Wieviel Mensch kann ein 3D-Drucker tatsächlich in Zukunft drucken? - Diese und weitere Fragen von heute und morgen beantwortet ein Experte von Protolabs. - Bild: Pixabay, frei

Wieviel Mensch kann ein 3D-Drucker tatsächlich in Zukunft drucken? - Diese und weitere Fragen von heute und morgen beantwortet ein Experte von Protolabs. - Bild: Pixabay, frei

| von Florian Blum

Die rasanten Entwicklungen rund um das Coronavirus Covid-19 (Sars-CoV-2) haben eines gezeigt: Wer nicht reagiert, verliert schnell. Dass Technologie in diesem Kampf eine große Rolle spielt, zeigen digitale Erfolgsstories rund um das Social Distancing. Und auch Lieferketten-Probleme, ausgelöst durch die Pandemie, wären durch einen höheren Automations-Grad der Industrie vielleicht gar nicht erst entstanden. Also stellt sich die Frage: Kann die Medizin durch mehr 3D-Druck medizintechnischer Produkte künftig auf unvorhersehbare Notsituationen nicht viel schneller und besser reagieren? Dass die Bedeutung der Technologie für die Medizin gerade jetzt enorm steigt, kommt jedenfalls nicht von ungefähr, wie uns ein Insider vom 3D-Druck-Riesen Protolabs verrät...

Daniel Cohn, Protolabs
Daniel Cohn ist General Manager bei Protolabs. - Bild: Protolabs

Lieferketten-Stopp? Nicht mit 3D-Druck!

ke NEXT: Warum ist gerade der 3D-Druck eine wichtige Antwort auf unvorhersehbare Entwicklungen - wie derzeit bedingt durch das neuartige Coronavirus oder sich abrupt ändernde Auftragslagen?

Daniel Cohn, General Manager Protolabs: Die aktuelle Situation rund um das Coronavirus Covid-19 hat uns gezeigt, wie innerhalb kürzester Zeit etablierte Lieferketten abreißen können. In einer solchen Situation ist es wichtig, schnell und vor allem flexibel reagieren zu können - zum Beispiel um temporären Ersatz für Spritzgussteile zu schaffen. Es ist verständlich, dass Firmen, die in einem vom Lockdown betroffenen Land bereits über ein Spritzgusswerkzeug verfügen, das ja nach der Corona-Pandemie ohne Probleme wieder genutzt werden kann, nicht extra teure Ersatzwerkzeuge in Auftrag geben möchten. Hier kommt der 3D-Druck als schnelle und unkomplizierte Technik ohne Werkzeugkosten als Problemlöser ins Spiel.

Mit dem Druck medizinischer Geräte, Produkte und Teile sind unkonventionelle Lösungen möglich. So auch in der Medizintechnik, die in diesen Zeiten mit Atemmasken Schutz gegen eine Ansteckung durch das Coronavirus Covid-19 bietet: Ein Beispiel ist die Easybreath-Schnorchelmaske, die durch ein 3D-gedrucktes Kunststoff-Charlotte-Ventil Menschen gegen eine Ansteckung durch das Coronavirus Covid-19 schützen kann. Hier waren wir während der Corona-Pandemie durch die schnelle Entwicklung und Umsetzung einer Idee tatsächlich in der Lage, Infektionen mit dem Coronavirus vorzubeugen und die Menschen zu schützen.

Protolabs Easybreath Schnochelmaske
Wenn die Taucherbrille zur Atemmaske wird: Die Easybreath-Schnorchelmaske soll mit einem 3D-gedruckten Kunststoff-Charlotte-Ventil vor einer Ansteckung mit dem Coronavirus schützen. - Bild: Protolabs

Zum Schutz gegen das Coronavirus: So funktioniert das 3D-gedruckte Kunststoff-Charlotte-Ventil an der Atemmaske Easybreath - Quelle: Cristian Fracassi

Wie sich der Druck medizintechnischer Produkte und Geräte weiterentwickelt hat

Nicht nur im Kampf gegen das Coronavirus - auch generell für die Medizintechnik: Wie hat sich denn der 3D-Druck über die Jahre weiterentwickelt um heute auf den Punkt auf neue Aufgaben reagieren zu können?

