Wie COVID-19 die 3D-Druck-Adoption branchenübergreifend beschleunigt

Innerhalb von Wochen hat die COVID-19-Pandemie das Leben weltweit auf den Kopf gestellt, und ihre Auswirkungen werden mit jedem Tag schwerwiegender. Die Schnelligkeit und Allgegenwart der Störung ist in der modernen Geschichte beispiellos, da gesamte Wirtschaften zum Stillstand kommen, um die Virusausbreitung einzudämmen. Gesellschaften wurden gezwungen, sich schnell an die Störung anzupassen, in vielen Fällen wendend sich Technologien zu, die lange für ihr eigenes disruptives Potenzial gefeiert wurden.

In der Lieferkette hat additive Fertigung, auch bekannt als 3D-Druck, endlich ihren Moment.

Branchenübergreifend wurden Lieferketten hart getroffen, als Fabriken schlossen oder Produktion limitierten. Keine wurde jedoch mehr belastet als die medizinische Lieferkette, da die Nachfrage nach Schutzausrüstung wie Masken und Handschuhen sowie kritischen lebensrettenden Geräten wie Beatmungsgeräten in die Höhe schoss. Krankenhäuser werden wahrscheinlich bald überfordert sein, mit Kapazitäten und Vorräten an ihren Grenzen. Angesichts dieser beispiellosen Herausforderung ist additive Fertigung eingesprungen, um die Lücke zu füllen.

Fallbeispiel: Brescia, Norditalien

Als Lieferanten die steigende Nachfrage nach lebensrettenden Beatmungsventilen nicht decken konnten, wandte sich ein Krankenhaus in Brescia, einer der am härtesten getroffenen Regionen Norditaliens, der additiven Fertigung zu. In enger Zusammenarbeit mit lokalen Firmen Issinova, Lonati SpA und The FabLab konnte das Krankenhaus das Beatmungsventil-Design reverse-engineeren. Innerhalb von sechs Stunden 3D-druckte es neue Ventile vor Ort und rettete Leben.

In den Wochen seitdem summen 3D-Drucker weltweit, um Krankenhäuser zu versorgen. Anbieter wie Formlabs und MatterHackers haben Online-Hubs eingerichtet, um Krankenhäuser mit Kunden zu verbinden, die ihre 3D-Drucker teilen wollen. Unternehmen von SmileDirectClub bis Volkswagen haben ihre additiven Fertigungsfähigkeiten freiwillig zur Verfügung gestellt, um kritische Schutzausrüstung und Beatmungsteile zu liefern. Gleichzeitig teilt eine wachsende Online-Community von Makern CAD-Designs und Ideen zur Pandemiebewältigung.

Eine dieser Initiativen, die ich persönlich unterstütze, ist MasksOn, das 50.000 wiederverwendbare und desinfizierbare Gesichtsmasken für Kliniker in High-Risk-Settings bereitstellen will. Die Initiative wandelt Vollgesicht-Schnorchelmasken in wiederverwendbare Gesichtsschilde um, nutzt 3D-Druck zur Massenproduktion medizinischer Atemfilteradapter. (Eine vollständige Liste von 3D-Druck-Community-Ressourcen und -Projekten für die COVID-19-Pandemie finden Sie hier.)

Die Reaktion der additiven Fertigungs-Community in dieser Krise war inspirierend. Was die Pandemie jedoch enthüllt hat, ist die zugrundeliegende Verwundbarkeit globalisierter Lieferketten. Organisationen wurden gezwungen, ihre Abhängigkeit von fernen oder Übersee-Lieferanten neu zu denken.

Obwohl 3D-Druck noch nicht im Maßstab verfügbar ist, um lokalisierte Fertigung für alles zu unterstützen, deuten die frühen Ergebnisse der Pandemie-Reaktion auf eine vielversprechende Zukunft hin. Könnte die Pandemie ein Katalysator für einen breiten Shift zu additiver Fertigung in der Lieferkette sein?

Zukunftsszenarien

On-Demand, Onsite und Just-in-Time

Supply-Chain-Störungen sind nicht auf Pandemien beschränkt. Naturkatastrophen, Handelspolitiken und Arbeitskämpfe können alle den Materialfluss unterbrechen, kritische Operationen verzögern. Additive Fertigung kann die Lücke füllen, indem sie Teile on-demand und, wie das Brescianer Krankenhaus zeigt, onsite druckt. Operative Störungen können so verkürzt oder eliminiert werden, indem Übersee-Produktion und -Versand umgangen werden.

