Geometrische Komplexität, Wasserdichtigkeit, Schlagfestigkeit, Präzision, Zerspanbarkeit, Biokompatibilität ... die Anforderungen an das Material für den Nudge Zero sind vielfältig, und nur mit betriebsinternem 3D-Druck lassen sich diese Anforderungen in der vorgegebenen Zeit erfüllen.
Nudge Zero soll ein Medizinprodukt der Klasse II werden, das fokussierten Ultraschall niedriger Intensität einsetzt, um letztendlich Hirnstörungen zu behandeln – von Opioidabhängigkeit über Tinnitus bis hin zu Depressionen. Die Anforderungen an die Teile sind hoch, unter anderem müssen einige im Inneren eines MRT funktionieren. Außerdem müssen Ingenieur*innen in der Lage sein, Iterationen an einem Tag oder weniger durchzuführen. Noch vor ein paar Jahren wäre die Herstellung dieser Teile nahezu unmöglich gewesen, doch dank Fortschritten in der 3D-Drucktechnologie und bei den Materialien kann das Nudge-Team innerhalb eines Tages im eigenen Haus iterieren.
„Wenn das funktioniert und wir damit auch nur einige der angedachten Erkrankungen behandeln können, könnten wir das Leben von Hunderten von Millionen Menschen drastisch verändern. Es gibt nur wenige Technologien, die sowohl tauglich sind, als auch das immense Potenzial haben, so vielen Menschen zu helfen. Wir müssen also so schnell wie möglich daran arbeiten.“
Sam Schmitz, Ingenieur
Der Nudge Zero besteht aus drei Komponenten:
-
Das Kernstück ist ein Ultraschall-Phased-Array mit hoher Kanalanzahl, integriert in eine Helmstruktur, die in einem MRT-Gerät verwendet werden kann.
-
Ein Wagen, der das Wasser für das Ultraschall-Array entgast, deionisiert und erhitzt.
-
Die Antriebselektronik, die die Wellenformen für die Strahlerzeugung des Ultraschall-Arrays erzeugt.
Sowohl der Wagen als auch der Kern bestehen aus 3D-gedruckten Teilen, die auf dem Form 4L gedruckt wurden, einschließlich des Gehäuses des Kerns. Zusätzliche Silikonteile werden in 3D-gedruckten Formen gegossen – und das alles in weniger als einem Tag.
Kontaktieren Sie unser Vertriebsteam
Ganz gleich, ob Sie schnelle Prototypen herstellen oder fertige Teile für die Endverwendung produzieren, wir stehen Ihnen mit Rat und Tat zur Seite. Das Formlabs-Vertriebsteam besteht aus engagierten Fachleuten, die Sie und Ihr Unternehmen bei Bedarf mit professioneller Hilfe unterstützen.
Das beste Material für die Aufgabe
„Wir sind sicher, dass Tough 2000 Resin der Endverwendung gewachsen und in Bezug auf die Langlebigkeit mit SLS vergleichbar ist. Wenn wir es fallen lassen oder darauf schlagen, wird es nicht kaputtgehen.“
Sam Schmitz, Ingenieur
Das Material macht's! Einige Teile des Kerns müssen wasserdicht und schlagfest sein, um das Gewindeschneiden und den allgemeinen Gebrauch zu überstehen, während andere biokompatibel sein müssen. Schmitz verwendet eine Reihe von Formlabs-Materialien für die Teile – neuerdings auch die neue Version von Tough 2000 Resin.
Tough 2000 Resin: Ersatz für maschinell bearbeitetes Polycarbonat
Tough 2000 Resin ist ein steifes, starkes und schlagfestes Material, das mit ABS vergleichbar ist. Schmitz testete die neue Version von Tough 2000 Resin ursprünglich mit einem dünnwandigen Teil, das er sofort benötigte. Das 1 mm dicke Teil rastete ohne zu brechen ein. Schmitz nahm dann ein Teil zur Hand, das er zusätzlich gedruckt hatte, und testete es.
„Ich habe versucht, es mit einem Hammer zu zertrümmern, und da habe ich gemerkt: Wow, das ist wirklich gut. Wir haben noch eine Reihe anderer dünnwandiger Teile, die aus Polycarbonat sind, weil wir diese Schlagfestigkeit wirklich brauchen. Früher hatte ich diese zur Zerspanung geschickt, aber mit der letzten Designiteration fing ich einfach an, sie durch Tough 2000 Resin zu ersetzen. Sie funktionieren großartig.“
Sam Schmitz, Ingenieur
Das Bedienfeld wurde mit Tough 2000 Resin gedruckt.
