Die Pandemie beschleunigt den Übergang zum 3D-Druck

Innerhalb von Wochen hat die COVID-19-Pandemie das Leben auf der ganzen Welt auf den Kopf gestellt, und ihre Auswirkungen werden mit jedem Tag gravierender. Die Schnelligkeit und Durchdringung der Störung ist in der modernen Geschichte beispiellos, da ganze Volkswirtschaften zum Erliegen kommen, um die Ausbreitung des Virus einzudämmen. Gesellschaften waren gezwungen, sich schnell an die Disruption anzupassen, und wandten sich in vielen Fällen Technologien zu, die seit langem für ihr eigenes disruptives Potenzial gepriesen wurden.

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

In allen Branchen wurden Lieferketten schwer getroffen, da Fabriken geschlossen oder die Produktion eingeschränkt wurden. Keine wurde jedoch stärker belastet als die medizinische Lieferkette, da die Nachfrage nach Schutzausrüstung wie Masken und Handschuhen sowie nach lebenswichtigen Geräten wie Beatmungsgeräten steigt. Krankenhäuser werden wahrscheinlich bald überfordert sein, da Kapazität und Versorgung an ihre Grenzen stoßen. Angesichts dieser beispiellosen Herausforderung hat die additive Fertigung die Lücke geschlossen.

Als die Lieferanten die steigende Nachfrage nach lebensrettenden Beatmungsventilen nicht decken konnten, wandte sich ein Krankenhaus in Brescia, einer der am stärksten betroffenen Regionen Norditaliens, der additiven Fertigung zu. In enger Zusammenarbeit mit den lokalen Firmen Issinova, Lonati SpA und The FabLab konnte das Krankenhaus das Ventildesign des Beatmungsgeräts nachbauen. Innerhalb von sechs Stunden wurden neue Ventile in 3D vor Ort gedruckt und Leben gerettet.

In den Wochen seither brummten 3D-Drucker auf der ganzen Welt, um Krankenhäuser zu versorgen. Anbieter wie Formlabs und MatterHackers haben Online-Hubs eingerichtet, um Krankenhäuser mit Kunden zu verbinden, die ihre 3D-Drucker teilen möchten. Unternehmen von SmileDirectClub bis Volkswagen haben ihre additiven Fertigungskapazitäten freiwillig zur Verfügung gestellt, um kritische Schutzausrüstung und Beatmungsgeräteteile zu liefern. Inzwischen teilt eine wachsende Online-Community von Herstellern CAD-Designs und Ideen, um auf die Pandemie zu reagieren.

Eine dieser Initiativen, die ich persönlich unterstütze, ist MasksOn, das darauf abzielt, 50.000 wiederverwendbare und desinfizierbare Gesichtsmasken für Kliniker in Hochrisikoumgebungen bereitzustellen. Die Initiative wandelt Vollgesichts-Schnorchelmasken in wiederverwendbare Gesichtsschutzmasken um und verwendet 3D-Druck zur Massenproduktion von Atemfilteradaptern in medizinischer Qualität. (Eine vollständige Liste der 3D-Druck-Community-Ressourcen und -Projekte zur COVID-19-Pandemie finden Sie hier.)

Die Reaktion der additiven Fertigungsgemeinschaft in dieser Krise war inspirierend. Was die Pandemie jedoch offenbart hat, ist die zugrunde liegende Verwundbarkeit globalisierter Lieferketten. Unternehmen waren gezwungen, ihre Abhängigkeit von entfernten oder ausländischen Lieferanten zu überdenken.

Obwohl der 3D-Druck noch nicht in einem Maßstab verfügbar ist, um eine lokalisierte Fertigung für alles zu unterstützen, deuten die ersten Ergebnisse der Pandemie-Reaktion auf eine vielversprechende Zukunft hin. Könnte die Pandemie ein Katalysator für eine weit verbreitete Umstellung auf die additive Fertigung in der Lieferkette sein?

Das könnte die Zukunft bringen:

On-Demand, Onsite und Just-in-Time

Störungen der Lieferkette sind nicht auf Pandemien beschränkt. Naturkatastrophen, Handelspolitik und Arbeitsstreiks können den Lieferfluss unterbrechen und kritische Operationen verzögern. Die additive Fertigung kann die Lücke schließen, indem Teile nach Bedarf und, wie das Brescianer Krankenhaus zeigt, vor Ort gedruckt werden. Betriebsstörungen wiederum können durch die Umgehung der Produktion und des Versands in Übersee verkürzt oder beseitigt werden.

