COVID-19 Benadrukt de Cruciale Rol van 3D-Printen in de Gezondheidszorg

In de vroege dagen van de reactie op de COVID-19-pandemie was 3D-printen een sterpresterende technologie, die de koppen haalde links en rechts. Schijnbaar iedereen printte iets voor hun lokale ziekenhuis.

Maanden later is het aantal verhalen over de manieren waarop 3D-printen kan worden gebruikt voor het printen van persoonlijke beschermingsmiddelen (PBM) en onderdelen voor ventilatoren afgenomen. Toch is de rol van de technologie in de strijd tegen het virus doorgegaan te evolueren.

Een wereld onvoorbereid

toen COVID-19 insloeg, werd de VS, samen met de rest van de wereld, op het verkeerde been gevangen. Naarmate de vraag naar PBM explodeerde, raakten de voorraden gezichtsschilden, ventilatoren en mondmasken uitgeput.

Geconfronteerd met deze neerlottige omstandigheden, zochten individuen en bedrijven naar manieren om de situatie te verlichten. Voor degenen die over 3D-printers beschikten, was de keuze simpel: zet ze in om onderdelen te maken.

Binnen enkele dagen zetten hobbyisten, jobshops, contractfabrikanten en grote corporaties hun additieve productieapparatuur in om PBM te printen. Talloze CAD-bestanden vlogen over de wereld met de snelheid van het licht, van ventilator-splitters tot vervangende maskerconcepten en gezichtsschilden. De ontwerpen waren vaak geoptimaliseerd voor het printproces, wat de voor- en nabewerkingstijd en -inspanning verminderde.

Snelheid als trumpkaart

Ontwerpen werden bijna direct tastbare producten dankzij 3D-printen. De techniek is een kindje van de Industrie 4.0-overgang, omdat de machines weinig tot geen insteltijd vereisen. Laad de machine met het juiste materiaal, upload een goed ontworpen CAD- of slice-bestand, voer de parameters in, druk op print, en je hebt binnen minuten tot uren onderdelen.

Toch waren er tekortkomingen verbonden aan het steunen op 3D-printen om de PBM-tekortkoming op te lossen. Veel ziekenhuizen moesten gedoneerde geprinte onderdelen weggooien omdat ze niet aan de benodigde specificaties voldeden. Sommige 3D-printprocessen waren bijvoorbeeld niet in staat om luchtdichte onderdelen te printen, waardoor bepaalde maskeronderdelen onbruikbaar waren.

Standaardisering en samenwerking

Als reactie gingen het National Institute for Additive Manufacturing Innovation, National Institutes of Health, Food and Drug Administration en Department of Veterans Affairs een samenwerking aan voor het snel keuren en goedkeuren van haalbare ontwerpen. De inspanning hielp om de printinspanningen te standaardiseren. Toch bleven veel makers waarschijnlijk onwetend van deze clearinghouse voor ontwerpen.

Een ander nadeel van de directe 3D-printreactie op COVID-19 was een focus op componenten in plaats van de assemblage van complete producten. Zo werden ontwerpen voor geprinte kopbanden voor gezichtsschilden goedgekeurd, maar complementaire componenten zoals transparante schilden en elastische banden werden via traditionele kanalen bezorgd. Hoewel het printen van dergelijke materialen mogelijk is met 3D-printers, zijn ze doorgaans duur en alleen makkelijk te verwerken door selecte industriële machines. Dit maakte grootschalige productie van die items onwerkbaar. In de loop van de tijd werden zelfs deze beperkte toepassingen verdrongen, toen meer kosteneffectieve oplossingen beschikbaar kwamen.

Van hype tot structurele ondersteuning

Was 3D-printens impact op de COVID-19-reactie een stroperig fenomeen? Verre weg. In feite is het overgegaan tot een achter-de-schermen-input voor meer kosteneffectieve productietechnologieën.

Zoals de PBM-reactie benadrukt, zijn 3D-printers goed in het snel itereren op ontwerpconcepten en het verkrijgen van tastbare, functionele producten. De initiële snelheid en lage opstartkosten maken 3D-printen geweldig voor functioneel prototypen. Eenmaal het ontwerp vastligt, zijn andere technieken doorgaans betere opties. Hoewel de kosten van de eerste 3D-geprinte eenheden lager zijn dan die van een injectiegietgereedschap, is de tijd en variabele kosten per losstaande eenheid eenmaal het gereedschap gebouwd erg laag, waardoor het 3D-printen kan overstijgen als hoge hoeveelheden vereist zijn. Uiteindelijk ligt 3D-printens impact op de bestrijding van COVID-19 in de ondersteuning van legacy-processen.

Tooling als sleutelrol

Één manier waarop de technologie dat doet, is door tooling, de creatie van maatwerkinstrumenten om het productieproces te ondersteunen. Tooling-toepassingen variëren wijd, van het vasthouden van een werkstuk tot het waarborgen van de juiste plaatsing van een esthetisch kenmerk. Vaak kunnen tools worden geproduceerd met consumentenvriendelijke materiaal-extrusie desktopprinters. Hoewel er een verscheidenheid aan geprinte tooling-toepassingen is, is een van de meest nuttige toepassingen in de COVID-19-reactie de creatie van 3D-geprinte inserts voor injectiegietgereedschap. Meest opvallend wordt dit in commerciële contexten gedaan met poederbedfusie-3D-printers. Dergelijke systemen zijn in staat om hoog complexe metalen inserts te printen die in injectiegieten kunnen worden gebruikt. Ze zijn ontworpen met ingebouwde conformele koelkanalen, die de stroom van een vloeibare koelmiddel — doorgaans water — toelaten om het hete metaal actief te koelen dat de gegoten onderdelen comprimeert. Historisch werden deze in rechte lijnen geboord. Maar met geprinte tools kunnen de kanalen buigen en draaien op manieren die traditionele kanalen niet kunnen. Als resultaat koelen injectiegieten met deze inserts sneller af, wat snellere cyclus tijden en hogere productie van onderdelen oplevert.

COVID-19 zette de schijnwerpers op 3D-printen. In staat om snel te itereren op nieuwe ontwerpen en onderdelen te produceren om de PBM-tekortkoming aan te pakken, bewijste de techniek een waardevol en zeer flexibel deel van de vroege reactie-inspanningen te zijn. Naarmate voorkeursontwerpen werden goedgekeurd en vastgelegd, ging 3D-printen steeds meer over tot het ondersteunen van meer traditionele productieprocessen met geprinte tooling. Zowel toen als nu heeft het een waardevolle rol gespeeld in de productie van PBM en de COVID-19-reactie.

Cullen Hilkene is oprichter en CEO van 3Diligent.