06 Forschung Fraunhofer IPA entwickelt Roboter für die Tumortherapie Roboter aus dem 3D-Drucker Für die Tumortherapie der Zukunft entwickeln fünf internationale Forscherteams einen Roboter. Obwohl dieser aus Dutzenden von Komponenten, Gelenken und Aktoren mit unterschiedlichen Materialeigenschaften besteht, lässt er sich mit einem 3D-Drucker in einem einzigen Prozessschritt herstellen. Prototyp des Medizinroboters aus dem 3D-Drucker. Bild: Photothèque ICube / A. Morlot Der Roboter, den sein Team zusammen mit vier weiteren Forschergruppen aus Deutschland, Frankreich und der Schweiz im Projekt „Spirits“ entwickelt, ist so klein und leicht, dass er zusammen mit dem Patienten in die Röhre geschoben werden kann. Steuern lässt er sich über eine Hydraulik von außen – der Arzt kann also ein paar Meter entfernt und sogar in einem anderen Raum sitzen. Die Abkürzung „Spirits“ steht dabei für Smart Printed Interactive Robots for Interventional Therapy and Surgery. “Die Herausforderung des Projekts lag darin, ein Design zu entwickeln, das sich mit einem Polyjet-Drucker in einem einzigen Schritt fertigen lässt, gleichzeitig aber aus voll funktionsfähigen Komponenten besteht – beispielsweise Drehgelenken mit Hydraulikaktuatoren und einem Antrieb für den Nadelvorschub. All diese Komponenten haben unterschiedliche Materialeigenschaften“, erläutert Siegfarth. Erste Roboter-Prototypen wurden schon gedruckt ■■■■■■ Knopfdruck genügt, den Rest erledigt der 3D-Drucker selbsttätig. Die Düsen des Polyjet-Druckers können zwei unterschiedliche Polymerlösungen einzeln oder gemischt punktgenau auftragen. UV-Licht härtet die Kunststoffe aus, bevor die nächste Lage aufgetragen wird. So entsteht Schicht für Schicht ein Medizinroboter. Wenn die Entwicklung abgeschlossen ist, soll der Roboter Ärzte bei der Entnahme von Gewebeproben und bei der thermischen Tumorbehandlung unterstützen. „Die Positionierung einer Nadel oder Sonde bei einem solchen minimalinvasiven Eingriff ist eine besonders schwierige Aufgabe, denn der Mediziner kann sich am besten mithilfe von Computertomographie- oder MRT-Bildern orientieren – und das heißt, dass er arbeiten muss, während der Patient in einer engen Röhre liegt“, erklärt Marius Siegfarth von der Projektgruppe für Automatisierung in der Medizin und Biotechnologie (PAMB) des Fraunhofer IPA an der Medizinischen Fakultät Mannheim der Universität Heidelberg. Am Institut national des sciences appliquées de Strasbourg, INSA, wo das Spirits-Projekt koordiniert wird, druckt der Polyjet bereits die ersten Prototypen. Diese verfügen über Hebelarme, die über Gelenke verbunden sind. Mit ihnen lässt sich eine Nadel um den Einstichpunkt in alle Raumrichtungen rotieren. Für den Antrieb sorgt ein hydraulisches System, eine Entwicklung der PAMB-Forscher: Winzige Rohre mit Durchmessern von gerade mal vier Millimeter, Dichtungen und Kolben. Das Besondere daran: Die Kolben konnten durch die 3D-Fertigungstechnik so gestaltet werden, dass der Hydraulikdruck auf die Dichtung wirkt und deren Wirkung verstärkt. Erste Tests zeigen, dass der Hydraulikantrieb aus dem 3D-Drucker funktioniert. In den nächsten Monaten werden weitere Komponenten in den Prototyp integriert. Mit einem Gesamtbudget von 1,67 Mio. Euro wird Spirits vom Programm Interreg V Oberrhein mit 436 201 Euro des EFRE (Europäischer Fonds für regionale Entwicklung) kofinanziert. ■ Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA www.ipa.fraunhofer.de 62 additive November 2019
