cirp, LuxYours und neja verbinden die Additive Fertigung zur marktreifen Prozesskette

Medizinische Schutzhelme müssen alltagstauglich sein und auch ästhetischen Anforderungen gerecht werden, um Akzeptanz beim Patienten zu erzielen.

Carl Maria Rauen
Leiter Design, neja GmbH & Co. KG

„Die Additive Fertigung gibt uns bei der Entwicklung unserer Schutzhelme einzigartige Designfreiheit. “

Schutzhelme sind aus dem Alltag vertraut. Fahrrad-, Ski- oder Industriehelme werden nach Normen geprüft, in großen Stückzahlen gefertigt und meist für einen klar definierten Belastungsfall ausgelegt. Medizinische Kopfschutzhelme bewegen sich in einer anderen Welt. Sie entstehen für einzelne Patienten, müssen sich anatomischen Besonderheiten anpassen, werden häufig viele Stunden täglich getragen und sind Teil einer therapeutischen Versorgung. Daraus entsteht ein Spannungsfeld, in dem die Additive Fertigung ihre Stärken ausspielen kann, aber auch an die Grenzen reiner Drucktechnologie stößt.

Anhand von Test-Pucks werden die Prozessparameter für Färbung und Glättung erarbeitet. Der Unterschied zwischen ungeglättetem und geglättetem Material ist deutlich erkennbar.

Thomas Lück
Leiter Vertrieb und Innovation, cirp GmbH

„Die Additive Fertigung eröffnet neue Möglichkeiten in Medizinanwendungen, wenn die Prozesskette verstanden und beherrscht wird.“

Medizinische Helme folgen eigenen Regeln

Bei Kraniektomiepatienten geht es darum, besonders gefährdete Schädelbereiche nach einer operativen Entdeckelung zuverlässig zu schützen. Bei Epilepsiepatienten oder Menschen mit neurologischen Einschränkungen steht der Schutz vor wiederholten Stürzen im Vordergrund. Im Unterschied zu einem Fahrradhelm, der nach einem schweren Aufprall ausgetauscht wird, muss ein medizinischer Helm im Alltag mehrere Kollisionen überstehen können. Gleichzeitig liegt er eng am Kopf an, muss Hautkontakt erlauben, darf nicht drücken und soll möglichst wenig nach Krankheit aussehen.

Carlo Maria Rauen, Leiter Design bei neja, bringt die Ausgangslage auf den Punkt: „Ein medizinischer Helm muss weit mehr leisten als reine Schutzwirkung. Er soll Sicherheit vermitteln, angenehm zu tragen sein und möglichst nicht wie ein medizinisches Hilfsmittel wirken. Nur dann entsteht Akzeptanz bei den Betroffenen.“ Diese Akzeptanz ist kein weiches Nebenkriterium, sondern ein zentraler Bestandteil der Produktfunktion. Ein Helm, der aus Scham oder Unbehagen nicht getragen wird, schützt im entscheidenden Moment nicht.

Für den Designer ist es wichtig zu wissen, welche Bereiche eine organische/natürliche Farbvariation für das Erscheinungsbild des Endprodukts zulassen und welche Bereiche besser intensiv und homogen sein sollten. Darin steckt eine besondere Herausforderung bei Färbe- und Glättanwendungen.

Harry Dirrigl
Head of Strategy, Marketing & Sales, LuxYours GmbH

„Gerade bei den Helmen ist die Oberfläche kein kosmetischer Zusatz, sondern Teil der Produktfunktion.“

Warum klassische Lösungen an Grenzen stoßen

Konventionelle medizinische Kopfschutzhelme werden häufig aus textilen Aufbauten, Leder, Polsterschäumen, tiefgezogenen Kunststoffschalen oder handwerklich angepassten Kombinationen dieser Materialien gefertigt. Diese Verfahren haben sich in der Orthopädietechnik bewährt und können schnell zu individuellen Versorgungen führen. Gleichzeitig bringen sie Einschränkungen mit sich, die bei steigenden Anforderungen an Hygiene, Reproduzierbarkeit und Gestaltung zunehmend sichtbar werden.