Betrachten Sie einen Pipeline-Bruch auf einer Tiefsee-Ölplattform. Das Warten auf ein Ersatzteil könnte Tage dauern, was Operationen auf der Plattform stilllegt und Umsatz auf Eis legt. Mit einem 3D-Drucker könnten Ingenieure auf der Plattform schnell eine Patch-Klammer designen und drucken und zum Pumpen zurückkehren, während sie auf den Lieferanten für einen langfristigen Ersatz warten.

In Brescia sehen sich die Maker, die die Beatmungsventile für additive Fertigung reverse-engineerten, nun einer potenziellen Klage des ursprünglichen Ventil-Lieferanten des Krankenhauses wegen Patentverletzung gegenüber. Um IP-Streitigkeiten zukünftig zu mindern, könnten Hersteller ihre Designs an Kunden lizenzieren, damit diese Ersatzteile lokal drucken können, um unvorhergesehene Lieferlücken zu füllen. Dies würde wiederum Einsparungen für den Hersteller treiben, da sie ihre Fertigungskosten an den Kunden „outsourcen“.

Non-Expert Design

Wie die 3D-gedruckten Beatmungsventile in Brescia illustrierten, ist es möglich für Ingenieure mit wenig bis keiner Erfahrung im Design eines bestimmten Teils, schnell ein funktionales Design zu engineeringen und es mit additiver Fertigung zu erstellen. Im Gegensatz zu anderen Fertigungstechniken bedeutet die Flexibilität additiver Fertigung, dass Ingenieure und Designer nicht Jahre Erfahrung brauchen, um ihre Designs für Fertigbarkeitsbeschränkungen anzupassen.

Additives Empowerment unerfahrener Designer wird durch generatives Design, auch bekannt als KI-unterstütztes Design, weiter vorangetrieben. Heutige Software kann automatisch für verschiedene Fertigungstechniken optimieren, was die Zeit zwischen Design und Fertigung verkürzt. Designs für additive Fertigung zu optimieren wird nicht nur für Supply-Chain-Implikationen besonders wertvoll sein, sondern auch, weil es bessere Designs freisetzen kann.

Generative KI läuft Tausende Simulationen, um die besten und effizientesten Designs zu finden, die alle Ziele und Constraints des Designers erfüllen, optimiert für Gewicht, Festigkeit, thermische Eigenschaften und Fluiddynamik. In den meisten Fällen beinhalten die Ergebnisse komplexe, organische Geometrien, im Gegensatz zu den starren geraden Linien und Polyedern, zu denen menschliche Designer tendieren. Wie sich herausstellt, können diese organischen, irregulären Formen am effektivsten durch additive Fertigung erstellt werden.

Teilkonsolidierung

Ein weiterer Vorteil generativen Designs ist die Fähigkeit, Designs von Baugruppen aus mehreren Komponenten zu konsolidieren, die dann mit additiver Fertigung gedruckt werden können. Statt einer verteilten Lieferkette für Teile und In-House-Assembly könnte die gesamte Baugruppe onsite gedruckt werden.

Teilkonsolidierung kann signifikante Einsparungen für Hersteller treiben. Im Gegensatz zur subtraktiven Fertigung nutzt additive Fertigung nur das für das Design notwendige Material, was Abfall und Materialkosten reduziert. Versandkosten für Teile entfallen, und Montagekosten sinken, da weniger Teile montiert werden müssen.

Die Konsolidierung komplexer Baugruppen könnte besonders wertvoll für einige kritische lebensrettende Geräte sein, die während der Pandemie knapp sein werden. Es gibt bereits Ingenieure, die an neuen Designs arbeiten, um die steigende Nachfrage zu decken. Die CoVent-19 Challenge crowdsourct Bemühungen, innovative, schnell einsetzbare Beatmungsgeräte zu entwickeln, um Krankenhauskapazitäten für die Flut von Patienten, die kämpfen zu atmen, zu erhöhen.

Jesse Coors-Blankenship ist Senior Vice President of Advanced Development bei PTC.