3D-Druck Handprothese aus Titan

Teilhandprothesen können einzelne Finger oder Teile der Hand ersetzen und dem Träger die manuelle Funktionsfähigkeit zurückgeben. Beliebt sind vor allem Prothesen aus Titan. Zur Entwicklung und Herstellung wird auf den 3D-Druck gesetzt.

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MISSION ADDITIVE

Point Designs ist ein Unternehmen auf dem Gebiet der Teilhandprothetik, das robuste Lösungen für künstliche Finger anbietet. Diese bauen auf einer Kombination aus additiver Fertigung, mechanischem Design und Betreuung auf klinischer Ebene auf. Point Designs wurde von Forschern des Biomechatronics Development Laboratory an der Universität von Colorado gegründet. Das Unternehmen nutzte von Anfang an den 3D-Druck bei der Entwicklung seiner Point-Digit-Lösung. Als die Lösung immer beliebter wurde und die Nachfrage nach den Produkten die internen Kapazitäten überstieg, benötigte das Unternehmen Unterstützung bei der Herstellung. Zusammen mit 3D Systems als Produktionspartner konnte Point Designs sein Lieferproblem lösen und seinen Produktentwicklungsprozess vorantreiben.

Die enge Zusammenarbeit ermöglichte die Umstellung vom Stahl- auf den Titandruck innerhalb von nur sechs Monaten sowie eine effizientere Gestaltung der Arbeitsabläufe. Außerdem konnte das Unternehmen sich wertvolles Wissen aneignen, um das unternehmenseigene Portfolio weiterzuentwickeln. „Seit wir mit 3D Systems zusammenarbeiten, haben wir unser internes Designprotokoll deutlich verfeinert. 3D Systems hat uns neue Perspektiven aufgezeigt, um unsere Designs zu optimieren. Wir haben unsere Kenntnisse dahingehend erweitert, dass wir höhere Stückzahlen drucken, unsere Nachbearbeitungsmethoden verbessern und den Ertrag an hochpräzisen Komponenten von der jeweiligen Druckplatte steigern konnten“, sagte Levin Sliker, Mitgründer & CEO von Point Designs.

Partner für die Produktion von Komponenten für Teilhandprothesen

Bei der Suche nach einem Fertigungspartner ging es Point Designs hauptsächlich um die Fertigungskapazität. Das Unternehmen suchte nach einer Möglichkeit, die Point-Digit-Lösung an Titan anzupassen sowie die Zeit bis zur Marktreife zu verkürzen und funktionale, ästhetische und optimierte Produktkomponenten zu erhalten. Eine spezielle Herausforderung lag vor allem in der Entwicklung kleinteiliger Mechaniken sowie in der Anpassung der Druckausrichtung, um entscheidende Abmessungen und enge Toleranzen der Endprodukte zu berücksichtigen. Daher war die Erfolgsbilanz von 3D Systems bei der Herstellung medizinischer Geräte, das Fachwissen im Bereich des hochwertigen, wiederholbaren Titandrucks und die genaue Kenntnis der additiven Fertigungstechnologien und -prozesse ausschlaggebend für die Entscheidung von Point Designs.

Weiterentwicklung des Designs für die additive Fertigung

Bei der Entwicklung seiner Point-Digit-Lösung nutzte das Unternehmen die Vorteile des Designs für die additive Fertigung. Diese kam für die Vor-Ort-Fertigung von organischen Formen, halbhohlen Strukturen und Baugruppen zum Einsatz. Die Herstellung derartiger Teile und Funktionen ist ausschließlich durch die additive Fertigung möglich. So können Teile speziell im Hinblick auf ihre beabsichtigte Funktion mit geringerem Gewicht und reduzierten Montageanforderungen entwickelt werden. Zu einer Herausforderung wird der 3D-Druck, wenn das Endprodukt kleinteilige Mechaniken enthält, die strenge Toleranzen erfordern.