Textile oder lederbasierte Helme lassen sich nur eingeschränkt reinigen und trocknen. Perforationen verbessern zwar die Belüftung, können aber potenzielle Schwachstellen erzeugen. Polsterschäume unterscheiden sich stark in Kosten, Gewicht und Dämpfungsverhalten. Bei tiefgezogenen Lösungen hängt viel von der handwerklichen Erfahrung ab, während spätere Änderungen oder Reproduktionen aufwendig bleiben. Vor allem aber ist die konstruktive Freiheit begrenzt: Belüftung, Schutzwirkung, Passform und Design lassen sich nur bedingt gleichzeitig optimieren. Für neja war deshalb früh klar, dass neue Fertigungsansätze notwendig sind. Das Unternehmen aus Rosenheim hat sich intensiv mit additiv gefertigten Kopfschutzhelmen befasst und die besonderen Anforderungen in der Orthopädietechnik systematisch untersucht. Dazu gehören Testreihen zur Schutzwirkung ebenso wie Betrachtungen zu Hygiene, Komfort und Compliance. Die Erkenntnis daraus: Additiv gefertigte Helme besitzen großes Potenzial, wenn sie nicht als gedruckte Kopie konventioneller Produkte gedacht werden, sondern als eigenständige technische Lösung.

Besonders für Kinder bedeuten formschöne und effektive Schutzhelme eine Steigerung der Lebensqualität.

Anwender: cirp

Medizinkompetenz weit über den 3D-Druck hinaus:
Die Fertigung der neja-Helme ist nur ein Beispiel für die breite Medizinkompetenz der cirp GmbH. Seit mehr als 30 Jahren beschäftigt sich das Unternehmen mit industrieller Additiver Fertigung und bringt seine Erfahrung heute in zahlreiche Anwendungen für Medizin, Forschung und Ausbildung ein. Dabei reicht das Spektrum von patientenspezifischen Planungsmodellen über Trainingsmodelle für Chirurgen bis hin zu komplexen Forschungsprojekten.

Besonders eindrucksvoll sind die Organphantome, die cirp für die Ausbildung von Viszeralchirurgen produziert. Die Modelle bilden Farbe, Haptik und innere Anatomie realitätsnah nach, sodass Tumore ertastet und Eingriffe unter praxisnahen Bedingungen trainiert werden können. Ergänzend entwickelt das Unternehmen patientenspezifische Modelle, die gemeinsam mit Virtual- und Augmented-Reality-Anwendungen die Operationsplanung unterstützen.

Mit PolyJet-Technologie fertigt cirp zudem hochdetaillierte, vollfarbige Medizinmodelle für Forschung, Lehre und Patientenaufklärung. Dazu zählen Embryomodelle ebenso wie neurologische Modelle zur Darstellung komplexer Nervenstrukturen. Internationale Aufmerksamkeit erregte zuletzt ein gemeinsam mit dem Universitätsklinikum Amsterdam entwickeltes Modell der Klitoris, bei dem erstmals das vollständige Nervengeflecht anatomisch korrekt visualisiert und als 3D-Druckmodell umgesetzt wurde.

„Wir verstehen uns nicht nur als Produzent von Kunststoffteilen, sondern als Entwicklungspartner, der Daten, Material, Prozess und Anwendung zusammenführt“, sagt Thomas Lück, Leiter Vertrieb und Innovation bei cirp. Diese Kombination aus Forschungsnähe, Fertigungskompetenz und industrieller Prozesssicherheit macht das Unternehmen zu einem gefragten Partner für anspruchsvolle Medizinanwendungen.

