Prototypen

3D-Druck Corona-Krise – Wie die 3D-Druck-Industrie hilft

Redakteur: Katharina Juschkat

Die Europäische Kommission bittet um Unterstützung, Krankenhäusern dringend benötigte medizinische Ausrüstung mithilfe von 3D-Druck zur Verfügung zu stellen. Wir zeigen, wie sich Unternehmen und Universitäten daran beteiligen.

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HP nutzt sein globales Netzwerk an Fertigungspartnern, um kritische Komponenten mit dem 3D-Drucker herzustellen, wie FFP3 Gesichtsmasken.
HP nutzt sein globales Netzwerk an Fertigungspartnern, um kritische Komponenten mit dem 3D-Drucker herzustellen, wie FFP3 Gesichtsmasken.
(Bild: HP)

Angesichts der Corona-Pandemie und der knapper werdenden medizinischen Ausrüstungen hat die Europäische Kommission 3D-Druck-Unternehmen und Institutionen dazu aufgerufen, mit ihren Kenntnisse und Produktionskapazitäten auszuhelfen. Wir stellen einige Projekte aus der Industrie und Forschung vor, und zeigen, wie sich weitere Unternehmen beteiligen können.

Aus Schnorchelmasken werden Notfall-Atemschutzmasken

Vor allem in Italien ist die Lage angespannt und Krankenhäuser brauchen jede Unterstützung – unabdingbar sind unter anderem Beatmungsmasken für Patienten. So entstand die Idee des italienischen Unternehmens Isinnova, aus Decathlon-Schnorchelmasken eine Notfall-Beatmungsmaske zu konstruieren.

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Hersteller der Schnorchelmaske „Easybreath“ ist Decathlon, die auf Anfrage sogleich ihre CAD-Daten für eine Modifzierung zur Verfügung stellten. Benötigt wurde eine neue Komponente, um die Maske an ein Beatmungsgerät anzuschließen – das neu entwickelte Charlotte-Ventil, das mithilfe eines 3D-Druckers hergestellt werden kann.

Der Prototyp der Maske wurde in Italien an einem Patienten in Not erfolgreich getestet. Die Hersteller betonen jedoch ausdrücklich, dass die Maske keine medizinische Zertifizierung hat und nur in ausgesprochenen Notfallsituationen verwendet werden darf, etwa wenn es nicht möglich ist, offizielle medizinische Ausrüstung zu beschaffen.

Die Unternehmen Isinnova und Fablab Brescia stellen das Ventil kostenlos zur Verfügung und lassen es patentieren, um Preisspekulationen zu verhindern. Verschiedene Unternehmen wie der 3D-Druck-Dienstleister Weerg und der On-Demand-Anbieter Protolabs unterstützen die italienischen Ingenieure Isinnova und Protezione Civile. Protolabs hat bisher 100 3D-gedruckten Ventile für die lebensrettenden Notfallbeatmungsmasken gefertigt.

Baukasten für Gesichtsmaske

Der Fertigungsspezialist FIT Additive Manufacturing Group hat einen speziellen Filterträger (FiT) entwickelt, der mit nahezu jedem Filtermaterial zu einer Notbehelfsmaske kombiniert werden kann. Gedacht ist der Filter für die breite Bevölkerung.

Der Bausatz ist mehrfach verwendbar, desinfizierbar, spülmaschinenfest und besteht aus zwei identischen Kunststoffkörbchen, zwischen die ein beliebiges Filtermaterial – vom einem Papiertaschentuch, über Baumwolltücher oder antimikrobielle Bezüge bis hin zu professionellem Vliesmaterial – eingelegt werden kann. Das Filtermaterial soll schnell ausgetauscht werden können, da jedes Material durch zunehmende Feuchtigkeit an Wirkung verliert.

Der Filterträger kann ab sofort zum Selbstkostenpreis bestellt werden. Der Datensatz für eine 3D-druckbare Variante steht kostenlos zum Download zur Verfügung.

Kostenloses, 3D-gedrucktes Gesichtsschutzvisier

3D-Drucker-Hersteller Stratasys hat einen Zusammenschluss zur Produktion von Gesichtsschutz-Visieren per 3D-Druck ins Leben gerufen. Mittlerweile sind über 150 Unternehmen und Universitäten beteiligt. Bisher stellten die Firmen rund 5.000 Visiere kostenfrei her, die Zahl soll in den kommenden Tagen gesteigert werden.

Jede 3D-Druck-Firma, die helfen möchte und mindestens 100 Visiere drucken kann, kann ein Online-Formular ausfüllen, um zur Teilnahme an der Initiative eingeladen zu werden. Stratasys hat zudem die vollständige Druck- und Montageanleitung für das Gesichtsschutz-Visier veröffentlicht, damit jeder selbstständig Gesichtsschutz-Visiere herstellen kann.

