Kostengünstiger SLS-3D-Druck für patientenspezifische Prothetiklösungen

Partial Hand Solutions verwendet modernste Technologien für Amputierte aller Altersgruppen. Seit seiner Gründung 2007 hat das Unternehmen funktionelle Lösungen für zahlreiche aktive Soldaten und Zivilisten mit Teilamputationen der Hand bzw. Fingeramputationen sowie für Kinder mit umfassenderen prothetischen Anforderungen bereitgestellt.

Der Gründer, Matthew Mikosz, erstellt seit Langem patientenspezifische Prothesen. Bis vor Kurzem fand er es jedoch schwer, ein grundsätzliches Problem zu überwinden: langlebige, individuelle Prothesen zu einem erschwinglichen Preis herzustellen. 

In den letzten beiden Jahren setzte Matthew auf einen ausgelagerten Spritzgussprozess zur Fertigung von Fingerprothesen, um die Mobilität und Funktionalität für junge und alte Patienten zu verbessern. Jeder Patient ist jedoch einzigartig und die Fremdteile werden nur in einer von fünf Größen geliefert – bei einer Lieferzeit von bis zu zwei Wochen. 

Der Unternehmensgründer Matthew Mikosz möchte den Patienten wirklich individuelle Produkte anbieten, die für sie derzeit nicht erschwinglich sind. Zur Erreichung dieses Ziels hat er im Lauf der Zeit verschiedene Technologien erprobt, von Spritzgießmaschinen über FDM-3D-Drucker bis zum Stereolithografie-3D-Druck. Sein besonderes Interesse galt auch immer Nylonteilen aus dem SLS-3D-Drucker – aufgrund der hohen Kosten konnte er bisher jedoch das selektive Lasersintern (SLS) kaum ausprobieren. 

Kürzlich hatte Matthew Gelegenheit, den neuen SLS-Drucker Fuse 1 von Formlabs gemeinsam mit der Nachbearbeitungsstation Fuse Sift zu verwenden, die neue Möglichkeiten für maßgefertigte Prothesen eröffnet – und dies zu einem wesentlich günstigeren Preis pro Teil. „Ich wollte immer einen SLS-Drucker, doch zu dem aktuellen Preispunkt sind sie für mich nicht erschwinglich. Der Fuse 1 eignet sich ideal für kleine Unternehmen, wie Partial Hand Solutions.“

Wie viele effiziente Designer geht Matthew bei der Einrichtung seines Büroraums methodisch vor. Effiziente Arbeitsprozesse sind von grundlegender Bedeutung, um keine Zeit zu verschwenden und Enttäuschungen zu vermeiden. Sie erlauben es ihm, mehr Zeit für das Design aufzuwenden und weniger Zeit zum Reinigen verschmutzter Teile.

Der Fuse 1 und der Fuse Sift sind für den gemeinsamen Einsatz konzipiert. Formlabs ist bekannt für die Entwicklung von additiven Arbeitsabläufen, durch die Unternehmen jeder Größe industriellen 3D-Druck nutzen können. Die Verbindung von Fuse 1 und Fuse Sift ist das Ergebnis jahrelanger Entwicklung und Produkterprobung – sie sorgt für den einfachsten und effizientesten SLS-Arbeitsablauf auf dem Markt. 

Bei der Erstellung seiner prothetischen M-Finger für Kinder geht Matthew in diesen Schritten vor:

1. Vorbereitung der Datei in PreForm. Matthew verfügt über zwei SLA-Desktop-Drucker vom Typ Form 2, die er zur Prototypenfertigung von Teilen verwendet. Daher hat er umfangreiche Erfahrung mit dem Einsatz von PreForm, der Druckvorbereitungssoftware für Formlabs-Drucker. PreForm ist an sich schon sehr benutzerfreundlich und seine frühere Erfahrung hat den Umstieg noch vereinfacht. „Auch wenn man bisher noch keinen Formlabs-Drucker verwendet hat, ist das Einrichten von PreForm unkompliziert. Das Erstellen der Druckdatei ist damit ganz einfach.“

2. Vorbereitung des Fuse 1. Man fügt dem Fuse 1 Pulver hinzu und setzt eine saubere optische Kassette ein. Der Fuse 1 verfügt über eine Checkliste auf dem Touchscreen mit schriftlichen und visuellen Anweisungen, die jedes Verfahren Schritt für Schritt erklären. „Nach ein paar Durchläufen brauchte ich eigentlich die Anweisungen nicht mehr. Nach wenigen Drucken hatte ich den Dreh heraus.“

3. Sieben der Teile nach dem Drucken. Der Fuse Sift gibt gebrauchtes und neues Pulver automatisch ab und mischt sie, sodass Sie Abfall reduzieren und Ihren Pulvervorrat kontrollieren können. Nylon 12 Powder kann mit einer Neuzuführungsrate von 30 % robuste und voll funktionelle Teile produzieren – Sie können also mit bis zu 70 % wiederverwertetem Pulver drucken. „Das Design des Fuse 1 und des Fuse Sift ist wunderbar. Man zieht die Teile aus dem Gerät, geht zwei Schritte und reinigt sie in dem Fuse Sift – einfach herrlich.“