Funktionsfähige additiv gefertigte Gasturbine besteht aus nur 68 Teilen aus Aluminium, Stahl und Titan Turbine aus dem 3D-Drucker Gemeinsam mit der H+E-Produktentwicklung GmbH im sächsischen Moritzburg hat das Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM in Dresden eine maßstabsgetreue Gasturbine entwickelt. Der Technologiedemonstrator „Siemens SGT6-8000 H“, ein Modell einer Gasturbine zur Stromerzeugung im Maßstab 1:25, wurde bis auf die Welle komplett mit additiven Verfahren hergestellt. ■■■■■■ Die Komponentenbaugruppe besteht aus 68 Teilen aus Aluminium, Stahl und Titan, die durch Bauteiloptimierung und die Möglichkeiten der Technologien Elektronen- und Laserstrahlschmelzen die knapp 3000 Einzelteile ersetzen, aus denen das Originalbauteil besteht. Die Turbine ist dabei voll funktionsfähig. Gleichzeitig wird in einem Bauteil die Kombination von konventionellen Fertigungstechnologien – in diesem Fall Drehen – und additiven Verfahren mit Laser Beam Melting (LBM) und Selective Electron Beam Melting (SEBM) gezeigt. Das Fraunhofer IFAM war an der Fertigung des Bauteils sowie der Datenmodifizierung für die technologieangepasste Fertigung beteiligt. Die Gehäusebauteile mit Statorstufen wurden direkt vor Ort im Innovation Center Additive Manufacturing ICAM am Standort Dresden gefertigt. Sie entstanden mittels Electron Beam Melting (EBM) aus dem Werkstoff Ti-6Al-4V in der Anlage Arcam Q20+. Die Turbinenstufen und die übrigen Gehäusebauteile wurden mittels Laserstrahlschmelzen bei H+E gefertigt. Funktionsfähigkeit war Grundvoraussetzung Die Fertigungsplanung war besonders wichtig und entsprechend aufwendig, um die Das Fraunhofer IFAM hat ein skaliertes Modell einer Gasturbine zur Stromerzeugung komplett mit additiven Verfahren hergestellt. Bild: Fraunhofer IFAM richtige Technologie für jedes Bauteil festzulegen. Genauigkeit und Rauigkeiten der Oberflächen waren z. B. zu beachten. Auch die Notwendigkeit und Anzahl von Stützstrukturen sowie die Bauteilgröße mussten bedacht werden. Die Funktionsfähigkeit des Demonstrators war bei allen Überlegungen Grundvoraussetzung. So müssen sich bspw. Welle und Turbinenstufen frei zwischen den Statorstufen drehen können und die Einzelbauteile des Demonstrators sollten mit minimalem Aufwand – durch Verschraubung und Aufstecken – miteinander verbunden werden. Die Komponenten wurden mit der Erfahrung der beteiligten Prozessexperten konstruktiv modifiziert, um für die eingesetzten additiven Fertigungstechnologien „first time right“ fertigen zu können. Dieses Ziel wurde auch erreicht. So konnte z. B. das Gehäusesegment aus 316L durch LBM nach den Anpassungen komplett ohne Stützstrukturen gefertigt werden. Im Bauteil wird die Kombination verschiedener Werkstoffe, die kommerziell über die jeweiligen Anlagenhersteller verfügbar sind, demonstriert. Nicht alle verar- beiteten Werkstoffe entsprechen den Zielwerkstoffen für Turbinen. Die Beschränkung liegt darin, dass diese Werkstoffe derzeit noch nicht so verarbeitbar sind, um kommerziell angeboten werden zu können. ICAM bietet verschiedenste 3D-Drucker Im Innovation Center Additive Manufacturing ICAM hat das Fraunhofer IFAM Dresden seine Technologien im Bereich der additiven Fertigung an einem Ort gebündelt und kann so passgenaue Lösungen für die unterschiedlichsten Fragestellungen aus einer Hand anbieten. Dem Kunden stehen die Verfahren Selektives Elektronenstrahlschmelzen, dreidimensionaler Siebdruck, Filamentdruck sowie dreidimensionaler Schablonendruck und Dispensdruck am Standort zur Auswahl. ■ Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung www.ifam-dd.fraunhofer.de additive November 2019 63