Außerdem hat das Unternehmen die Materiallizenzen für viele seiner High-End-Drucker, die während dieser Zeit zur Herstellung der Visiere verwendet werden, kostenlos bereitgestellt.

Internationale Plattform im Kampf gegen Corona

3D-Drucker-Hersteller EOS bietet auf seiner offenen Plattform Zugang zu relevanten Daten und wichtige Dateien zum kostenlosen Download. Zudem sammelt das Unternehmen Projekte, die sich bereits beim Kampf gegen Corona beteiligen. Die Website 3DAgainstCorona wird regelmäßig aktualisiert. Damit will EOS weitere Unternehmen dazu aufrufen, sich mittels 3D-Druck zu beteiligen.

EOS versichert, alle Beiträge zunächst zu prüfen, ob es den medizinischen Standards entspricht, bevor sie veröffentlicht werden.

3D-gedruckter Nasenabstrich

Nicht nur Schutzausrüstung für medizinisches Personal wird knapp – auch Material, um auf COVID-19 zu testen, ist nachgefragt. Unter anderem braucht es Nasenabstrich-Stäbchen, deren Angebot jedoch sehr begrenzt ist.

Das 3D-Druckunternehmen Formlabs hat gemeinsam mit der University of South Florida und Northwell Health einen 3D-gedruckten Nasenabstrich produziert und getestet. Alle Tests zeigten, dass die 3D-gedruckten Nasenabstriche die gleiche Leistung und den gleichen Patientenkomfort erbringen wie Standardabstriche, die für die Prüfung auf COVID-19 verwendet werden.

Kunststoffkassetten für Tests auf Covid-19

Protolabs arbeitet mit Ausdiagnostics zusammen, um innerhalb kürzester Zeit Kunststoffkassetten herzustellen. Diese werden genutzt, um die kritische medizinische Lösung für den Test auf Covid-19 aufzubewahren. Die Herausforderung für Protolabs: 500 Musterteile im Spritzgussverfahren herzustellen. Die ersten CAD-Zeichnungen waren nicht für die Fertigung geeignet, daher wurden diese optimiert und das richtige Material wurde spezifiziert. Die Produktion der Teile, die bis zum 9. April versandt werden sollen, hat bereits begonnen.

Die Tests sind für Diagnosezentren in ganz Europa vorgesehen. AusDiagnostics stellt täglich fast 200 Testsätze her; durch die Spritzgussfertigung von Protolabs können 20.000 Kassetten pro Quartal hergestellt werden, um die steigende Nachfrage zu bedienen.

Die Grundlage ist der digitale End-to-End-Herstellungsprozess von Protolabs. Dieser Bestellprozess basiert auf einer E-Commerce-Plattform und erfordert keinen direkten menschlichen Kontakt. Der Herstellungsprozess funktioniert digital, auch wenn hier vereinzelt Mitarbeiter benötigt werden. Dank der Digitalisierung sind allerdings deutlich weniger menschliche Eingriffe notwendig als bei jeder anderen Art der Herstellung.

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Ingenieure konstruieren Schutzmasken aus dem 3D-Drucker

Ein Gummiband, eine Folie und zwei Bauteile aus dem 3D-Drucker – daraus stellen Ingenieure der Universität Duisburg-Essen (UDE) gerade dringend benötigte Schutzmasken zur Behandlung von Corona-Patienten her. Wenn alles klappt, so die Universität, sollen 1.000 Stück so bald wie möglich an das Uniklinikum Essen (UK Essen) gehen.

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Aus den industriellen 3D-Druckern an der Universität kommen passgenau hergestellte Bauteile aus Kunststoff, die mit einem Gummiband am Kopf befestigt werden. Dr. Stefan Kleszczynski erklärt: „Das Schild für die Maske schneiden wir aus Folien von Overhead-Projektoren zu. Diese sammeln wir gerade überall an der Uni ein.“

Das Datenmodell der Maske stammt von der tschechischen Firma Prusa. Je nach 3D Druck Verfahren und verwendetem Werkstoff kostet der Gesichtsschutz zwischen zwei und neun Euro pro Stück. Die ersten Prototypen wurden bereits am UK Essen getestet und für gut befunden.

Ein Produktvideo des tschechischen Unternehmens:

Auch das Kunststoffzentrum SKZ aus Würzburg beteiligt sich an der Herstellung des Gesichtsschutzes auf Grundlage des tschechischen Designs. Ein erster Testlauf stieß nach eigenen Angaben bei Würzburger Ärzten auf großen Anklang. Jetzt arbeitet SKZ mit Hochdruck an einem Re-Design der Konstruktion, um es für die Kleinserienproduktion zugänglich zu machen.

