SLS-Verfahren Leichtere Inkubatoren dank 3D-Druck

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Die LMT Medical Systems GmbH nutzt 3D-Druck, um das Gewicht ihrer Inkubatoren zu reduzieren und Kernkomponenten in die Serienproduktion zu überführen. Dabei arbeitet das Unternehmen mit Materialise zusammen.

LMT Medical Systems stellt Inkubatoren her, die es in sich haben. Wie herkömmliche Systeme bieten sie Frühgeborenen eine lebensrettende Umgebung, aber ihr Design unterscheidet sie von anderen. Mit einem LMT-Inkubator kann das medizinische Personal Neu- und Frühgeborene direkt von der Neugeborenen-Intensivstation für eine MRT-Untersuchung in die MR-Suite transportieren – etwas, das vorher unmöglich war. Das Baby ist während des gesamten MRT-Prozesses geschützt, was neue Möglichkeiten für potenziell lebensrettende Untersuchungen eröffnet.

„Die MRT-Kompatibilität macht unser System besonders“, erklärt Judith Müller, Maschinenbauingenieurin bei LMT. „Wie können wir das erreichen? Durch die speziellen Materialien, die wir auswählen, und durch die Abschirmung unseres Elektroniksystems. Außerdem bieten wir ein batteriebetriebenes Netzteil an, das sich für den krankenhausinternen Transport eignet.“

„Wir produzieren 10 bis 20 Systeme pro Jahr für Kunden in der ganzen Welt, von China bis zu den USA und auch Europa", so Müller weiter. „Dazu gehören sowohl der Inkubator als auch die HF-Spulen. Das Projekt ist für jeden Kunden individuell und wir müssen auch die Vorschriften für Medizinprodukte erfüllen.“ Es ist verständlich, dass LMT mit einer Reihe von Vorschriften konfrontiert ist, die mit der Entwicklung eines solchen Medizinprodukts einhergehen. Jedes Material muss nicht nur den Vorschriften für Medizinprodukte entsprechen, sondern auch bestimmte Eigenschaften aufweisen. „Die erste ist, dass sie nicht magnetisch sein dürfen“, erklärt Müller. „Zum anderen muss sichergestellt werden, dass sie im MRT-Bild nicht sichtbar sind. Beides müssen wir bei jedem Material, das wir verwenden, berücksichtigen. Natürlich müssen wir auch die Anforderungen der elektrischen Sicherheitsnormen erfüllen und für die Isolierung der elektrischen Teile sorgen.“

Abgesehen von diesen Anforderungen schlossen die geringen Stückzahlen, die pro Jahr produziert werden, herkömmliche Fertigungstechniken für die Serienproduktion praktisch aus – zumindest ohne große Mengen an Teilen lagern zu müssen.

Redesign für AM und Druck mit SLS

Seit 2018 fertigt LMT eine große Anzahl von Bauteilen aus Polyamid im 3D-Druck, da sich die Technologie als ideal erwiesen hat. Ein wichtiger Schritt war die Entscheidung, die Inkubatoren für die additive Fertigung neu zu konzipieren – der beste Weg, um die Möglichkeiten der Technologie zu optimieren. Nachdem LMT das neue System intern entworfen hatte, wandte sich das Unternehmen an Materialise, um es in die Tat umzusetzen.

„Wir haben 3D-gedruckte Teile zum ersten Mal in einer früheren Entwicklung eingesetzt, etwa 2016, als wir eine neue Kopfspule hinzugefügt haben“, erzählt Müller. „Dieses neue Design begann mit der Idee, 3D-Druck zu verwenden. Das komplette Gehäuse ist aus 3D-gedruckten Teilen gefertigt. Es gibt auch Teile, die im Inneren ein Gewinde benötigen, daher verwenden wir verschiedene Techniken, z. B. verwenden wir Gewindeeinsätze oder arbeiten sie sogar direkt in das Material ein.“

Seitdem nutzt LMT selektives Lasersintern (SLS) als Verfahren zur Herstellung des Inkubators. Da die Teile einzeln gedruckt werden, kann das LMT-Team die Maschinen leicht zusammenbauen, bevor es sie an seine Kunden verschickt. SLS-gedruckte Teile werden z. B. zusammengeklebt und mit einem Lack versehen. Die Möglichkeit, Teile schnell und bedarfsgerecht zu drucken – ein inhärenter Vorteil der Serienproduktion durch additive Fertigung – ist der Schlüssel zur Aufrechterhaltung einer kurzen Vorlaufzeit.