Für die Medizintechnik und für viele andere Branchen ist cirp in der Lage, in wenigen Tagen auch auf höhere Stückzahlen zu skalieren. Dazu fertigt cirp kostengünstige Aluminiumwerkzeugeinsätze und Spritzgießteile im eigenen Haus. So produzierte das Team während der Pandemie 3.500 Visierhalter für ein bayrisches Krankenhaus in nur vier Werktagen inklusive der Werkzeugerstellung. Werkzeuge für wiederverwendbare Masken entstanden ähnlich schnell, um kurzfristig den Bedarf eines großen Chemiewerks zu decken.

cirp GmbH
Römerstraße 8
D-71296 Heimsheim
http://www.cirp.de

Designfreiheit mit Verantwortung

Der größte Vorteil der Additiven Fertigung liegt bei medizinischen Helmen in der Verbindung aus Individualisierung und Funktionsintegration. Ausgehend von digitalen Daten lassen sich Helme exakt an die Anatomie eines Patienten anpassen. Aussparungen für Brillenbügel, Shunts oder Cochlea-Implantate können bereits in der Konstruktion berücksichtigt werden. Belastungs- und Entlastungszonen lassen sich definieren, ohne dass dafür nachträglich Material aufgebracht oder entfernt werden muss.

Besonders wichtig sind innere Strukturen. Lattice- und Gyroid-Geometrien ermöglichen es, Dämpfung, Gewicht und Belüftung in einer Konstruktion zusammenzudenken. Bei Epilepsiehelmen kommen etwa gyroidartige Strukturen zum Einsatz, die durch ihr dreidimensionales Muster eine gute Kombination aus Festigkeit und Offenheit bieten. Bei Kraniektomiehelmen können Gitterstrukturen gezielt auf Schutzwirkung und Entlastung ausgelegt werden. Damit verschiebt sich die Entwicklungsarbeit vom handwerklichen Aufbau hin zur digitalen Funktionsgestaltung. Rauen beschreibt diesen Schritt als grundlegenden Wandel: „Wir können heute patientenspezifische Lösungen entwickeln, die nicht nur passen, sondern konstruktiv auf den jeweiligen Anwendungsfall reagieren. Das ist ein großer Unterschied zu einer Versorgung, bei der ein bestehendes Prinzip lediglich angepasst wird.“ Gleichzeitig betont er, dass Additive Fertigung kein Selbstzweck ist. Jede Struktur müsse sich an Schutzwirkung, Herstellbarkeit und Alltagstauglichkeit messen lassen.

Die Kombination aus harter Schale und flexiblen Lattice-Strukturen, die im Endprodukt Strebenstärken von lediglich etwa 1,3 mm aufweisen können, sind die besondere Herausforderung bei den Schutzhelmen von neja.

cirp als industrieller Umsetzungspartner

Damit aus einem überzeugenden Design ein belastbares Produkt wird, braucht es einen Fertigungspartner, der die Additive Fertigung nicht nur als Druckauftrag versteht. Diese Rolle übernahm die cirp GmbH aus Heimsheim. Das Unternehmen beschäftigt sich seit mehr als 30 Jahren mit 3D-Druck, verfügt zusätzlich über mehr als 25 Jahre Erfahrung im Spritzgießen und begleitet Kunden vom selbstständigen Designer bis zum Industriekonzern. Für das Helmprojekt war diese Breite entscheidend, weil die Anwendung nicht nur Druckkompetenz, sondern ein Verständnis für Produktentwicklung, Materialverhalten, Nachbearbeitung und Marktreife verlangte.

Die Helme werden bei cirp auf Anlagen der EOS P3-Serie aus TPU gefertigt. Dieses flexible Material eignet sich für die Anforderungen medizinischer Kopfschutzhelme besser als starre Kunststoffe, bringt in der Verarbeitung aber eigene Herausforderungen mit. Komplexe innere Strukturen müssen prozesssicher aufgebaut werden, ohne dass Funktionselemente verkleben, unvollständig ausgebildet werden oder im Nachgang durch unzureichendes Entpulvern beeinträchtigt bleiben. Gerade das Entfernen des Pulvers aus den offenen, verschachtelten Geometrien ist ein kritischer Fertigungsschritt.