Initiative will bundesweit benötigte Ersatzteile drucken

Um den Bedarf an Ersatz- und Verschleißteilen für medizinische Geräte durch 3D-Druckverfahren zu decken, haben sich verschiedene Universitäten und Firmen zu einer Initiative zusammengeschlossen. Die Initiative versteht sich dabei nicht als Ersatz zu den bestehenden Lieferketten, sondern als Übergangslösung, um in der aktuellen Krise Engpässe schnell und möglichst unbürokratisch abmildern zu können.

Über die beteiligten Forschungsorganisationen und Unternehmen hat die Initiative potentiell Kontakt zu national und international mehreren tausend 3D-Produktionsanlagen, die für eine Fertigung bereitstünden. Angestrebt wird ein lokales, regionales und im Idealfall mindestens bundesweites Produktionsnetzwerk, das in der Lage sein sollte, schnell und im Verbund signifikante Stückzahlen von Bauteilen für Atem- und Schutzmasken sowie Ersatz- und Verschleißteile zur Verfügung zu stellen – wie zum Beispiel Schutzbrillen oder -visiere, komplexe Ventilteile oder Prototypen.

Konkret beteiligt sind die TU Berlin und der Verband 3D-Druck sowie weitere Institutionen und Unternehmen wie IFA 3D und das Fraunhofer IPA. EOS und Betreiber von Additiven Fertigungsanlagen haben ihre Unterstützung zugesagt. Interessierte Institutionen und Organisationen können sich an Joachim Weinhold wenden.

Normen für medizinische Ausrüstung kostenlos

Um die Unternehmen dabei zu unterstützen, vermehrt medizinische Ausrüstung zu produzieren, haben sich die Mitglieder der europäischen Normungsorganisationen CEN und CENELEC dazu entschieden, eine Reihe von Europäischen Normen für Medizinprodukte und persönliche Schutzausrüstung kostenlos zur Verfügung zu stellen. Interessierte Unternehmen und Organisationen können die Normen im Webshop des Beuth Verlags herunterladen.

Folgende Normen werden kostenlos zur Verfügung gestellt:

  • Schutzmasken (DIN EN 149:2009-08, DIN EN 14683:2019-10)
  • Augenschutz (DIN EN 166:2002-04)
  • Schutzkleidung (DIN EN 14126:2004-01, DIN EN 14605:2009-08, DIN EN ISO 13688:2013-12, DIN EN 13795-1:2019-06, DIN EN 13795-2:2019-06)
  • Handschuhe (DIN EN 455-1:2001-01, DIN EN 455-2:2015-07, DIN EN 455-3:2015-07, DIN EN 455-4:2009-10, DIN EN 420:2010-03, DIN EN ISO 374-1:2018-10, DIN EN ISO 374-5:2017-03)
  • Medizinprodukte (DIN EN ISO 10993-1:2010-04)
  • Sicherheit und Resilienz (DIN EN ISO 22301:2019-10, ISO 22320: 2018-11, ISO 22316 2017-03)
  • Risikomanagement (ISO 31000: 2018-02)

Schnell und unkompliziert Ersatzteile drucken

Siemens stellt seine 3D-Druck-Plattform Additive Manufacturing Network (AM Network) zur Bewältigung der Corona-Krise zur Verfügung und schließt seine Anlagen an, um bei Bedarf und Eignung benötigte Komponenten zu drucken. Denn die aktuelle Dauerbenutzung medizintechnischer und medizinischer Geräte sorgt für schnellen Verschleiß, so dass Teile ersetzt werden müssen. Ziel der Initiative von Siemens ist es, einen schnellen und unkomplizierten 3D-Druck von Ersatzteilen wie Ventilatoren zu ermöglichen.

Ärzte, Krankenhäuser und Organisationen, die medizinische und medizintechnische Teile benötigen, können sich ab sofort kostenlos beim AM Network anmelden. Gleiches gilt für Designer und Service-Provider mit Druckerkapazitäten, die für Medizinanwendungen zertifiziert sind.

Auch Designer und Ingenieure der Siemens AG sind über das AM Network für Designanfragen verfügbar und helfen, diese in druckbare Dateien umzuwandeln. Die so designten Teile können anschließend von ebenfalls am Netzwerk angebundenen, medizinisch zertifizierten Service-Providern gedruckt werden.