„Das wirklich Gute an Polyamid ist, dass es sich gut anfühlt. Es ist sehr flexibel, aber auch fest. Wir stellen die Biokompatibilität durch die von uns verwendete Beschichtung sicher, sie ist also keine Anforderung an das Material selbst. Das Ablösen der Beschichtung ist jedoch ein Risikopunkt, daher ist es hilfreich, sie aus einem sicheren Material wie PA 12 herzustellen", erklärt Müller. „In der Vergangenheit habe ich darüber nachgedacht, ein anderes Material zu verwenden, damit wir die zusätzliche Schicht nicht auftragen müssen. Ich habe andere Technologien wie FDM (Fused Deposition Modeling) geprüft, aber man hat immer sichtbare Schichten auf der Oberfläche, was es für medizinische Geräte ungeeignet macht. Deshalb komme ich immer wieder auf Polyamid und SLS zurück, weil die Kosten und die Möglichkeiten, die der Pulverdruck bietet, wie z. B. der Wegfall von Stützstrukturen, überzeugen."

Judith Müllers letzter Punkt ist besonders wichtig, wenn man bedenkt, dass LMT gerne in die Serie fertigt. Jeder Auftrag besteht aus einem bis zehn Teilen, so dass keine übermäßige Lagerhaltung erforderlich ist. Die Verwendung einer digitalen Lösung ermöglicht es dem Team außerdem, die Produkte flexibel zu optimieren – etwas, das Müller gerne zusammen mit Materialise tun möchte.

Einhaltung der gesetzlichen Vorschriften und 15 kg Gewichtseinsparung

Das LMT-Team hat eine erfolgreiche Kombination gefunden und ist mit seiner neuesten Konstruktion zufrieden, die durch eigene Qualitätskontrollen und kleine Nachbearbeitungen finalisiert wird. Die Ergebnisse sprechen für sich. Die Maschinen entsprechen nicht nur den wichtigen medizinischen Vorschriften, sondern die Umstellung auf den 3D-Druck bringt auch weitere Vorteile mit sich. Jetzt geht es nur noch um kontinuierliche Verbesserung.

„Das Schöne an diesem Entwicklungsprozess ist, dass wir wissen, dass wir alle unsere Anforderungen von Anfang an erfüllen können und trotzdem eine große Designflexibilität haben, um komplexe Komponenten herzustellen“, sagt Müller. „Einer der Hauptgründe für die Entwicklung dieses neuen Geräts war es, Gewicht zu sparen. Die Inkubatoren müssen angehoben werden und das letzte Modell wog etwa 45 kg. Jetzt wiegt es 30 kg und wir haben sogar begonnen, unsere Teile auszuhöhlen, um sie noch leichter zu machen. Wir werden einfach besser und besser.“

Ein wichtiger Teil dieser Verbesserung ist die kontinuierliche Zusammenarbeit, die Müller und das LMT-Team zu schätzen wissen. „Die Zusammenarbeit mit Materialise war von Anfang an eine sehr gute Erfahrung“, sagt sie. „Nach dem ersten Treffen mit den Projektingenieuren hatten wir die Möglichkeit zu entscheiden, ob wir online über Materialise Onsite bestellen wollten, was wir bei kleinen Teilen oft tun, oder ob wir uns bei komplexeren, größeren Teilen an sie wenden wollten, was wir ebenfalls schätzen. Es ist großartig zu wissen, dass wir immer die Möglichkeit haben, mit Materialise zu sprechen, guten Input zu bekommen und zusammenzuarbeiten.“

* Der Autor: Frank Küchelmann ist Marketing Manager der Materialise GmbH (Bremen).

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