Aus meiner Sicht gibt es zwei entscheidende Punkte. Der erste ist die Etablierung von neuen Materialien und Technologien für echte Endanwendungen. Das heißt, der 3D-Druck ist schon lange der Nische von reinen Prototypen- und Schaumuster-Teilen entstiegen. Gerade in den Technologien DMLS, SLS und MJF bieten wir mittlerweile Materialien an, welche ihren Gegenstücken aus der spanenden Verarbeitung oder dem Spritzguss in nichts mehr nachstehen. Zusätzlich können - nicht nur in der Medizintechnik - Geometrien umgesetzt werden, die mit der traditionellen Technik schlicht unmöglich sind.

Knochenprothesen aus dem 3D-Drucker. Bild: Protolabs
Knochenprothesen aus dem 3D-Drucker. Bild: Protolabs

Ein Medizintechnik-Beispiel sind Individualprothesen nach Tumoroperationen im Kieferbereich. In der Vergangenheit wurden nach dem Entfernen von Knochenbestandteilen in mühsamer handwerklicher Arbeit und mit langer Lieferzeit Prothesen aus Kunststoff gebaut. Diese Prothesen hatten aufgrund ihres Materials und ihrer Struktur keine optimalen Eigenschaften bezüglich des Heilungsprozesses, der Passgenauigkeit, späterer Komplikationen oder des Temperaturempfindens beim Patienten. Im Gegenzug dazu kann in der additiven Fertigung auf Basis eines Scans schnell ein CAD-Modell für die Prothese erfolgen, welches dann umgehend mittels DMLS in Titan gefertigt werden kann. Eine so gefertigte Prothese bietet dank ihrer porösen, schwammähnlichen Struktur die besten Voraussetzungen für den Heilungsprozess und die vollumfängliche Einbindung in das umliegende Gewebe - und das alles bei sehr hoher Festigkeit, bisher unerreichter Passgenauigkeit (Form) und geringem Gewicht.

Der zweite Punkt ist die mittlerweile erreichte hohe Prozessstabilität. Die ist für Unternehmen und Anwender zum einen wichtig, um schnell reagieren zu können und versprochene Terminschienen bei gleichbleibend hoher Qualität einzuhalten - zum anderen aber auch um ein nachhaltiges Kosten- und Kapazitätenmanagement sicherstellen zu können. Nicht zu vergessen dabei ist natürlich auch der Umweltaspekt, da durch Sicherstellung von stabilen und planbaren Prozessen der Druck seine Stärke ausspielen kann. Im Gegensatz zur spanenden Verarbeitung wird nur jenes Material für ein Bauteil verbraucht, welches auch tatsächlich für die Umsetzung notwendig ist.

So werden Masken gegen das neue Coronavirus gedruckt

Medizintechnik vs. Covid-19: Welches Verfahren eignet sich speziell für die Maskenproduktion gegen das Coronavirus und warum?


Für die medizinische Maskenproduktion im Kampf gegen das Coronavirus Sars-CoV-2 war es zu allererst wichtig, ein Verfahren zu wählen, welches Materialen anbietet, die hautverträglich und angenehm und bei entsprechendem Design auch ausreichend flexibel sind. Im Bereich Kunststoff kommt damit in erster Linie das Selektive Lasersintern (SLS) und das Multi-Jet-Fusion (MJF) in Frage. Wir haben während der Corona-Krise hier einige Tests durchgeführt um Kunden schnell eine gute Lösung im Kampf gegen Sars-CoV-2 - so wie ihn das Robert-Koch-Institut vorschlägt - anbieten zu können.

Bei entsprechendem Design haben wir sehr gute Ergebnisse mit dem Polyamid-Material PA12 im SLS und MJF erreicht. Letztendlich eignete sich bezüglich des Tragekomforts sehr gut unser neu eingeführtes Polypropylen-Material (PP) für SLS und ganz besonders unser im April gelaunchtes BASF Ultrasint TPU01 (Thermoplastisches Elastomer auf Urethanbasis), welches wir auf einem HP5210-MJF-3D-Drucker verarbeiten. Sowohl PP als auch TPU zeigten eine sehr gute Haltbarkeit in Verbindung mit einer hohen Flexibilität, um neben der geforderten Schutz-Funktion auch einen hohen Tragekomfort in Zeiten des Coronavirus zu gewährleisten.

