Anwenderberichte

3D-Druck im Mikromaßstab für High-Fidelity-Prototyping von medizinischen Teilen

Kaleidoscope® Innovation aus Cincinnati, Ohio, ist ein Unternehmen für Produktdesign und -entwicklung, das international anerkannte Marken und innovative Kunden betreut. Als die Design-Ingenieurin Olivia Enneking High-Fidelity-Prototypen von kleinen, präzisen medizinischen Teilen benötigte, fragte sie eine Kollegin nach Boston Micro Fabrication (BMF), die 3D-Drucker mit Mikropräzision herstellt. Ennekings Kollegin hatte bereits mit BMF zusammengearbeitet und war begeistert, wie schnell die Erfinder der Projektionsmikro-Stereolithografie (PµSL) Teile im Mikrobereich aus biokompatiblen Materialien herstellen konnten.

Die Prototypen, die Enneking benötigte, erforderten keine Biokompatibilität, aber sie wollte schnell herstellbare mikroskalige Teile aus Kunststoffen mit vergleichbaren Eigenschaften wie Polyetheretherketon (PEEK), Polycarbonat (PC) und Polypropylen (PP). Diese Kunststoffe werden üblicherweise im Spritzgussverfahren eingesetzt, dem Verfahren, das für die Endteilproduktion verwendet wird. Das Mikrospritzgießen kann jedoch Werkzeugkosten in Höhe von mehreren hunderttausend Euro verursachen und ist daher keine gute Wahl für Prototypen, bei denen Designänderungen zu Ausschuss führen können. Die CNC-Bearbeitung kann ebenfalls Teile im Mikromaßstab herstellen, hat aber, wie der Spritzguss, längere Vorlaufzeiten als der 3D-Druck.

PµSL 3D-Drucker und das offene Materialsystem von BMF

Wie andere Formen des 3D-Drucks benötigt auch die PµSL-Technologie von BMF keine Formen oder Werkzeuge. Allerdings ist PµSL in der Lage, eine Auflösung von 2µm~10µm und eine Toleranz von +/- 5µm~25µm zu erreichen und das bei höheren Geschwindigkeiten als andere Mikrofabrikationsmethoden. Darüber hinaus verfügt BMF über ein offenes Materialsystem, das es den Kunden ermöglicht, BMFs eigene, speziell formulierte Polymere oder Harze von anderen Anbietern zu wählen. Jason Bassi, BMFs Verkaufsleiter für Nordamerika, wurde Ennekings Ansprechpartner und war, wie der Konstrukteur erklärt, "immer bereit, bei der Maschinen- und Materialauswahl zu helfen". Bassi erklärt: "Wir erkennen die gleichen großen Vorteile des PµSL-3D-Drucks im Vergleich zum traditionellen 3D-Druck, aber wir stoßen oft an die Grenzen dessen, was im Mikromaßstab möglich ist, und arbeiten eng mit unseren Kunden zusammen, um ihre Anforderungen zu erfüllen".

Für die Herstellung der Prototypen von Kaleidoscope International verwendete BMF jeden seiner Drucker der 10-µm-Serie: den microArch P140, den microArch S140 und den microArch S240. Da BMF Materialdatenblätter auf seiner Website zur Verfügung stellt, konnte Enneking verschiedene Harze bewerten und ihre Eigenschaften mit denen von PEEK, PC und PP vergleichen. Olivia gefiel es, eine Auswahl an Materialien zu haben, und sie identifizierte drei Harze für die Gebrauchstauglichkeitstests. HEK-Harz, ein steifes und zähes Material, bietet Festigkeit und Dehnung. HTL-Harz ist ein technischer Hochleistungswerkstoff, der Wärmebeständigkeit mit hoher Festigkeit und Steifigkeit kombiniert. UTL-Harz bietet eine hohe Zähigkeit und Dehnung für Anwendungen, die eine hohe Flexibilität erfordern.

Wenn Sie Teile bestellen möchten, müssen Sie drei Dinge beachten: Qualität, Kosten und Vorlaufzeit. Andere 3D-Drucker können Kosten und Vorlaufzeit erfüllen, und Spritzguss kann Qualität und Kosten erfüllen. Mit dem Mikro-Präzisions-3D-Druck von BMF erhalten wir alle drei Punkte.

- Olivia Enneking, Kaleidoskop Innovation

Erstellen von Prototypen für Usability-Tests

BMF druckte dann 3D-Teile aus HEK, HTL und UTL für Chirurgen-Tests, eine Art Usability-Test, bei dem Chirurgen frühe Versionen eines Produkts mit Kadaver- oder Tiergewebe verwenden. Während dieser Tests können die Designer feststellen, dass ein Produkt anders als beabsichtigt verwendet wurde. Die Chirurgen geben ebenfalls Feedback. Diese Informationen fließen dann in die weitere Entwicklung des Produkts ein. Bei Projekten wie diesem ist es kostspielig, die für das Mikrospritzgießen erforderlichen Werkzeuge zu verschrotten. Der 3D-Druck macht diese Werkzeugkosten überflüssig, aber die Konstrukteure müssen trotzdem die Kosten gegen andere Anforderungen abwägen.

Die meisten 3D-Drucker sind nicht in der Lage, mikroskalige Teile mit hoher Präzision, Auflösung und Genauigkeit herzustellen. Mit anderen existierenden Technologien, wie z. B. 2-Photon, sind solche Teile zwar möglich, aber die Präzision ist größer als nötig und die Druckgeschwindigkeit ist zu langsam. Mit der Technologie von BMF kann Kaleidoscope Innovation jedoch 3D-Prototypen im Mikromaßstab drucken, die in Bezug auf Auflösung, Genauigkeit und Präzision CAD-getreu sind. Wichtig ist, dass der mikroskalige 3D-Druck von BMF auch andere wichtige Variablen ausgleicht, die Konstrukteure bewerten müssen. "Bei der Bestellung von Teilen gibt es drei Dinge zu beachten: Qualität, Kosten und Vorlaufzeit", erklärt Enneking. "Andere 3D-Drucker können Kosten und Vorlaufzeit erfüllen, und der Spritzguss kann Qualität und Kosten erfüllen. Mit dem Mikro-Präzisions-3D-Druck von BMF bekommen wir alle drei."