Als er die Abdeckungen neu gestaltete, druckte Schmitz sie aus Tough 2000 Resin und ersetzte damit Teile, die ursprünglich aus Polycarbonat gefertigt und extern bezogen wurden. Mit dem Form 4L konnte Schmitz das Design bei Bedarf umgestalten und hatte den Druck in wenigen Stunden in der Hand.
Tough 2000 Resin: Ein großes, wasserdichtes Gehäuse mit feinen Details
Das Gehäuse des Arrays ist groß (ca. 300 mm lang und 250 mm Durchmesser) und besteht aus zwei Teilen, die zusammenrasten und wasserdicht sein müssen. Daher muss es maßgenau und beständig gegen Verzug und Kriechen sein. Auch eine feine Detailauflösung ist erforderlich. Da das Gerät in einem MRT funktionieren muss, darf kein Metall darin enthalten sein – die Schrauben müssen aus Kunststoff bestehen. Außerdem wird das Gerät über mehrere Häuserblocks hinweg zu einem MRT transportiert, um zum Einsatz zu gelangen, und dann zurück zu verschiedenen Testaufbauten. Der Transport ist nicht unbedingt sanft, weshalb das Gehäuse stoßfest sein muss.
„Wir können keine Einsätze einpressen oder mit Hitze einsetzen, also muss das Material auch stabil genug sein, um Gewinde hineinschneiden zu können – das ist wirklich wichtig. Alle Gewinde sind M3-Gewinde, die wir direkt in das Tough 2000 Resin V2 schneiden. Es funktioniert großartig.“
Sam Schmitz, Ingenieur
Die Baugruppe wird mit einer Gummidichtung dazwischen zusammengefügt. Sobald sie festgezogen ist, ist sie wasserdicht. Eine dünne Schicht RTV-Silikon wird ebenfalls aufgetragen, „aus reiner Vorsicht“, wie Schmitz sagt. „Wir haben festgestellt, dass sich besonders mit den neuen Stützstrukturen alles gut drucken lässt und wir die Teile ohne große Lücken zusammenfügen können.“
Ursprünglich wurde das Gehäuse im SLS-Verfahren bei einem externen Dienstleister in Auftrag gegeben. Doch nachdem Schmitz Tough 2000 Resin getestet hatte und das Bauvolumen des Form 4L zur Verfügung stand, versuchte er, das Gehäuse intern zu drucken. Tough 2000 Resin bot nicht nur die erforderliche Schlagfestigkeit, sondern auch eine bessere Maßhaltigkeit und Oberflächenbeschaffenheit als die ausgelagerten Teile. Schmitz druckt die Löcher auf die Nenngewindegröße und bohrt dann mit einem Bohrer in das Material.
„Die Zeitersparnis ist enorm. Ich kann jede dieser Hälften in einem Durchgang drucken. Es dauert im Grunde nur einen Tag, bis ich beide Teile habe, was wirklich klasse ist im Vergleich zu ein paar Wochen Wartezeit für das Outsourcing und ein paar Tausend Dollar Zusatzkosten für die Eilgebühr.“
Sam Schmitz, Ingenieur
Kosten für die Herstellung des Satzes von Gehäusen
| Drucker | Gesamtkosten | |
|---|---|---|
| Outsourcing | SLS im Großformat | 7000–10 000 $ |
| Betriebsintern | Form 4L | 145 $ |
Zeitersparnis
| Produktionszeit | Zeit zum Schleifen des Teils | Zeit zum Grundieren und Lackieren | Gesamt | |
|---|---|---|---|---|
| SLS-Outsourcing | 5 Tage (Express) | 8 h | 2 h | 5 Tage + 10 h Nachbearbeitung |
| SLA betriebsintern | 1 Tag | 3 h | 2 h | 1 Tag + 5 h Nachbearbeitung |
Zusätzliche Zeit wurde bei Nacharbeiten eingespart. Schmitz sagt: „Die neuen Tough-2000-Gehäuse sind maßlich genauer als die extern gefertigten Gehäuse.“
Auch bei der Nachbearbeitung lassen sich erhebliche Zeit- und Arbeitsersparnisse erzielen. Das Outsourcing der großformatigen SLS-Teile erforderte acht Stunden Schleifarbeit. Mit Tough 2000 Resin auf dem Form 4L sind es jetzt nur noch ein paar Schleifarbeiten, gefolgt von Grundierung und Lackierung, um die gewünschte Farbe zu erzielen. Das Team versuchte, die Probe zu schleifen und mit Mineralöl zu behandeln, aber Mineralöl fluoresziert in einem MRT.