Exklusive Einblicke: 3D-Druck mit Metall und Kunststoff bei Protolabs - Quelle: ke NEXT

3D-gedruckte Organe - was ist heute schon möglich?

Vor kurzem las man erstmals von einem Herz aus dem 3D-Drucker – warum könnten organische Materialien die Zukunft sein und wo liegen hier noch die Herausforderungen?

Bei diesem Thema wird sicherlich noch einige Zeit vergehen. Hier sollte auch zwischen zwei Anwendungsbereichen in der Medizintechnik unterschieden werden: Zum einen die Herstellung von Organen für Schulungszwecke und zum anderen funktionsfähige, ganze Organe für Transplantationen im Körper.

Für medizinische Schulungen und Operationsvorbereitungszwecke gibt es ja bereits einige Lösungen im Gussbereich oder auch im 3D-Druck. Diese Medizintechnik-Modelle sind aber noch weit von der Haptik, dem Verhalten oder den Eigenschaften echter Organe entfernt. Die tatsächliche Schwierigkeit bei diesen Modellen ist es, die Struktur, die Gewebeeigenschaften, die Textur oder die Farben von echtem Gewebe nachzubilden - wie etwa beim Herzmuskel, bei Knochen, bei einer Niere oder bei Arterien. Dabei gibt es aus meiner Sicht zwei Herausforderungen:

Zum einen die materialtechnische und fertigungstechnische Herausforderung - hier wäre ein Multimaterial-Druck notwendig, der gemäß des Modells die richtigen Materialen kombiniert und druckt, um so sämtliche Modellstrukturen realitätsnah nachzubilden. Ich weiß, dass Forscher an solchen Druckern arbeiten, aber aktuell ist man hier noch in einem Prototypen- und Forschungs-Stadium.

UNIVERSITÄT TEL AVIV: Forscher erstellen Mini-Herz in 3D-Drucker - Quelle: WELT Nachrichtensender

Die zweite Herausforderung wird das modellieren der Produktionsfiles sein, um die erforderlichen Datenfiles für die Drucker zur Verfügung zu stellen. Hier werden echte Experten mit medizinischem Sachverstand gefordert sein, die in beiden Welten - der biologischen und der fertigungstechnischen - zu Hause sind. Diese Experten hätten die Aufgabe, die für die Fertigung notwendigen Datensätze zu generieren. Das bedeutet, sie müssten für beispielsweise ein Herzmodell die unterschiedlichen Gewebeeigenschaften von Muskeln, Sehnen oder Herzklappen in ein Fertigungsfile übersetzen, welches der 3D-Drucker dann entsprechend verarbeiten kann.

Wann kommt der 3D-gedruckte Mensch?

Ein bisschen Science Fiction: Wieviel Mensch kann denn aus dem 3D-Drucker kommen und wo liegen die medizinischen Grenzen des Drucks von Organen und Gewebe?

Die Grenzen und auch die größten Herausforderungen liegen nach meinem Dafürhalten in den Materialen. Auch hier gibt es wieder zwei grundsätzliche Richtungen in der Forschung: Die eine ist die Herstellung von künstlichen Organen aus gedrucktem Gewebe mit den benötigten Eigenschaften. Wenn wir von einfachen, mechanischen Eigenschaften sprechen, gibt es hier tatsächlich bereits einige Möglichkeiten für die Medizin. Die einfachste und auch breit eingesetzte Variante sind Knochen- und Gelenkprothesen, meist aus Titan oder für hochbelastete Bereiche, wie etwa dem Sprunggelenk das Material Cobalt-Chrom.

Ein bisschen spannender wird es dann bereits beim Sehnen- oder Hautersatz: Hier gibt es meines Wissens nur experimentelle Ansätze die es noch nicht in die Industrie geschafft haben. Die andere Richtung ist das Erstellen von echten, funktionsfähigen Organen. Hier gibt es im additiven Bereich noch keine wirkliche Lösung. Was von Forschern bisher erfolgreich unter Laborbedingungen getestet wurde, ist der 3D-Druck als Trägerform in feinster Gitterstruktur auf welchem dann Gewebe wächst, um beispielsweise ein Ohr nachzubilden. Darüber hinaus gibt es sicherlich viele experimentelle Ansätze hinter verschlossenen Türen. Wann diese jedoch kommen, bleibt abzuwarten.

Der Eintrag "freemium_overlay_form_keg" existiert leider nicht.