Rettung für Charlotte: Wie 3D-Druck Meeresschildkröten mit Schwimmproblemen hilft

Das sogenannte Auftriebssyndrom, auch „Bubble-Butt-Syndrom“ genannt, ist eine immer häufiger auftretende Störung bei Meeresschildkröten. Auch die Schildkröte Charlotte litt darunter, eine männliche Grüne Meeresschildkröte im Mystic Aquarium in Connecticut, USA. Die Ursache des Syndroms ist ein Trauma – in der Regel ein Zusammenstoß mit einem Boot –, wodurch eine Unregelmäßigkeit im Panzer entsteht, die Luft einschließt, die Organe des Tiers einklemmt und das Schwimmen erheblich erschwert.

Charlotte wurde 2008 in Jekyll Island im US-Bundesstaat Georgia gefunden und in Pflege genommen, als sich herausstellte, dass er nicht gut genug schwimmen und fressen konnte, um zu überleben. Das Team des Georgia Sea Turtle Center pflegte Charlotte nach Kräften, wandte sich schließlich jedoch für Unterstützung an das Mystic Aquarium.

Dr. Jenn Flower war damals leitende klinische Tierärztin im Mystic Aquarium und erkannte, dass Charlotte – der inzwischen als Männchen identifiziert wurde, aber seinen ursprünglichen Namen behielt – Hilfe benötigte. Die Aquaristik- und Veterinärteams von Mystic Aquarium versuchten alles Erdenkliche, von der Anbringung von Gewichten auf Charlottes Panzer bis hin zur Befestigung eines Gewichtgürtels aus Stoff. Diese ersten Versuche erwiesen sich als erfolglos: Der Klebstoff verursachte Irritationen, oder das Tier schabte die Gewichte an der Seite seines Panzers ab. Dr. Flower und der Rest des Tierärzteteams erkannten, dass sie neue Wege einschlagen mussten, um eine Lösung zu finden, und der 3D-Druck war ihre erste Anlaufstelle.

Vor allem ein Umstand inspirierte das Team vom Mystic Aquarium dazu, den 3D-Druck in Betracht zu ziehen. Eine Schülerin im Bundesstaat Minnesota, Gabriela Queiroz Miranda, hatte einen Gewichtgürtel für Schildkröten entwickelt, die am Auftriebssymbol leiden. Für das iterative Design dieser Lösung setzte Queiroz Miranda einen 3D-Scanner und einen 3D-Drucker ein, was es ihr ermöglichte, den Gürtel and ihrer Klassenschildkröte Voldetort zu testen. Ihr Projekt wurde in Science News Explores veröffentlicht, und der Artikel veranlasste Dr. Flower dazu, sich an den 3D-Druck-Dienstleister Adia zu wenden. Als Dr. Flower sich an das Unternehmen wandte, war Nick Gondek, Leiter der additiven Fertigung, sofort klar, dass seine Erfahrung mit 3D-Druck hier einem guten Zweck dienen könnte.

Der 3D-Druck glänzt in Anwendungen, die ein gewisses Maß an Individualisierung erfordern. Wo herkömmliche Methoden aufgrund von komplexen Geometrien, geringen Stückzahlen und organischen Formen zu umständlich sind, stellen 3D-Druckteile die kostengünstigste und einfachste Lösung dar.

„Das Problem, das wir zu lösen versuchten, bestand im Wesentlichen darin, Gewichte auf dem Rücken von Charlotte anzubringen. Das klingt sehr einfach, stellte sich aber als äußerst schwieriges Unterfangen heraus. Die einzige Möglichkeit, etwas auf Charlottes Panzer zu befestigen, bestand in der Maßanfertigung einer geeigneten Vorrichtung“, berichtet Gondek.

Um einen geeigneten 3D-Prozess zu etablieren, holte Adia Chris Wilczewski und die 3D-Scan-Fachleute von Functional 3D zur Hilfe, die hochauflösende 3D-Scans von Charlotte erstellten. Diese Scans bildeten die Grundlage für den Rest des Projekts und machten es möglich, eine fest, aber bequem sitzende Lösung für Charlotte zu entwickeln, die bei Bedarf entfernt und angepasst werden konnte.