Mit Blick auf die Herstellung des Geräts sagt Schmitz, dass bei einer Produktion von mehreren Hundert Stück wahrscheinlich Spritzguss eingesetzt werden würde. Aufgrund von Hinterschneidungen und inneren Löchern würde dies jedoch eine erhebliche Neugestaltung erfordern. Deshalb ist er der Ansicht: „Selbst wenn wir 50 davon herstellen müssten, würden wir sie wahrscheinlich immer noch mit Tough 2000 Resin drucken.“
Kostenlosen Probedruck aus Tough 2000 Resin anfordern
Tough 2000 Resin V2 ist ein robustes Material, dessen Festigkeit und Steifigkeit mit denen von Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymer (ABS) vergleichbar ist. Es vereint Belastbarkeit mit einer hohen Temperaturbeständigkeit und Kriechbeständigkeit.
Grey Resin: Formen und Prüfteile
Die vier Form 4L bei Nudge laufen ununterbrochen. Alle Testteile und Formen werden aus Grey Resin gedruckt, dem Allrounder bei Nudge. Schmitz stellt komplexe Silikonformen aus zwei, drei oder vier Teilen aus Grey Resin her. Aufgrund der Geometrie und Hinterschneidungen ist es unmöglich, diese Formen mit einer anderen Methode als dem 3D-Druck zu fertigen – auch nicht mit Fünf-Achsen-CNC.
Die Kopfdichtung ist eine konforme Dichtung, die den Kopf des Benutzers in das Wasserbad des Kerns einschließt. Die Formen für dieses große Teil weisen eine Reihe von Hinterschneidungen auf, was den 3D-Druck ideal für die Produktion macht. Außerdem kann das Team auf dem Form 4L „all diese Formteile in zweieinhalb Stunden drucken, sodass wir vor dem Mittagessen einen Iterationszyklus durchlaufen, die Dichtung gießen, Mittag essen, sie testen und dann nachmittags einen weiteren Zyklus durchführen können“, so Schmitz. „Wenn es nicht passt, druckt man einfach noch am selben Tag ein neues. Das ist schon ziemlich beeindruckend. Wir haben Dutzende davon hergestellt.“
Rigid 10K Resin: Thermoformwerkzeuge
Einige Thermoformwerkzeuge werden aus Grey Resin gedruckt, dem bewährten, kostengünstigen Arbeitstier bei Nudge. Für kleine Teile, sehr feine Details oder Formen, die viele Zyklen ohne Verformung überstehen müssen, wird jedoch Rigid 10K Resin verwendet.
Rigid 10K Resin ist ein hochgradig glasgefülltes Material, das Stabilität unter hohen Temperaturen und Drücken bietet. Damit ist es ideal für die Produktion großer Stückzahlen von Thermoformteilen.
Biokompatible Kunstharze
Testteile werden häufig aus Grey Resin gedruckt. Sobald die Spezifikationen festgelegt sind, werden 3D-gedruckte Teile, die mit der Haut oder dem Wasserbad in Berührung kommen, aus biokompatiblen Kunstharzen hergestellt, darunter BioMed Clear Resin für das Array-Gehäuse und Tough 1500 Resin.
Nylon 12 Powder
Neben dem 3D-Druck mit Kunstharz druckt Schmitz auch auf dem Fuse 1+ 30W. Nylon 12 Powder wird für Komponenten verwendet, die das Gerät anpassungsfähiger machen und gleichzeitig dem Stress und Druck standhalten, der durch das Fixieren des Geräts im vibrierenden MRT-Gerät entsteht. Schmitz nutzt die Funktion zum automatischen Packen von PreForm, um die Druckzeit zu minimieren.
3D-gedruckte Endverbrauchsteile
„Ich kann mir durchaus vorstellen, dass viele dieser Druckteile bei richtiger Konstruktion und Analyse, im Rahmen ihrer Möglichkeiten, in Endanwendungen zum Einsatz kommen werden. Es wird viel länger dauern, als die Leute erwarten, bevor wir auf traditionelle Fertigungsmethoden zurückgreifen – wenn überhaupt.“
Sam Schmitz, Ingenieur
Der Nudge Zero befindet sich derzeit in internen Tests. Jeder Test bringt die Nachfrage nach neuen Teilen und Aktualisierungen des Designs mit sich. Zwar könnte das Gerät eines Tages mit herkömmlichen Methoden hergestellt werden, doch würde dies eine Neugestaltung vieler Teile erfordern, da die komplexen Geometrien nicht durch CNC-Bearbeitung hergestellt werden können. Schmitz selbst könne sich vorstellen, den Nudge Zero im eigenen Haus herzustellen, basierend auf den Möglichkeiten, die der Form 4L, der Fuse 1+ 30W und die Hochleistungsmaterialien bieten.
Entdecken Sie die 3D-Drucker von Formlabs, um mehr über den Form 4L und die Fuse-Serie zu erfahren, oder fordern Sie einen Probedruck an, um die Materialien von Formlabs selbst zu testen.