Thomas Lück, Leiter Vertrieb und Innovation bei cirp, sieht darin den Kern der Aufgabe: „Weil wir für Kunden seit Jahrzehnten neben AM auch spritzgießen, wissen wir gut, was es bedeutet, ein Bauteil und am Ende ein Produkt in den Markt zu bringen. Dieses Wissen benötigen wir inzwischen regelmäßig bei AM-Kundenprojekten.“ Bei neja sei ein kreativer Kunde mit hoher Designkompetenz hinzugekommen, gleichzeitig aber auch ein sehr anspruchsvolles Produkt. „Nur in enger Partnerschaft und ehrlicher Transparenz zu Prozessen und ihren Tücken ist es gelungen, ein attraktives Produkt erfolgreich mit SLS reif für den Markt zu produzieren.“

Die Fertigung bei cirp überzeugt durch eine Kombination aus unterschiedlichsten Technologien von Additiver Fertigung bis Spritzgießen.

Lernkurven verkürzen

cirp konnte im Projekt auf Erfahrungen zurückgreifen, die weit über die reine Lohnfertigung hinausgehen. Das Unternehmen forscht seit Jahren an Latticestrukturen, deren Design, Simulation und Produktion. Auch Untersuchungen zu einem additiv gefertigten Fahrradhelm und eine eigene Lattice-Software trugen dazu bei, die Anforderungen der neja-Helme schnell einordnen zu können. Dass neja die Helme und Strukturen selbst designt hatte, war für cirp dabei kein Hindernis, sondern die Basis eines fachlichen Austauschs auf Augenhöhe.

„Neja hat die Helme selbst designt und die Strukturen darin selbst kreiert“, erklärt Lück. „Dass wir parallel Latticestrukturen und auch einen Fahrradhelm untersucht hatten, half uns, die besonderen Anforderungen zu kennen und die gemeinsame Lernkurve kurz zu halten.“ Für ein Medizinprodukt ist diese Lernkurve besonders wertvoll. Denn jede Designänderung kann Auswirkungen auf Fertigung, Entpulverung, Färbung, Glättung, Haptik und Schutzverhalten haben.

Die Rolle von cirp bestand deshalb nicht darin, eine Datei zu übernehmen und Teile zu liefern. Vielmehr ging es darum, Material, Prozessfenster, Bauraumstrategie, Entpulverung und nachfolgende Veredelung gemeinsam mit neja und LuxYours abzustimmen. Diese Perspektive macht den Unterschied zwischen einem gedruckten Bauteil und einem belastbaren Produkt. Insbesondere in der Medizintechnik entscheidet nicht die technische Machbarkeit eines Einzelstücks, sondern die Fähigkeit, eine Lösung nachvollziehbar, wiederholbar und in gleichbleibender Qualität herzustellen.

Anhand 3D-gedruckter Organmodelle können Chirurgen besser ausgebildet werden. Die Modelle bilden Farbe, Haptik und innere Anatomie realitätsnah nach.

Farbe, Haptik und Hygiene werden zur Funktion

Mit der Additiven Fertigung war die konstruktive Grundlage geschaffen. Für den Alltag der Patienten fehlte jedoch ein entscheidender Baustein: die Oberfläche. Roh gedruckte Polymerteile besitzen eine raue, poröse Struktur. Bei technischen Bauteilen mag das tolerierbar sein und gängige Nachbearbeitung durch Reinigungs- und Verdichtungsstrahlen reichen für viele Anwendungsszenarien aus. Bei einem Medizinprodukt mit Hautkontakt, regelmäßiger Reinigung und hoher Sichtbarkeit ist es jedoch problematisch. Die Oberfläche beeinflusst Hygiene, Haptik, optische Wertigkeit und damit letztlich die Tragebereitschaft.

Harry Dirrigl, Head of Strategy, Marketing & Sales bei LuxYours, beschreibt die Bedeutung dieses Prozessschritts so: „Der letzte Prozessschritt hat einen großen Einfluss auf Qualität und Erscheinungsbild des Kopfschutzhelms. Werkstoffauswahl, mögliche Geometrien, Strebenstärken, Glanzgrad sowie das Zusammenspiel von Färbung und Glättung mussten gemeinsam gedacht werden.“ Gerade bei den Helmen sei die Oberfläche kein kosmetischer Zusatz, sondern Teil der Produktfunktion.