4. Färben und Zusammensetzen der Teile. Die Teile können besprüht, gefärbt, lackiert, galvanisiert und beschichtet werden, um ihnen verschiedene Farben, Oberflächenbeschaffenheiten und Eigenschaften zu verleihen, darunter Wasserdichtigkeit (Beschichtung) und Leitfähigkeit (Galvanisieren). Matthew gibt seine M-Finger in eine 10 Minuten lang gerührte Lösung aus hochwertigem Färbemittel und heißem Wasser. Dadurch erhalten seine Teile eine schöne, schwarze Oberfläche.

Dieser Prozess, von der Software über den Druck bis zur Nachbearbeitung, ermöglicht es Matthew, allein und mit einem einzigen Drucker in nur zwei Tagen pädiatrische M-Finger (individuell geformte, hochfeste und kontrollierbare Prothesenfinger) herzustellen – also hochwertige Prothesen für die Endkunden. 

Beim SLS-Druck ist die Möglichkeit des Pulverrecyclings für Kleinunternehmen von entscheidender Bedeutung. Das Design des Fuse 1 ist genau darauf abgestimmt, einen maximalen Durchsatz bei möglichst geringen Kosten pro Teil zu liefern – mit einer Konstruktionsplattform, die eng beladen werden kann, um jeden Druckvorgang zu maximieren. 

Der Fuse 1 und der Fuse Sift laufen einfach – und dann ist die nächste Charge an der Reihe. 

Matthew konnte seinen ausgelagerten Spritzgussprozess durch einen einzigen 3D-Drucker vom Typ Fuse 1 vollständig ersetzen. Dies ist einerseits der Fähigkeit des Fuse 1 zur effizienten Fertigung hochwertiger Teile zu verdanken.

Laut Matthew haben die Nylonteile des Fuse 1 vier Hauptvorteile:

1. Geringe Materialkosten. Nylon ist ein erschwingliches Material und der Fuse 1 ist zur Minimierung des Abfalls für den Druck mit recyceltem Pulver optimiert. „Ich dachte, Nylonpulver sei teuer. Aber wenn man die Kosten pro Teil berechnet, sind die Finger auf Druckbasis erschwinglich.“

2. Gestaltungsfreiheit. Die Teile werden beim Drucken durch das Pulver gestützt, sodass keine Stützstrukturen erforderlich sind. Dies erlaubt es, überhängende Merkmale, filigrane Geometrien, ineinandergreifende bewegliche Teile, Teile mit Innenkanälen sowie sonstige komplexe Formen zu drucken. „Die Anwendung des Fuse 1 hat meinen Horizont für die zukünftige Designarbeit erweitert. Ich überlege jetzt, wie ich meine Arbeit verbessern und bessere Ergebnisse für Patienten erzielen kann.“

3. Hohe Produktivität und hoher Durchsatz. SLS ist das schnellste additive Fertigungsverfahren zur Herstellung funktioneller, strapazierfähiger Teile und Endverbrauchsteile. Für den Druck können mehrere Teile eng aneinander angeordnet werden, um den verfügbaren Raum optimal zu nutzen. „Das zweitägige Warten auf eine volle Konstruktionsplattform im Drucker lohnt sich allemal im Vergleich zu der mehrwöchigen Wartezeit für Spritzgussteile.“

4. Bewährte Materialien für die Endverwendung. Nylondrucke aus dem Fuse 1 bestehen aus hochwertigen Thermoplasten und weisen vergleichbare mechanische Eigenschaften auf wie Produkte aus herkömmlichen Herstellungsverfahren wie dem Spritzguss oder aus teuren SLS-Geräten. „Ich habe früher den SLS-Drucker von HP verwendet. Die Teile aus dem Fuse 1 sehen gleich gut oder besser aus als die Teile, die ich mit dem HP erzielt habe.“

Der M-Finger ist das Vorzeigeprodukt von Partial Hand Solutions und wurde ursprünglich für Soldaten entwickelt, die aus Afghanistan zurückkehrten.

Durch den minimalen Abstand beweglicher Teile ist Matthew in der Lage, funktionelle Gelenke mit einem Minimum an Nachbearbeitungsschritten zu drucken. Matthew meinte dazu: „Dies hilft mir, die Montagezeit in Zukunft zu reduzieren – die Teile weisen die erwünschte Leichtgängigkeit und ein minimales Spiel auf. Ich bin beeindruckt von der Möglichkeit, funktionierende Gelenke zu drucken. Dadurch muss ich diese Teile nie mehr outsourcen.“ Diese Art der Vormontage, bei der funktionierende Gelenke gedruckt werden können, ist ein einzigartiges Merkmal des SLS-Drucks und beseitigt einen Nachbearbeitungsschritt komplett, der bei Matthews vorherigem, ausgelagertem Arbeitsprozess notwendig war. 

