COVID-19 hat 3D-Druck ins Rampenlicht gerückt

In den frühen Tagen der Reaktion auf die COVID-19-Pandemie war der 3D-Druck ein Star, der links und rechts Schlagzeilen machte. Anscheinend druckte jeder etwas für sein örtliches Krankenhaus.

Monate später ist die Zahl der Geschichten, in denen die Möglichkeiten des 3D-Drucks zum Drucken von persönlicher Schutzausrüstung (PSA) und Teilen für Beatmungsgeräte beworben werden, zurückgegangen. Die Rolle der Technologie im Kampf gegen das Virus hat sich jedoch weiterentwickelt.

Als COVID-19 zuschlug, wurden die USA zusammen mit dem Rest der Welt platt erwischt. Als die Nachfrage nach PSA explodierte, wurden die Vorräte an Gesichtsschutzschilden, Beatmungsgeräten und Masken aufgebraucht.

Angesichts dieser schlimmen Umstände haben sich Einzelpersonen und Unternehmen den Kopf zerbrochen, wie sie die Situation lindern könnten. Für diejenigen, die mit 3D-Druckern ausgestattet sind, war die Entscheidung einfach:Lassen Sie sie Teile herstellen.

Innerhalb weniger Tage setzten Bastler, Lohnfertiger, Auftragsfertiger und Unternehmen ihre additiven Fertigungsanlagen ein, um PSA zu drucken. Unzählige CAD-Dateien, die mit Lichtgeschwindigkeit um die Welt geschossen wurden, von Beatmungssplittern über Ersatzmaskenkonzepte bis hin zu Gesichtsschutzschilden. Die Designs wurden oft für den Druckprozess optimiert, was Zeit und Aufwand vor und nach dem Prozess reduzierte.

Durch den 3D-Druck wurden Designs fast sofort zu greifbaren Produkten. Die Technik ist ein Aushängeschild des Wandels zu Industrie 4.0, denn die Maschinen benötigen wenig bis gar keine Rüstzeit. Beladen Sie die Maschine einfach mit dem richtigen Material, laden Sie eine gut gestaltete CAD- oder Slice-Datei hoch, geben Sie die Parameter ein, klicken Sie auf Drucken, und Sie haben Teile in Minuten bis Stunden.

Dennoch gab es einige Mängel im Zusammenhang mit dem 3D-Druck, um den PSA-Mangel zu lindern. Viele Krankenhäuser mussten gespendete Druckteile wegwerfen, weil sie nicht den erforderlichen Spezifikationen entsprachen. Einige 3D-Druckverfahren waren beispielsweise nicht in der Lage, luftdichte Teile zu drucken, wodurch bestimmte Maskenteile unbrauchbar wurden.

Als Reaktion darauf gingen das National Institute for Additive Manufacturing Innovation, die National Institutes of Health, die Food and Drug Administration und das Department of Veterans Affairs eine Zusammenarbeit ein, um praktikable Designs schnell zu überprüfen und zu genehmigen. Die Bemühungen trugen dazu bei, die Druckbemühungen zu standardisieren. Dennoch blieb vielen Herstellern diese Clearingstelle für Designs wahrscheinlich unbekannt.

Ein weiterer Nachteil der sofortigen Reaktion des 3D-Drucks auf COVID-19 war die Konzentration auf Komponenten und nicht auf die Montage ganzer Produkte. Zum Beispiel wurden Designs für bedruckte Stirnbänder für Gesichtsschutz genehmigt, aber ergänzende Komponenten wie transparente Gesichtsschutz und elastische Bänder wurden über traditionelle Kanäle bezogen. Das Drucken solcher Materialien ist zwar mit 3-D-Druckern möglich, sie sind jedoch typischerweise teuer und werden nur von ausgewählten Industriemaschinen problemlos verarbeitet. Dies machte eine Massenproduktion dieser Artikel unbrauchbar. Im Laufe der Zeit wurden sogar diese begrenzten Anwendungen schließlich aussortiert, als kostengünstigere Lösungen verfügbar wurden.

War der Einfluss des 3D-Drucks auf die COVID-19-Reaktion also eine Eintagsfliege? Kaum. Tatsächlich hat es sich zu einem Beitrag hinter den Kulissen für kostengünstigere Produktionstechnologien entwickelt.

Wie die PPE-Antwort hervorhebt, sind 3D-Drucker gut darin, Designkonzepte schnell zu wiederholen und greifbare, funktionale Produkte in die Hand zu nehmen. Die Anfangsgeschwindigkeit und die geringen Startkosten machen den 3D-Druck ideal für das funktionale Prototyping. Sobald das Design jedoch festgelegt ist, sind andere Technologien in der Regel bessere Optionen. Während die Kosten der ersten 3D-gedruckten Einheiten niedriger sind als die eines Spritzgusswerkzeugs, sind die Zeit und die variablen Kosten pro eigenständiger Einheit, sobald dieses Werkzeug gebaut ist, sehr niedrig, sodass es 3D-Drucker bei hohen Kosten überholen kann Mengen benötigt werden. Letztendlich unterstützt der 3D-Druck bei der Bekämpfung von COVID-19 die Legacy-Prozesse.

Eine Möglichkeit, wie die Technologie dies tut, ist die Verwendung von Werkzeugen, die Herstellung kundenspezifischer Instrumente, um den Herstellungsprozess zu unterstützen. Werkzeuganwendungen variieren stark, vom Halten eines Werkstücks bis hin zum Sicherstellen der richtigen Platzierung eines ästhetischen Merkmals. Üblicherweise können Werkzeuge mit verbraucherfreundlichen Desktop-Druckern für die Materialextrusion hergestellt werden. Obwohl es eine Vielzahl von Anwendungen für gedruckte Werkzeuge gibt, war eine der nützlichsten Anwendungen in der Reaktion auf COVID-19 die Herstellung von 3D-gedruckten Einsätzen für Spritzgusswerkzeuge. Dies geschieht vor allem im kommerziellen Kontext mit Pulverbett-Fusions-3D-Druckern. Solche Systeme sind in der Lage, hochkomplexe Metalleinleger zu drucken, die in Spritzgussformen verwendet werden können. Sie sind mit eingebauten konturnahen Kühlkanälen ausgestattet, die den Fluss eines flüssigen Kühlmittels – normalerweise Wasser – ermöglichen, um das heiße Metall abzukühlen, das die Formteile aktiv komprimiert. Historisch wurden diese in geraden Linien gebohrt. Aber mit gedruckten Werkzeugen können sich die Kanäle auf eine Weise drehen und wenden, die herkömmliche Kanäle nicht können. Dadurch kühlen Spritzgussformen mit diesen Einsätzen schneller ab, wodurch schnellere Zykluszeiten und eine höhere Teileproduktion erreicht werden.

COVID-19 hat den 3D-Druck ins Rampenlicht gerückt. Die Technik ist in der Lage, schnell neue Designs zu entwickeln und Teile herzustellen, um den PSA-Mangel zu beheben, und erwies sich als wertvoller und hochflexibler Teil der frühen Reaktionsbemühungen. Als bevorzugte Designs genehmigt und festgelegt wurden, ging der 3D-Druck zunehmend dazu über, traditionellere Fertigungsprozesse mit gedruckten Werkzeugen zu unterstützen. Damals wie heute hat es eine wertvolle Rolle bei der Herstellung von PSA und der Reaktion auf COVID-19 gespielt.

Cullen Hilkene ist Gründer und CEO von 3Eifrig.