Das Team von Functional 3D musste seinen Anspruch an Präzision und Gründlichkeit außerdem mit den veterinärmedizinischen Vorsichtsmaßnahmen unter einen Hut bringen, die Dr. Flower und das Aquaristik-Team vom Mystic Aquarium zum Schutz von Charlotte getroffen hatten. „Ihre Beiträge waren ein elementarer Teil des Projekts und haben den digitalen Arbeitsablauf zur Gestaltung des Geschirrs vorangetrieben“, so Gondek.

^{New Balance ist führend im Bereich des computergestützten Designs von Schuhen, und Senior Creative Lead Chris Wawrousek erkannte die Gelegenheit, seine Designfähigkeiten für einen guten Zweck einzusetzen. Er entwickelte und modellierte ein generatives System, um Charlotte und anderen betroffenen Schildkröten zu helfen.}

Als es an der Zeit war, auf der Grundlage der Scandaten ein Design zu entwickeln, war Adia klar, welches Unternehmen über das erforderliche Fachwissen verfügte, um sie zu unterstützen. New Balance Athletics gehört zu den fortschrittlichsten Herstellern von Sportausrüstung der Branche und setzt modernste Designtechnologien ein, um die Grenzen der sportlichen Leistungen zu erweitern.

Senior Creative Lead Chris Wawrousek ist Experte für computergestütztes Design. Damit ist eine Methode gemeint, mithilfe voreingestellter Algorithmen und Parameter Daten zu erfassen und Designs zu generieren, die die in den Daten dargestellten Probleme lösen können. Anschließend werden Simulationen durchgeführt, die Feedback zu dem Entwurf geben und dabei helfen, ihn zu verfeinern.

„Bei der Lösung von Charlottes Schwimmproblemen war die digitale Technologie eine große Hilfe. Computergestütztes Design kommt dann ins Spiel, wenn man etwas nicht Stück für Stück von Hand entwerfen will, weil das zu zeitaufwändig wäre. Dass wir einen Workflow aufbauen können, mit dem wir ein individuelles Geschirr kreieren können, ist eine große Stärke“, meint Wawrousek.

Das Team nutzte Wawrouseks Entwurf, um mehrere Iterationen zu entwickeln, von einer breiten, gürtelähnlichen Konstruktion über kleine Clips bis hin zu dicken Gurten mit Schnappverschluss. „Viele der Iterationen dienten der Verbesserung des Tragekomforts für die Schildkröte. Wir mussten also genau ermitteln, an welcher Stelle des Panzers wir das Geschirr sicher anbringen können und wie wir Gewichte so darauf aufsetzen können, dass ihre Position anpassbar bleibt“, erklärt Gondek.

Nach monatelanger Entwicklungsarbeit landete das Team beim finalen Design eines beweglichen, leichten, verstellbaren Geschirrs, das um den Rand von Charlottes Panzer gelegt wird und bei Bedarf entfernt und angepasst werden kann. Doch obwohl ein brauchbarer Entwurf gefunden war, war die Arbeit noch lange nicht beendet – das Team musste das Geschirr schließlich auch herstellen und dabei sowohl Festigkeit, Genauigkeit als auch Wiederholbarkeit im Fokus behalten.

Adia arbeitet seit Jahren mit verschiedenen 3D-Druck-Dienstleistern und unterschiedlichen Druckmaterialien, um durch Kollaboration die idealen Lösungen zu finden. Oxford Performance Materials (OPM), ein Hersteller von 3D-Druckmaterialien, entwickelte für diesen Fall ein spezielles Material für den SLS-3D-Druck (selektives Lasersinterns. Die SLS-Druckteile waren hochwertig und boten eine hohe Festigkeit, ohne Charlottes Körper zu viel Gewicht hinzuzufügen. Zudem ließen Sie beim Schwimmen auch leichte Flexibilität zu.

