Medizintechnik 4.0: Die wahre vierte Revolution

© Joel Gibbard

Medizintechnik 4.0: Die wahre vierte Revolution

Kaum ein Thema bewegt die technische Welt aktuell so, wie Industrie 4.0. Doch das wirklich Revolutionäre ist nicht die digitale Fabrik, sondern die neue Form des digitale Produzierens, die nun sogar das Heilwesen erobert. Die Rede ist vom 3D-Druck, einer Billigvariante eines uralten Verfahrens.

Uralt? Ja, Sie haben richtig gelesen. 1984 erfand der amerikanische Ingenieur Chuck W. Hull mit der Stereolithografie das 3D-Drucken, den schichtweisen Aufbau von Bauteilen mit dem Laser. Seitdem wurde das Verfahren fast jedes Jahr neu erfunden: Die  Bandbreite der laserbasierten Techniken reicht mittlerweile von der Badhärtung per UV-Licht bis hin zum Verkleben von Papierblättern. Alle Verfahren eint laut Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT in Aachen das Prinzip "Vom Bit zum Photon und zum Atom": Der Laser wandelt die digitalen Konstruktionsdaten eines Computers in Lichtteilchen (Photonen) um, die dann Werkstoffe be- oder verarbeiten.

Herstellung ohne Werkzeug

Für die Serienproduktion von Kunststoffteilen eignen sich laut einer Untersuchung der Schweizer inspire AG aus St. Gallen  nur Selective Laser Sintern (Aufschmelzen und Verfestigen von Polymerpulver) und zum Teil das Fused Deposition Modelling (schichtweiser Aufbau von Werkstoffen aus amorphem Thermoplast, einem schmelzfähigem Kunststoff). Für Metallbauteile kommen das Laserauftragsschweißen (LMD) und das Laserstrahlschmelzen (SLM) infrage. Alle diese Verfahren ermöglichen eine werkzeuglose Herstellung, indem sie 3D-CAD-Daten durch Auf- und Aneinanderfügen von Schichten direkt in physische Bauteile umwandeln. 

Billigdrucker bringen Schwung in die Szene

Wegen der hohen Kosten für die Maschinen (etwa von 25.000 bis über 500.000 Euro) hat es sich bisher vor allem beim Herstellen von Prototypen, Ersatzteilen und Mustern bewährt, bei denen sonst teure Werkzeuge zum Einsatz kommen oder die sich wegen ihrer Komplexität nur so fertigen lassen. Die neuen Billigdrucker für jedermann bringen nun Schwung in die Szene: Bei Saturn gibt es aktuell beispielsweise schon 3D-Drucker für 650 bis 2222 Euro, mit denen sich aus Kunststoff (PLA, ABS) kleinere Bauteile zu niedrigen Kilopreisen (rund 60 Euro) fertigen lassen. Ein echter Unterschied zum industriellen 3D-Druck mit Spezialwerkstoffen, bei denen das Herstellen eines Bauteils schon mal mehr als 1000 Euro pro Kilogramm kostet. 

Mit einem derartigen Low-Cost-Drucker (Lulzbot Taz 3D printer für rund 2000 Euro) und thermoplastischem Kunststoff NinjaFlex (rund 80 Euro pro Kilogramm) steigt der englische Ingenieur Joel Gibbard aus in die Medizinbranche ein:: Er will in seiner eigenen kleinen Firma Open Bionics Ltd. in Bristol preiswerte Roboterhände herstellen. Auf der  Consumer Electronics Show 2015 in Las Vegas demonstrierte Daniel Melville aus Reading (England), wie er dank der Low-Cost-Lösung (Materialkosten: unter 300 Euro) wieder mit rechts kraftvoll zugreifen kann. Für die Prothese spricht die genial-einfache Vorgehensweise: Joel Gibbard hat innerhalb von 20 Minuten mit seinem iPad und 3D-Sensor den Arm  von Daniel gescannt, dem von Geburt an die rechte Hand fehlt. Die komplette Produktion dauerte inklusive 3D-Druck rund 40 Stunden. 

Asimov-Hand: Revolution der Prothesen-Produktion

Die Idee kam in Las Vegas an: Joel Gibbard erhielt im Januar für seine Erfindung auf der High-Tech-Show den „CES Best Product Innovation Award“. Beflügelt von der Resonanz und dem Medieninteresse will der clevere Erfinder eine komplett in allen Fingern bewegliche Version auf den Markt bringen, die nach dem russisch-amerikanischen Science-Fiction-Autor Isaac Asimov benannt ist. Gibbard: „Die Asimov-Hand wird die Prothesen-Industrie revolutionieren.“ Dafür spricht auch der Preis: Seine individuell anpassbare Roboterhand soll nur noch 900 Euro kosten, vergleichbare „handelsübliche“ Cyber-Prothesen kosten sonst das Hundertfache.

Der Einsatz des Additive Manufacturing  (AM) beim Herstellen von Prothesen ist nicht neu: Per Computer-Tomographie-Scan und 3D-Druck entstehen seit längerem bereits sogenannte Planungsmodelle, die Orthopäden beim Vorbereiten von Operationen nutzen. Ralf Schumacher vom Institut für Medizinal- und Analysetechnologien IMA (Fachhochschule Nordwestschweiz FHNW) in Muttenz: „Meist wurde auf diese Weise die Knochensituation repräsentiert, um daran Umstellungseingriffe zu planen sowie Knochenplatten durch Biegen anpassen zu können.“  Bisher scheiterte die AM-Produktion von Ersatzteilen seiner Ansicht nach jedoch nicht am Herstellprozess, sondern weil lange Zeit für den Einsatz im Körper zugelassene, sogenannte biokompatible Werkstoffe fehlten. 

Aachen: Die Prozesskette im Visier 

Die Weiterentwicklung der Verfahren und Werkstoffe geschieht in Aachen mit 20 Industrieteilnehmern (wie Siemens und Philips) und dem Fraunhofer ILT im Forschungscampus „DPP – Digital Photonic Production“. Die dort gewonnenen Erkenntnisse dürften auch in ein anderes medizintechnisches Projekt rund um das am Fraunhofer ILT erfundene SLM-Verfahren einfließen: Forscher des angegliederten Lehrstuhls für Lasertechnik LLT entwickeln unter anderem mit der Uniklinik Aachen eine Prozesskette, die von der Planung über die biomechanische Modellierung bis zur Herstellung von individualisiertem Kniegelenkersatz reicht. Es ist doch erstaunlich, wie eine scheinbar uralte Erfindung aus den USA immer noch die Forschung und Industrie inspiriert. 

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Über den Autor

Nikolaus Fecht ist Diplomingenieur für Elektrotechnik. Der gebürtige Rheinland-Pfälzer lebt in Gelsenkirchen und arbeitet als Fachjournalist für Verlag, Industrie, Verbände und für ein Fraunhofer-Institut.

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