Eines der Teile, dessen Herstellung durch die additive Fertigung ermöglicht wurde, ist ein funktionsfähiges Scharnier. Das Scharnier wird als Baugruppe an Ort und Stelle gedruckt und kommt bei Point Designs zum Einsatz. Es erlaubt eine Drehung für natürlichere Bewegungen. Laut Levin Sliker ist die Möglichkeit, diese Baugruppe an Ort und Stelle zu drucken, ein großer Vorteil, da die Scharnierkomponenten nicht nur klein sind, sondern es sich auch um innenliegende Komponenten handelt. „Es wäre schwierig, wenn nicht gar unmöglich, sie auf andere Weise zu montieren“, sagte Sliker. „Es wäre nicht nur zeitaufwändig, sondern man müsste auch die Übersicht über einige wirklich winzige Teile behalten.“

Optimierte Druckstrategie für die Massenproduktion

Trotz der kurzen Zeitspanne bis zur Produkteinführung hatte Point Designs zu Beginn der Zusammenarbeit mit 3D Systems einige konstruktionstechnische Herausforderungen zu bewältigen. Point Designs hatte sich für eine bestimmte Druck-
ausrichtung entschieden, um den kritischen Abmessungen und engen Toleranzen seiner Endprodukte gerecht zu werden. Diese Ausrichtung war jedoch nicht für die skalierte Produktion optimiert. Deshalb wurde gemeinsam eine neue Druckstrategie entwickelt, mit der wesentlich mehr Teile in einem einzigen Druckvorgang unter Berücksichtigung nachgelagerter Prozesse gedruckt werden können. Um Narbenbildung auf kritischen Oberflächen zu vermeiden, arbeiteten die beiden Unternehmen an der Entwicklung von Stützstrukturen, die sich leicht entfernen lassen, sowie an Nachbearbeitungstechniken, die die gewünschte Oberflächengüte erzielen. „Indem wir die Teile in einer anderen Ausrichtung positionierten, konnten wir die Anzahl der Teile, die wir auf einer einzigen Bauplatte herstellen konnten, verdoppeln“, erklärte Sliker.

Titan: Leichteres Material – effizientere Nutzung

Ein Bonus, der mit der Entscheidung für 3D Systems kam, war die Möglichkeit des Druckes mit Titan. Hiervon profitieren sowohl Point Designs als auch der Endnutzer. Das geringe Gewicht, das Material und das Design der Geräte werden geschätzt. Während der Umstellung auf den anderen Werkstoff half 3D Systems Point Designs bei der Bewältigung spezifischer Herausforderungen, die sich beim Druck mit Titan ergeben. Dazu gehörte in erster Linie die Unterstützung bei der Entwicklung von Produkten, die dem Schrumpfungsfaktor von Titan Rechnung tragen. „Durch die Zusammenarbeit haben wir unseren Designprozess für bestehende und zukünftige Produkte auf jeden Fall verbessert. So können wir das nächste Produkt einfacher implementieren und schneller eine eingefrorene Konstruktionsdatei für die Massenproduktion erstellen“, sagte Sliker.

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Besseres Fingergefühl durch Titan

Als Endnutzer der Point-Designs-Lösung hat Jeff Soelberg sowohl die Stahl- als auch die Titanversion getragen. Der Unterschied, den die Gewichtsreduzierung von 30 Prozent durch das neue Material ausmachte, war sofort spürbar. Wenn er das Stahlgerät trug, sagte Soelberg, habe es sich angefühlt, als würde er ein kleines Gewicht mit sich herumtragen: „Nach dem Wechsel zu Titan ist das Gerät so viel leichter und es fühlt sich viel natürlicher an.“ Nicht nur die Gewichtsreduzierung wird von den Endnutzern positiv bewertet. Auch das Material und das Design der Geräte werden sehr geschätzt, da diese robust, langlebig und leicht zu reinigen sind. Die Träger können die Geräte wie normale Finger in allen Situationen einsetzen. So sagte Soelberg, dass er 95 Prozent der Dinge, die er vor seinem Unfall getan habe, jetzt wieder tun könne.

Point Designs und 3D Systems arbeiten gemeinsam an vier Produkten, die jeweils aus mehreren 3D-gedruckten Komponenten bestehen und in verschiedenen Größen erhältlich sind. Sobald Point Designs die gedruckten Teile von 3D Systems erhält, werden diese vom Point-Designs-Team mit einer Kombination aus Standard- und kundenspezifischen Komponenten zusammengebaut. Nach der Montage liefert Point Designs seine Produkte an einen Orthopädietechniker, der für den jeweiligen Kunden individuelle Prothesen anfertigt.

Laut Griffin Drye, Business Development Specialist bei Point Designs, haben die Unternehmen seit der Zusammenarbeit mit 3D Systems einen zuverlässigen Produktionsrhythmus etablieren können. Point Designs habe seitdem keine Auftragsrückstände mehr. Nach der erfolgreichen Markteinführung von Point Digit 2.0, einem Medizinprodukt der Klasse I, arbeitet das Unternehmen an weiteren Prothesenangeboten.

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