Die finale Version, SLS-3D-gedruckt mit dem von OPM entwickelten Pulvermaterial, funktionierte gut: Charlotte konnte wieder normal schwimmen und seine Hinterflossen trainieren. Damit war die Meeresschildkröte endlich auf dem Weg zur vollständigen Genesung. Bei diesem Workflow mit dem OPM-Material handelte es sich jedoch um eine vollkommen individuelle Lösung, sowohl hinsichtlich Material als auch Druckvorgang. Adia benötigte allerdings eine Option mit der Skalierbarkeit und Zugänglichkeit des computergestützten Designsystems von Wawrousek. „Wir haben uns für dieses Projekt viele verschiedene 3D-Druckverfahren angeschaut und uns aus mehreren Gründen für SLS entschieden. Einer war das Bauvolumen und die Größe der Druckteile. Zweitens konnten wir die Teile ohne Stützstrukturen drucken. Und drittens konnten wir Materialien finden, die die für dieses Projekt erforderliche Steifigkeit aufwiesen“, so Gondek.

Die Zusammenarbeit von Adia und Formlabs lieferte die perfekte Lösung – das SLS-Ecosystem der Fuse-Serie von Formlabs erstellt Teile mit der industriellen Festigkeit, die für das Geschirr nötig war, und das bei einem unkomplizierten Arbeitsablauf und einer breiten Palette von Materialien. Formlabs' Nylon 11 CF Powder bot die geforderte Steifigkeit, jedoch ohne einen Drucker in monströsem Format und den komplexen Arbeitsablauf anderer SLS-3D-Drucksysteme. „Es hat sich seitdem eine Reihe von Aquarien an uns gewandt und um Unterstützung gebeten. Deshalb wollten wir das Geschirr rein aus Gründen der Zugänglichkeit so gestalten, dass es in das Bauvolumen eines Fuse-Druckers passt. Wir möchten, dass auch andere Aquarien und Anlagen Zugang zur SLS-Technologie erhalten. Und wir glauben, dass der Fuse eine der größten Installationsbasen hat und am leichtesten zu verwenden ist“, erklärt Gondek.

Als das endgültige Geschirr gedruckt, zusammengebaut und an Charlottes Panzer befestigt war, hielt das Team den Atem an. Mit zunehmendem Alter reagierte Charlotte – verständlicherweise – immer unkooperativer auf Menschen, die ihn aus seinem Tank nehmen und seltsame neue Gurte an seinem Panzer befestigen wollen. Als die Meeresschildkröte jedoch wieder ins Wasser gesetzt wurde, schwamm sie fröhlich fort und schien sich wohl zu fühlen.

Claire Bolster, Charlottes Pflegerin und Aquaristin beim Mystic Aquarium, erklärt: „Es sieht nach einer sehr positiven Interaktion aus. Es ist schon ein bisschen her, dass wir ihm das letzte Mal ein Geschirr angelegt haben. Diese neue Version scheint also eine wirklich gute Ergänzung für ihn zu sein. Und je mehr wir ihn dazu bringen, das Geschirr zu tragen, desto mehr Gewichte können wir hinzufügen und sehen, wie er sie verträgt. Im Moment ist es jedoch ein wirklich positives Zeichen, dass er auf Anhieb gut damit zurechtkommt.“

Möchten Sie Charlotte und Schildkröten wie ihm auch gern helfen? Die Teams von Adia und New Balance sind auf der Suche nach qualifizierten Personen, die sie bei der Fortsetzung dieses Projekts unterstützen. Werfen Sie einen Blick auf das untenstehende Plakat und füllen Sie den kurzen Fragebogen aus, wenn Sie glauben, dass Sie mit Ihren Kompetenzen einen Beitrag leisten könnten.

Wenn Sie Erfahrung in den Bereichen computergestütztes Design, 3D-Erfassungstechnologie, Merkmalserkennung, Materialtechnik, großformatiger 3D-Druck oder kreative Fördermechanismen haben und Schildkröten wie Charlotte helfen möchten, füllen Sie bitte einen kurzen Fragebogen aus. Charlottes Team wird sich mit Ihnen in Verbindung setzen, wenn Ihr Profil gut zum Projekt passt.