Vom 3D-Modell zum Produkt

Die Bandbreite an Materialien, die in der Medizintechnik Verwendung finden, ist groß: Unterschiedliche Kunststoffarten, Silikone, Metall und Verbundwerkstoffe können zur Anwendung kommen. Diese Materialfülle den Entwicklern in kürzester Zeit zugänglich zu machen, ist die Kompetenz des Hightech-Unternehmen Proto Labs. Alles was der Designer dazu benötigt, ist ein 3D-Modell seines Bauteils und eine klare Vorstellung über die notwendige Funktion. Der Konstrukteur lädt das 3D-Modell auf die Angebotsplattform von Proto Labs und erhält anschließend eine Machbarkeitsanalyse. Kritische Stellen der Konstruktion erscheinen farblich markiert direkt mit Verbesserungsvorschlägen am 3D-Modell. Gegebenenfalls meldet sich ein deutschsprachiger Ingenieur von Proto Labs und berät zur optimalen Konstruktion. Sobald das Modell steht, gibt der Produktdesigner die gewünschte Stückzahl und das Material ein. Innerhalb von Minuten erfolgt die Kalkulation der Teile und die Generierung eines verbindlichen bestellfertigen Angebots. Wird die Bestellung ausgelöst, kommt die Lieferung innerhalb weniger Tage.

Von diesem Service profitierte auch die Zellwerk GmbH aus Oberkrämer. Das Unternehmen hat sich auf die Züchtung von körpereigenen Zellen, wie sie beispielsweise in der Tumortherapie Verwendung finden, spezialisiert. Herzstück einer jeden Zellkulturproduktion ist ein Inkubator aus Kunststoff. Als Einmal-Produkt bietet er durch seine besondere und immer gleiche Beschaffenheit ein hohes Maß an Prozesssicherheit.

„Entscheidend ist, dass es in dem Kunststoffreaktor zu einem ‚laminar flow‘ kommt“, so Zellwerk-Geschäftsführer Prof. Dr. Hans Hoffmeister. Dabei setzen sich die Zellen am Boden ab und werden gleichmäßig überspült, ohne dass es am Boden zu Verwirbelungen kommt. Ebenso erfolgt die Versorgung der Zellen mit Sauerstoff und frischem Medium, während verbrauchtes Medium abtransportiert und ein konstanter pH-Wert eingehalten wird.

Die Herausforderung an die Konstruktion bestand in der richtigen Anordnung der Lamellen und der Erzeugung einer speziellen Oberfläche, die nicht zu glatt und nicht zu rau sein durfte. Konstruktionsleiter Rainer Mausolf fasst die Anforderungen an den Kunststoff und die Oberflächenbeschaffenheit zusammen: „Die Auswahl des Kunststoffes war entscheidend, da wir konstante chemische und physikalische Bedingungen im Reaktor bieten müssen. Proto Labs hat uns bei der Auswahl sehr geholfen. Wir haben gemeinsam mehrere Kunststoffe ausprobiert. Die Schwierigkeit lag darin, einen Kunststoff zu finden, der sich unempfindlich zeigt gegen die Sterilisierung mit Gamma-Strahlen.“ Letztendlich wurde das optimale Material gefunden, welches Proto Labs sogar anschließend in sein Standardrepertoire aufgenommen hat. Mausolf ergänzt: „Unsere Anforderungen an die Oberfläche wurden perfekt umgesetzt. Die Zellen dürfen nicht verwirbeln. Es bedarf daher einer fein gekörnten Oberfläche, auf der sie Halt finden. Erst dies macht einen standardisierten Prozess möglich.“

Inzwischen fertigt Proto Labs sämtliche Bioreaktoren und Sondenadapter in verschiedenen Ausführungen. Mausolf: „Anfangs konnten wir es kaum glauben, wie schnell und zuverlässig die Teile geliefert wurden. Uns war bis dato kein Anbieter bekannt, der es innerhalb von zehn Tagen von der 3D-Modellübergabe bis zum fertigen Teil schaffte.“ Proto Labs hätte es im Rahmen des optionalen Express Services sogar in fünf Tagen hinbekommen. „Innerhalb weniger Tage hatten wir die ersten Reaktoren und Adapter aus unserem speziellen Kunststoff in den Händen. Die Reaktoren waren sofort und uneingeschränkt nutzbar.“

Der Service von Proto Labs unterscheidet sich durch die Lieferung von Teilen aus echtem Wunschmaterial von konventionellen 3D-Druckverfahren, die lediglich eine beschränkte Anzahl an Materialien anbieten. Aussagekräftige Test- oder Zertifizierungsverfahren unter realen Bedingungen sind mit ihnen nicht möglich, allenfalls Beurteilungen über Designaspekte. Dennoch haben sie natürlich ihre Berechtigung, weshalb Proto Labs zusätzlich mit der Stereolithographie ein additives Verfahren anbietet.

Medizinprodukthersteller steigen in der Regel nicht gleich in die Massenproduktion ein. Häufig ist es so, dass es zu Beginn einer Produktion noch gar nicht absehbar ist, wie groß das Los der zukünftigen Serie sein wird. Hohe Kosten für klassische Werkzeuge bedeuten hier auch ein hohes Risiko. Späte Änderungen an diesem Werkzeug oder das Nichterreichen von geplanten Stückzahlen machen jede Kalkulation zunichte. Die Scheu vor diesem Risiko bremst im Gegenzug die Entwicklungsgeschwindigkeit und die Innovationskraft von Medizinproduktherstellern.

Mit Teilen von Proto Labs sind selbst gesamte Erstserien machbar, bis klar wird, wann der Einstieg in die Massenproduktion lohnt. Die Kosten dafür bewegen sich in der Regel im unteren vierstelligen Bereich. Und selbst Produktdesignern, die nicht so häufig mit den speziellen Anforderungen einer Kunststoffteilkonstruktion zu tun haben, gelingt es so, ausgereifte Modelle zu generieren.

Speziell für die Medizintechnik ist das Spritzgießen mit Flüssigsilikon (LSR) interessant. Mittels Hochgeschwindigkeits-CNC-Technologie können auch Teile aus Metall oder Kunststoff gefräst oder gedreht werden. Geht es nur um eine anschauliche Designstudie, kann schon Stereolithographie als additives Verfahren nützlich sein. Allen Verfahren zu Grunde liegt die Verbindung von modernster Computer- und Fertigungstechnologie in Kombination mit einer ausgefeilten Logistik.

Thomas Löffler Fachjournalist in Balingen