Auf der OT World bestand reges Interesse an den 3D-gedruckten Helmen von neja.

Glätten als Teil der Prozessentwicklung

LuxYours bringt in die Prozesskette seine Technologie zum chemischen Glätten von Polymerbauteilen ein. Dabei wird die Rauheit der additiv gefertigten Oberfläche reduziert, wodurch sich Reinigbarkeit und Haptik deutlich verbessern. Für die neja-Helme ging es jedoch um weit mehr als eine homogene Außenfläche. Innenbereiche, offene Strukturen und filigrane Geometrien mussten ebenso gleichmäßig erreicht werden wie sichtbare Flächen. Die Veredelung durfte die Funktion der Dämpfungsstrukturen nicht beeinträchtigen und musste gleichzeitig die gewünschte Farbanmutung stabilisieren.

Eine besondere Herausforderung bestand darin, dass die finale Farbwirkung erst nach der Versiegelung wirklich beurteilt werden kann. Der Glättungsprozess führt zu einer höheren Farbsättigung und verändert damit die Wahrnehmung der Bauteile. Farben, die vor der Veredelung passend erscheinen, können nach dem Prozess zu kräftig oder zu dunkel wirken. Deshalb mussten cirp, neja und LuxYours iterativ vorgehen und die Prozessschritte aufeinander abstimmen. „Entscheidend war, dass wir nicht nacheinander, sondern miteinander entwickelt haben“, sagt Dirrigl. „Die erfolgreiche Umsetzung erfordert ein tiefes Verständnis der medizinischen Anforderungen in Kombination mit dem Wissen um die Möglichkeiten und Grenzen des 3D-Drucks und der Oberflächenveredelung.“ Genau hier zeigte sich der Vorteil der regional nahen Partnerschaft.

Keine Lieferkette, sondern Entwicklungspartnerschaft

Das Projekt ist ein Beispiel dafür, dass erfolgreiche Additive Fertigung im Medizinbereich selten aus isolierten Prozessschritten entsteht. neja brachte die Anwendungskompetenz, das Design und das Verständnis für orthopädietechnische Anforderungen ein. cirp übersetzte diese Konzepte in eine reproduzierbare industrielle Fertigung und brachte Erfahrung aus AM, Spritzgießen, Forschung und Veredelung ein. LuxYours ergänzte die Prozesskette um das Oberflächenfinish, das aus einem funktionalen gedruckten Bauteil ein alltagstaugliches Produkt macht.

„Know-how und Umsetzungsfähigkeiten ergänzen sich sinnvoll“, fasst Dirrigl zusammen. „Vom Design über Fertigung und Färbung bis zum Oberflächenfinish musste die Prozesskette gemeinsam entwickelt werden. Dazu kam, dass die Chemie zwischen den Partnern gepasst hat.“ Diese Form der Zusammenarbeit war insbesondere deshalb wichtig, weil bei einem Medizinprodukt die Spielräume enger sind als bei vielen Industrieanwendungen. Änderungen an Material, Struktur oder Finish können direkt auf Funktion, Reinigung oder Patientenerlebnis wirken.

Auch für cirp war die Offenheit in der Zusammenarbeit entscheidend. Lück betont: „Bei allen Zusicherungen und Zertifikaten im Feld des chemischen Glättens war für uns wichtig, dass keine gefährliche Chemie eingesetzt wird und wir die Effekte des Prozesses verstehen. Mehrere Treffen aller drei Partner sorgten für schnelle Fortschritte in den Details und, in diesem Feld besonders wichtig, für Vertrauen.“

Vom funktionalen Bauteil zum akzeptierten Hilfsmittel

Das Ergebnis dieser gemeinsamen Entwicklung ist ein Helm, der die Stärken der Additiven Fertigung hervorhebt, ohne nach einem Technologiedemonstrator auszusehen. Die offene Struktur unterstützt die Belüftung. Das flexible Material trägt zum Tragekomfort bei. Die individuelle Konstruktion berücksichtigt patientenspezifische Anforderungen. Färbung und Oberflächenfinish schaffen eine hochwertige Anmutung und erleichtern die Reinigung. Damit rückt der Helm näher an ein persönliches Produkt als an ein klassisches Hilfsmittel.