Die kompakte Größe des Fuse 1 erfordert nicht viel Stellplatz am Arbeitstisch. Auf den ersten Blick war Matthew jedoch nicht sicher, ob er damit das erforderliche Volumen an Teilen würde drucken können. Sobald er jedoch damit begann, Teile in die Konstruktionskammer zu packen, merkte er, dass das kompakte Aussehen des Fuse 1 täuscht. „Ich dachte zunächst, das Fertigungsvolumen des Fuse 1 sei zu klein. Aber man bekommt wirklich eine Menge Teile hinein. Ich kann in zwei Tagen 160 Finger drucken. Das hat mich wirklich beeindruckt.“

Matthew ist nun ständig bemüht, neue Finger zu entwerfen, um das Design der M-Finger weiter zu verbessern. Seiner Meinung nach hat der betriebsinterne SLS-3D-Druck spannende Wege für neue Technologien eröffnet, die es ihm ermöglichen, interessante Prothesen für zukünftige Patienten zu erstellen. 

Der oben dargestellte Titan-Finger ist über ein Gelenk mit einem 3D-gedruckten Schaft verbunden, der am Körper des Patienten befestigt ist. Neben Fingern können am Schaft auch andere Arten prothetischer Geräte befestigt werden, wie z. B. Greifwerkzeuge. Matthew verwendete üblicherweise Kohlenstofffaser zur Herstellung der Schäfte – ein arbeitsintensiver, teurer Prozess. 

Nun kann er eine breite Palette an Schäften kostengünstig betriebsintern herstellen und sogar für spezifische Patientenbedürfnisse individuell gestalten bzw. anpassen. Das Beste daran: Die Schäfte halten dem Vergleich mit den Kohlenstofffaserteilen in Bezug auf Qualität und Funktionalität stand und gehen als Endverbrauchsteile direkt an die Patienten. Matthew meinte dazu: „An diesen Drucken aus dem Fuse 1 sind überhaupt keine Schichtlinien zu bemerken. Ich habe die empfohlenen Toleranzen eingehalten und war begeistert über das Ergebnis der Teile. Die Qualität der Oberflächenbeschaffenheit ist am Schaft hervorragend. Ich war wirklich überrascht und hocherfreut über die Gesamtqualität der Teile. Man kann sie direkt aus dem Drucker verwenden.“ 

Pädiatriepatienten, die Prothesen benötigen, müssen sich oft mit Teilen für Erwachsene abfinden. Diese Teile können zu schwer sein für Kinder, die noch nicht das Alter für Standardprothesen erreicht haben. 

Matthew entwarf diesen Ellbogen und die Schulter für einen zehnjährigen Jungen. Sie sind mit Nylonteilen aus dem Fuse 1 ausgestattet, die nach der Montage funktionierende Gleit- und Rastvorrichtungen enthalten. Trotz ihrer Größe weist die Schulter die Qualität auf, die von Nylonteilen aus dem Fuse 1 erwartet wird. Die Schulter war aufgrund der Größe in dem Fuse Sift dank der geringeren Menge an Pulverresten und kleinen Spalten sogar leichter zu reinigen als die Finger, wie Matthew feststellte. Und auch wenn die Druckzeit für den Ellbogen im Vergleich zu kleinen Teilen länger war, meinte Matthew: „Ich fand den Zeitraum für so ein großes Teil angemessen.“

Formlabs bietet Unternehmen aller Größen den SLS-3D-Drucker Fuse 1 in Verbindung mit der Pulverrückgewinnungsstation Fuse Sift an, damit sie ihre Outsourcing-Kosten senken und die Produktionszeiten verkürzen können. Übernehmen Sie die Kontrolle über Ihren gesamten Produktentwicklungsprozess, von der Iteration des ersten Konzeptdesigns zur Herstellung von gebrauchsfertigen, biokompatiblen und sterilisierbaren Produkten aus produktionsfertigem Nylon 12 Powder. Mit dem Fuse 1, einem günstigen, kompakten SLS-3D-Drucker mit geringem Platzbedarf und einfachem Arbeitsablauf, ist leistungsstarker 3D-Druck endlich erschwinglich.

Ob Sie nun patientenspezifische Prothesen, Prototypen von Medizinprodukten oder chirurgische Instrumente drucken möchten: Der Fuse 1 macht leistungsstarken medizinischen 3D-Druck erschwinglich und stellt Ihren Patienten damit wirklich individuelle Produkte zur Verfügung. Die Kombination der Vorteile übertraf die Erwartungen, die Matthew an seinen Fuse 1 gestellt hatte, sodass er zu dem Schluss kam: „Ich liebe dieses Gerät. Mit dem Fuse 1 und dem Fuse Sift passt einfach alles. Insgesamt gebe ich dem Fuse 1 fünf von fünf Punkten.“

Wenn Sie das selektive Lasersintern betriebsintern ausprobieren und den Drucker Fuse 1 selbst erleben möchten, kontaktieren Sie uns für einen kostenlosen Probedruck aus Nylon 12 Powder.