Stellen Sie sich einen Pipelinebruch auf einer Tiefsee-Ölplattform vor. Das Warten auf ein Ersatzteil kann Tage dauern, den Betrieb auf der Bohrinsel stilllegen und die Einnahmen auf Eis legen. Mit einem 3D-Drucker können Ingenieure auf dem Bohrturm schnell eine Patchklemme entwickeln und drucken und wieder mit dem Pumpen beginnen, während sie darauf warten, dass der Lieferant einen langfristigen Ersatz liefert.

In Brescia sehen sich die Hersteller, die die Beatmungsventile für die additive Fertigung nachgebaut haben, nun mit einer möglichen Klage des ursprünglichen Lieferanten von Beatmungsventilen des Krankenhauses wegen Patentverletzung konfrontiert. Um künftig Streitigkeiten über geistiges Eigentum zu entschärfen, könnten Hersteller ihre Designs an ihre Kunden lizenzieren, damit sie Ersatzteile lokal drucken können, um unvorhergesehene Lieferlücken zu schließen. Dies würde wiederum zu Einsparungen für den Hersteller führen, da er seine Herstellungskosten an den Kunden „auslagert“.

Design ohne Experten

Wie die 3D-gedruckten Beatmungsventile in Brescia veranschaulichten, ist es für Ingenieure mit wenig oder keiner Erfahrung in der Konstruktion eines bestimmten Teils möglich, schnell ein funktionales Design zu entwickeln und es mit additiver Fertigung zu erstellen. Im Gegensatz zu anderen Fertigungstechniken bedeutet die Flexibilität der additiven Fertigung, dass Ingenieure und Designer keine jahrelange Erfahrung benötigen, um ihre Designs an die Einschränkungen der Herstellbarkeit anzupassen.

Die Stärkung unerfahrener Designer durch Additive wird durch generatives Design, auch bekannt als KI-unterstütztes Design, weitergeführt. Heutige Software kann sich automatisch für verschiedene Fertigungstechniken optimieren und so die Zeit zwischen Konstruktion und Fertigung verkürzen. Die Optimierung von Designs für die additive Fertigung wird nicht nur im Hinblick auf die Auswirkungen auf die Lieferkette besonders wertvoll sein, sondern auch, weil dadurch bessere Designs freigesetzt werden können.

Generative KI führt Tausende von Simulationen durch, um die besten und effizientesten Designs zu finden, die alle Ziele und Einschränkungen des Konstrukteurs erfüllen und auf Dinge wie Gewicht, Festigkeit, thermische Eigenschaften und Fluiddynamik optimieren. In den meisten Fällen handelt es sich bei den Ergebnissen um komplexe, organische Geometrien, im Gegensatz zu den starren geraden Linien und Polyedern, zu denen menschliche Designer tendieren. Wie sich herausstellt, lassen sich diese organischen, unregelmäßigen Formen am effektivsten durch additive Fertigung erzeugen.

Teilekonsolidierung

Ein weiterer Vorteil des generativen Designs ist die Möglichkeit, Konstruktionen von Baugruppen aus mehreren Komponenten zu konsolidieren, die dann mit additiver Fertigung gedruckt werden können. Anstatt über eine verteilte Lieferkette für Teile und Montage im eigenen Haus zu verfügen, könnte die gesamte Baugruppe vor Ort gedruckt werden.

Durch die Teilekonsolidierung können Hersteller erhebliche Einsparungen erzielen. Im Gegensatz zur subtraktiven Fertigung wird bei der additiven Fertigung nur das für das Design notwendige Material verwendet, wodurch Ausschuss und Materialkosten reduziert werden. Außerdem entfallen die Kosten für den Versand von Teilen und die Montagekosten werden reduziert, da weniger Teile zusammengebaut werden müssen.

Die Konsolidierung komplexer Baugruppen könnte besonders wertvoll für einige kritische lebensrettende Geräte sein, die während der Pandemie knapp werden. Es gibt bereits Ingenieure, die an neuen Designs arbeiten, um der steigenden Nachfrage gerecht zu werden. Die CoVent-19-Herausforderung umfasst Crowdsourcing-Maßnahmen zur Entwicklung innovativer, schnell einsetzbarer Beatmungsgeräte, um die Kapazität der Krankenhäuser zu erhöhen, die Flut von Patienten mit Atemnot zu bewältigen.

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