проекта руководству, и он нам действительно помог в донесении до них новой концепции. Мы быстро получили добро на продолжение работы».

«Возможность самим быстро создавать опытные образцы была абсолютно необходима для успеха проекта, — рассказывает Бернал. — Во-первых, мы могли проектировать детали, не завися от аппаратных ограничений, что практически раскрепостило наше мышление: теперь, когда у нас появлялись новые идеи, мы могли проектировать, печатать и тотчас же их тестировать. Во-вторых, благодаря возможности создавать множество опытных образцов быстро и недорого, мы смогли провести много тестов. Это помогло нам найти и устранить некоторые функциональные проблемы на ранних этапах и не навредить проекту, как если бы мы нашли их позже».

Pinch Manifold состоит примерно из дюжины деталей, кроме мотора, и все они были смоделированы на Eden250, а затем собраны в единое целое. Некоторые ранние концепции не могли быть изготовлены ввиду их геометрических особенностей. «Всего мы создали пять целых прототипов и несколько десятков отдельных деталей, — вспоминает Эчеверри. — Мы оставляли задание на печать на всю ночь, а утром, придя на работу, уже могли тестировать новую концепцию.

Система Eden250 сэкономила для проекта около полугода, что позволило нам вывести Pinch Manifold на рынок гораздо раньше».

3D-модели помогли фирме получить грант от NIH за инновационный дизайн новой чашки Петри

Другим недавним проектом Biorep, в котором использовалась система Eden250, была чашка Петри с силиконовой мембраной, названной Oxygen Sandwich («кислородным бутербродом»). Стандартная пластиковая чашка Петри обеспечивает доступ кислорода только сверху. Ученые Института исследований диабета (DRI) выдвинули гипотезу, что клетки в чашке смогут лучше дышать и, следовательно, быть более жизнеспособными, если кислород будет поступать к ним и сверху, и снизу.

«Силикон способен пропускать кислород, поэтому мы решили попытаться создать чашку Петри с силиконовой мембраной, — рассказывает Эчеверри. — Ученые DRI разработали новый состав силикона с большей способностью пропускать кислород. Мы назвали этот проект Oxygen Sandwich за то, что он обеспечивал клетки кислородом с обеих сторон».

Ученые DRI создали мембрану; задачей Biorep было придать ей форму и функциональность стандартной чашки Петри.

Команда Эчеверри создала прототип первоначального дизайна на Eden250 и затем экспериментировала с различными вариантами, чтобы обеспечить технологичность и правильность сборки. «Мембрана в окончательном виде имеет толщину всего 300 микронов; она достаточно прочная для использования в лабораторных условиях и достаточно упругая, чтобы не провисать. Мы изготовили множество моделей с различными конфигурациями, пока не пришли к такому результату», — рассказывает Эчеверри.

Команда также использовала прототипы, чтобы убедиться в пригодности полученного дизайна для массового производства. Прототипы, созданные во время процесса, использовались для получения гранта от Национального института здравоохранения (NIH), который помог профинансировать дальнейшую разработку продукта. «Создание реалистичной модели на Eden250 определенно помогло нам донести свою концепцию и получить грант NIH, — говорит Эчеверри. — Электронные чертежи недостаточно эффективны, когда вы представляете совершенно новый тип дизайна».

Понадобилось всего шесть месяцев, чтобы перевести чашку Петри Biorep с чертежного листа в ее текущее состояние — полевые испытания в ряде лабораторий. «Шесть месяцев — невероятно короткий срок для запуска полевых испытаний медицинского устройства, — говорит Эчеверри. — “Возможность быстро создавать прототипы собственными силами сократила время разработки вдвое.”

Результаты ранних полевых тестов оказались многообещающими: ученые DRI сообщили, что клетки стали здоровее и вырабатывают больше инсулина, который чрезвычайно важен для продвижения в исследованиях диабета. Biorep также весьма оптимистично высказывается о коммерческих перспективах продукта в исследованиях не только диабета, но и, например, стволовых клеток.

3D-принтер избавил Biorep от аппаратных ограничений и помог дизайнерам мыслить шире

Инженер отдела исследований Бернал искренне согласен с мнением Эчеверри о том, что собственная система Eden250 помогла улучшить общее качество проектов Biorep. «Получив возможность быстрого создания прототипов своими силами, мы действительно смогли выйти за рамки с точки зрения дизайна, — говорит Бернал. — 3D-печать позволила нам быстрее тестировать инновационные концепции, минуя вопросы технической подготовки производства. Благодаря принтеру Objet мы смогли уделить больше времени и усилий дизайну и сборке для подтверждения концепции».

Эчеверри рассказывает, что собственные возможности 3D-печати помогли также разнообразить предложение продукции Biorep и повысить доходы компании. «Теперь мы можем разрабатывать и создавать прототипы для более широкого круга проектов, — говорит он. — Например, на данный момент мы работаем над различными проектами, от офтальмологических исследований до концепций хирургических инструментов. Раньше у нас не было ресурсов для этого.

Циклы разработки изделий значительно ускорились, так как теперь мы можем работать над различными концепциями дизайна параллельно. Возможность печатать детали ночью без необходимости постоянного контроля нам очень помогла и позволила не принимать во внимание расходы и задержки, свойственные традиционным аппаратам».

Компания Biorep на деле оценила значимость Eden250, поэтому было решено приобрести еще один 3D-принтер, который может печатать детали из разнообразных материалов.

Эчеверри отметил, что, пока Biorep занималась зарабатыванием средств, чтобы окупить приобретение принтера Objet, настоящей отдачей стало осознание того, что устройства, для которых создавались прототипы, помогли изменить жизни людей. «Вот ради чего мы все это делаем, — сказал Эчеверри. — “Это все ради того, чтобы найти средство излечения».”

Stratasys Ltd. © 2015. All rights reserved. See stratasys.com/legal for trademark information.