Additive Fertigung Medizinisches Einwegprodukt im Mikro-3D-Druck fertigen

Für die Endourologie hat RNDR Medical ein neues Einweg-Ureteroskop entwickelt. Um Prototypen zu fertigen, hat sich das Unternehmen Hilfe gesucht. Dabei stießen sie auf die Projektions-Mikro-Stereolithografie, eine neue Technologie für den Mikro-3D-Druck.

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MISSION ADDITIVE

RNDR Medical hat ein neuartiges Einweg-Ureteroskop für die Endourologie entwickelt, das in Kürze auf den Markt kommt. Es wird zur Visualisierung, Diagnose und Behandlung bei Erkrankungen der Harnwege, wie Nierensteinen und Urothelkarzinomen, eingesetzt sowie für Pyeloskopieverfahren, die einen therapeutischen Zugang zum Nierenbecken und zu den Nieren erlauben. Das Ureteroskop ist mit einer hochauflösenden Digitalkamera und Beleuchtung ausgestattet, die eine direkte Visualisierung der Anatomie ermöglichen. Eine Flüssigkeitsspülung sorgt über längere Zeit für ein klares Bild. Durch einen Arbeitskanal des Ureteroskops lassen sich Instrumente wie Lithotripsiefasern und Rückholkörbe für Nierensteine führen.

Hohe Werkzeugkosten – lange Vorlaufzeiten

Alle diese Bestandteile konzentrieren sich auf die distale Spitze des Ureteroskops, wo sie präzise und vollständig dicht innerhalb eines Profils mit 3,302 mm Durchmesser untergebracht werden müssen, um das Eindringen von Flüssigkeit in das Gerät zu verhindern. Die äußere Geometrie der vorwärts gerichteten Spitze muss zudem atraumatisch, also das Körpergewebe nicht oder nur möglichst gering verletzend, für die Anatomie gestaltet sein. So weist das Bauteil eine komplexe 3D-Geometrie, enge Toleranzen und eine Wandstärke auf, die eigentlich nur im Mikrospritzguss gefertigt werden kann. Doch die Produktionszahlen von wenigen 10.000 pro Jahr amortisieren die hohen Werkzeugkosten für den Mikrospritzguss erst nach langer Zeit.

Eine Alternative zum Mikrospritzgießen

Deshalb suchten der Geschäftsführer von RNDR Anthony Appling und Keith Wells als leitender Konstrukteur nach einer Alternative zum Mikrospritzgießen, den damit verbundenen Kosten und langen Vorlaufzeiten. Dabei stießen sie auf die Projektions-Mikro-Stereolithografie (PμSL), eine neue Technologie für den Mikro-3D-Druck von Boston Micro Fabrication (BMF). Tatsächlich ermöglichten die Mikropräzisions-3D-Drucker der Micro-Arch-Serie von BMF mit einer Auflösung von 2 bis 25 μm und einer Toleranz von +/– 10 bis 25 μm in einer frühen Phase eine schnelle, iterative Entwicklung der distalen Spitze. Damit ließ sich der Entwicklungszeitplan erheblich verkürzen, die Kosten für die teure Mikrobearbeitung von Prototypen sowie die Investitionen und langen Vorlaufzeiten für das Mikrogießen wurden eingespart. Es wären mehrere Werkzeuge benötigt worden, um eine Auswahl an Spitzengeometrien mit dem richtigen Material testen zu können. Die Geschwindigkeit und Flexibilität des BMF-Systems war für das Entwicklungsteam von Vorteil, um mit minimalem Zeit- und Kostenaufwand ein optimales Design zu finden.

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Projektions-Mikro-Stereolitho­grafie (PμSL)

Projektions-Mikro-Stereolithografie(PµSL)-Drucker grenzen sich von anderen 3D-Druckverfahren ab, indem sie die Vorteile der Digital-Light-Processing(DLP)- und Stereolithografie(SLA)-Technologien nutzen. Bei PµSL wird in der gleichen Richtung wie bei SLA gedruckt. Anstatt jedoch einen kleinen Laserpunkt zu verwenden, wird das gesamte Bild oder ein Teil des Bildes ausgehärtet, wie es bei DLP der Fall ist. Dazu kommt eine dünne Kunststoffmembran, die das unausgehärtete Harz innerhalb des Bottichs ständig dehnt und nivelliert. Dieser Prozess stellt mikroskopisch kleine Teile mit höchster Auflösung her, und das mit viel höherer Geschwindigkeit als herkömmliche Mikrofabrikationstechniken.

Mikro-3D-Druck nicht nur für Prototypen

Außerdem stellten Appling und Wells fest, dass das BMF-Material dem Testprogramm des Bauteils so gut standhielt, dass die additive Fertigung nicht nur für die Prototypen, sondern auch für erste Produktionsmengen eine gute Lösung darstellte. „Die 3D-Drucktechnologie von BMF ermöglicht eine schnelle, iterative Entwicklung von Präzisionsbauteilen und bringt die Vorteile der additiven Fertigung im Maßstab bis in die Produktion“, so Appling. Die Flexibilität und Skalierbarkeit des BMF-Systems bezüglich der Stückzahlen erwiesen sich als Vorteil. Inzwischen kann RNDR bis zu 500 Einheiten der Ureteroskop-Spitzen in einem Produktionszyklus herstellen.

RNDR Medical konnte mit der BMF-Technologie die Entwicklungszeit um die Hälfte verkürzen. Dank der Mikro-3D-Drucker wurden Entwürfe innerhalb von Tagen und Wochen, anstatt Monaten, bewertet und überarbeitet. Die geometrische Genauigkeit und Materialintegrität der 3D-gedruckten Teile schafften Vertrauen und die 3D-gedruckten distalen Spitzen hielten präklinischen Tests in einer simulierten Anwendungsumgebung stand. Nun will das Unternehmen den Mikro-3D-Druck als Brückentechnologie zwischen der anfänglichen Vermarktung in kleinen Stückzahlen und der Großserienproduktion nutzen.

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