VirtaMed
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Realistische anatomische Modelle des menschlichen Körpers aus dem 3D-Druck werden als Prototypen für Übungssimulatoren erstellt. Mit dieser neuen Technik kann der Innovations- und Entwicklungsprozess von VirtaMed beschleunigt werden.

Mit 3D-Druck Körper­teile simulieren

VirtaMed ist eine Schweizer Firma, die hochrealistische, medizinische Simulatoren für das Training und die Ausbildung entwickelt und produziert. Ein wesentlicher Bestandteil der Simulatoren ist neben der Virtual Reality Software der physische Nachbau eines realistisch anatomischen Modells. Die Herausforderung besteht darin die unterschiedlichen Festigkeiten der Materialien, die im Körper nahtlos ineinander über gehen, realistisch nach zu bilden.

Der Herstellungsprozess für diese Bauteile ist sehr aufwendig und umfasst Giessprozesse mit mehreren Materialien, bei denen auch andere Bauteile eingegossen werden. In der Serienproduktion wie auch für Prototypen ist dieser Prozess erprobt und erfolgt meist im Ausland. Allerdings verlangsamt er den Innovations- und Entwicklungsprozess enorm.
Um die Innovation und Entwicklung zu beschleunigen wurde die Anwendbarkeit des professionellen 3D-Drucks, der sogenannten Additive Manufacturing Technology (AM) untersucht. In diesem Gebiet ist die Multi Material Jetting Technologie (MMJ) die einzige die in Frage kommt, um die harten und flexiblen Bereiche in mehreren Abstufungen in einem Bauteil zu simulieren.

Mit der additive Manufacturing Technology sollen Prototypen für die spätere Serienproduktion erstellt werden. Als erster Schritt wurden einige Testmodelle hergestellt, um die Integrität und somit die Stabilität der Kontaktflächen zwischen den unterschiedlichen Materialien zu untersuchen. Dazu wurden flexible Würfel mit darauf angebrachten Zylindern aus hartem Material gedruckt. Die Testmodelle wurden an VirtaMed zur Testung übergeben.
Mit den Erfahrungen aus den Testmodellen wurde ein flexibles Band mit der MMJ Technologie gedruckt. Konkret handelt es sich um das Coracoacromial ligament, ein Band, welches der Stabilisierung des Schultergelenks dient. Dieses ist an beiden Enden fest mit dem harten Knochen verbunden, ist in der Mitte flexibel und weist in den Bereichen dazwischen einen kontinuierlichen Übergang von flexibel zu hart auf.
Die Rückmeldung von VirtaMed auf dieses Bauteil, welches eigentlich nur als Prototyp für die Entwicklung gedacht war, war so positiv, dass die Fragestellung nach einem möglichen Einsatz als Bauteil im Endprodukt aufkam.
Die Überlegung, diesen Fertigungsprozess auch für Produktion und nicht nur für die Entwicklung zu nutzen, führte zu der Frage, ob die Materialien für die Anwendung im Simulator eine ausreichende Belastungsfähigkeit und Haltbarkeit aufweisen.
Um dieser Fragestellung nachzugehen, beschloss man einige Dauerfestigkeitsversuch durchzuführen.
Dabei zeigte sich, dass ein Ablösen oder Trennen an einer Kontaktfläche kein Problem darstellen würde. Untersuchungen ergaben, dass die Bauteile in der Ebene der kleinsten Querschnittsfläche rissen und nicht entlang einer Kontaktfläche unterschiedlicher Materialien. So erreichte das Testmodell beim Dauerfestigkeitsversuch lediglich 10 % von den geforderten Lastenzyklen.

Abschliessend kann festgehalten werden, dass sich das MMJ für die Herstellung von Prototypenteilen bewährt hat und zu einer höheren Agilität von VirtaMed in der Produktentwicklung führen kann.

Um die Verwendbarkeit von AM Bauteilen im Endprodukt endgültig abzuklären, wären weitere Dauerfestigkeitsversuche nötig, die dem normalen Gebrauch des Simulators entsprechen. Es müssten weitere Materialien für eine ausreichenden Lebensdauer der Bauteile entwickelt werden.

Mit den Erkenntnissen aus den Prototypen besteht die Möglichkeit zusätzlich das Spektrum der möglichen Bauteile zu erweitern. Da während dieses Projektes bereits neue Bauteilgenerierungen für MMJ entwickelt wurden, welche es nun auch ermöglichen, noch weichere Bauteil herzustellen. Mit diesen Erfahrungen könnte man zum Beispiel gynäkologische und viszerale Simulatoren in Betracht ziehen.

 

Movie: Belastungstest Acromion Ligament VirtaMed

Movie: Belastungstest Würfel VirtaMed

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