Für die Betroffenen kann das entscheidend sein. Ein Epilepsiehelm, der von Eltern und Kindern als modern und individuell wahrgenommen wird, reduziert das Stigma einer Erkrankung. Ein Kraniektomiehelm, der funktional schützt und zugleich weniger medizinisch wirkt, kann Patienten in einer ohnehin belastenden Rehabilitationsphase mehr Sicherheit und Selbstverständlichkeit geben. Die Additive Fertigung trägt hier nicht nur zur technischen Optimierung bei, sondern verändert auch die Wahrnehmung des Produkts.

Rauen formuliert es entsprechend patientennah: „Gedruckte Helme erlauben uns, konstruktive Details und Speziallösungen umzusetzen, die früher kaum möglich waren. Gleichzeitig können wir ein Erscheinungsbild schaffen, das den Fokus weg von der Erkrankung und hin zur Lebensqualität lenkt. Am Ende wurde beim TÜV Süd nach der EN 1078 getestet und auch damit auch der Sicherheitsanspruch nachgewiesen.“ Damit wird aus der Kombination von Design, Fertigung und Finish ein Beitrag zu mehr Teilhabe im Alltag.

Ein Blick nach vorne

Die Partner sehen die aktuelle Lösung nicht als Endpunkt, sondern als Ausgangsbasis. Materialien, Strukturen, Simulationen und Finishprozesse bieten weiteres Entwicklungspotenzial. Gewicht und Dämpfung lassen sich weiter optimieren. Neue Farb- und Oberflächenvarianten können die Akzeptanz erhöhen. Auch digitale Prozessketten von Scan und Konstruktion über Fertigung bis zur Veredelung werden künftig weiter an Bedeutung gewinnen. Für cirp bestätigt das Projekt eine Entwicklung, die das Unternehmen seit Jahren beobachtet: Der Wert Additiver Fertigung entsteht zunehmend in der Beherrschung der gesamten Prozesskette. Ein einzelner Druckprozess reicht nicht aus, wenn Bauteile in regulierte oder anwendungsnahe Märkte gelangen sollen. Gefragt sind Datenkompetenz, Materialverständnis, Fertigungserfahrung, Nachbearbeitung, Beratung und die Fähigkeit, gemeinsam mit Kunden Produkte zur Reife zu führen.

„Die Additive Fertigung eröffnet Medizinanwendungen, wenn die Prozesskette verstanden und beherrscht wird“, sagt Lück. „Bei den Helmen kommen individuelle Anforderungen, flexible Materialien, komplexe Strukturen, Farbe, Versiegelung und Reinigbarkeit zusammen. Genau solche Projekte zeigen, warum AM mehr ist als ein Fertigungsverfahren.“ Harry Dirrigl ergänzt: „Der aktuelle Stand ist aus unserer Sicht erst der Anfang. Wir werden unsere gemeinsamen Forschungen weiter vorantreiben, um funktionale und ästhetische Anforderungen noch besser abzubilden.“

Die additiv gefertigten Kopfschutzhelme von neja, gefertigt von cirp und veredelt von LuxYours, zeigen damit exemplarisch, wohin sich personalisierte Medizinprodukte entwickeln können. Sie verbinden Schutzwirkung mit Komfort, Individualität mit reproduzierbarer Fertigung und technische Funktion mit einer Anmutung, die im Alltag akzeptiert wird. Darin liegt die Stärke dieser Prozesspartnerschaft: Sie macht aus einer anspruchsvollen additiven Anwendung ein Medizinprodukt, das nicht nur gedruckt, sondern verstanden, hergestellt, veredelt und getragen wird.