Krankenhäuser direkt unterstützen

Das 3D-Drucker-Produktionsunternehmen Ultimaker stellt sein globales Netzwerk von 3D-Druckzentren, Experten und Designern direkt für Krankenhäuser zur Verfügung. Auf der Homepage von Ultimaker können sich Krankenhäuser über verfügbare 3D-Druckzentren in ihrer Nähe informieren.

Folgende Initiativen wurden gestartet:

  • 1. Connect and Print: Krankenhäuser mit akuten Engpässen bei kritischen Teilen mit bereits verfügbaren 3D- Druckdesigns und Materialspezifikationen können direkt mit 3D-Druckexperten in lokaler Nähe Kontakt aufnehmen, um ihre 3D-Druckaufträge zu übermitteln. Ultimaker stellt auch seine eigenen 3D-Druckkapazitäten zur Verfügung. Eine fortwährend aktualisierte Karte zeigt an, welche 3D-Druckzentren in der Umgebung verfügbar sind.
  • 2. Design, Check, and Print: Braucht ein Krankenhaus Hilfe bei der Entwicklung von Teilen und Hilfsmitteln, die ausgehen oder knapp werden, steht ein Team von engagierten Ingenieuren und Anwendungstechnikern von Ultimaker bereit, um bei der Entwicklung und Konstruktion dieser Teile zu helfen. Anschließend wird das Teil im nächstgelegenen 3D-Druckzentrum hergestellt und schnellst möglich dem Krankenhaus geliefert. Nach Prüfung und Genehmigung durch das Krankenhaus steht das Teil für die weitere Herstellung im 3D-Druck zur Verfügung.

Türgriffe, Gesichtsschutz und Co. aus dem Drucker

HP nutzt sein globales Netzwerk an Fertigungspartnern, um kritische Komponenten mit dem 3D-Drucker herzustellen. Zu den ersten Anwendungen, die validiert und produziert werden, zählen:

  • Ein Frei-Hand-Türöffner: Türgriffe gehören zu den am stärksten keimbelasteten Objekten in Häusern, Krankenhäusern, Fabriken und Altenheimen. Der Adapter ermöglicht ein einfaches und hygienischeres Öffnen mit dem Ellbogen.
  • Tragehilfe für Masken: Viele Krankenhausmitarbeiter müssen über lange Zeiträume Masken tragen. Der Adapter verbessert den Komfort und lindert die damit häufig verbundenen Ohrenschmerzen.
  • Gesichtsschutz: Gesichtsschutzschilde gehören zum am dringendsten benötigten persönlichen Schutz. Halterungen, die den Schild halten und sich dem Träger bequem anpassen, sind eine entscheidende Komponente.

Weitere Anwendungen befinden sich in der Test- und Validierungsphase und werden voraussichtlich in Kürze produziert, darunter:

  • Mechanische Notfallbeatmung: 3D-gedruckte Komponenten für eine mechanische Maske, die für die kurzfristige Notfallbeatmung von COVID-19-Patienten vorgesehen ist. Das vereinfachte Design ermöglicht ein robustes und weniger komplexes Gerät, das eine schnelle Produktion und Montage sicherstellt.
  • FFP3 Gesichtsmasken: Wirksame Schutzausrüstung ist für die medizinischen Dienstleister erforderlich, um die Masse der erwarteten COVID-19-Patienten zu behandeln. HP validiert derzeit mehrere Gesichtsmasken in Krankenhausqualität – in Kürze sollen sie verfügbar sein.

HP und seine Partner stellen die validierten Design-Dateien für viele der Teile, die keine komplexe Montage erfordern, zum Download zur Verfügung. 3D-Designer und -Innovatoren, die sich dem Kampf gegen COVID-19 anschließen möchten, können neue Anwendungen und Ideen einbringen.

Kostenloses Design für Türgriff

Der belgische 3D-Druck-Experte Materialise hat jetzt einen Aufsatz für Türgriffe konstruiert, der sich mit 3D-Druck fertigen lässt und der es einfach ermöglicht, Türen mit dem Unterarm zu öffnen und zu schließen. Auf diese Weise ist kein direkter Kontakt mit dem Türgriff erforderlich. Das Unternehmen bietet das druckbare Design kostenlos an und fordert die globale 3D-Druck-Community auf, den Türöffner in 3D zu drucken und weltweit verfügbar zu machen.

Der 3D-gedruckte Türöffner kann an vorhandenen Türgriffen befestigt werden. Er verfügt über eine paddelförmige Verlängerung, mit der sich die Tür mit dem Arm statt mit der Hand öffnen und schließen lässt. Müssen Türen aus Sicherheitsgründen geschlossen bleiben, entfällt der Handkontakt bei Nutzung des 3D-gedruckten Türöffners. Dies kann dazu beitragen, die Ausbreitung des Virus zu verlangsamen.

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