ETH-doktoranden Kai von Petersdorff-Campen har utvecklat en metod för att skapa produkter som innehåller magneter med hjälp av 3D-utskrift. Han använde en konstgjord hjärtpump för att demonstrera funktionsprincipen – och vann en internationell prototyptävling.

När Kai von Petersdorff-Campen bestämde sig för att göra en konstgjord hjärtpump med 3D-utskrift, han misstänkte inte att hans projekt skulle väcka så mycket uppmärksamhet. Plastbiten som han tog från skrivaren efter 15 timmar var av mycket låg kvalitet. Men som det efterföljande testet visade, det fungerade – och det var nyckeln. "Mitt mål var inte att göra en bra hjärtpump, men för att demonstrera principen om hur det kan produceras i ett enda steg, säger Petersdorff-Campen.

Positiv resonans

Den 26-åriga doktoranden vid Institutionen för maskin- och processteknik utvecklade prototyperna i våras inom bara några månader. Han fick sedan en inbjudan till den prestigefyllda ASAIO -konferensen i Washington i juni, där han höll ett palltal. Han vann också prototyptävlingen med videon han skickade om projektet.

Den betydande delen av Petersdorff-Campens projekt är inte själva hjärtpumpen; det här är bara ett exempel på 3D-utskriftsmetoden som den unge ETH-forskaren har utvecklat. Konstgjorda hjärtpumpar är inte bara geometriskt komplexa produkter, men, mer viktigt, de innehåller magneter-och inom 3D-utskrift med magneter, forskning är fortfarande i sin linda. Petersdorff-Campens hjärtpump är därför en av de första prototyperna med magnetkomponenter tillverkade med 3D-tryck.

Nyckeln är att hitta rätt mix

Petersdorff-Campen kallar sin nyutvecklade metod för "embedded magnet printing". Nyckeln är att säkerställa att magneterna trycks direkt i plasten. Magnetpulver och plast blandas före tryckning och bearbetas till trådar som kallas filament. Dessa går sedan igenom 3D-skrivaren, där de bearbetas på liknande sätt som konventionell 3D-utskrift-valde Petersdorff-Campen FDM-metoden. Ett munstycke matar automatiskt ut den datorgenererade formen, med dess olika komponenter. Till sist, det tryckta stycket magnetiseras i ett yttre fält.

En av de största svårigheterna var att utveckla filamenten:det mer magnetiska pulvret som tillsätts till granulatblandningen, desto starkare magnet, men desto sprödare blir slutprodukten. Dock, för att filamenten ska pressas genom 3D-skrivaren, de måste vara någorlunda flexibla. Petersdorff-Campen har nu lyckats hitta ett lyckligt medium. "Vi testade olika plaster och blandningar, tills filamenten var tillräckligt flexibla för utskrift men fortfarande hade tillräckligt med magnetisk kraft, " han säger.

Petersdorff-Campen, som arbetar i produktutvecklingsgruppen vid Institute for Design, Material och tillverkning under professor Mirko Meboldt, presenterade inte bara metoden på forskningskonferensen i Washington, men har också publicerat det i en akademisk tidskrift. Reaktionerna varierade, han förklarar:"Vissa människor frågar redan var de kan beställa materialet." Andra kritiserade att 3D-utskrift inte är lämplig för produktion av medicinsk utrustning, på grund av de olika godkännandeprocesserna. "Det var inte mitt fokus, dock, " betonar Petersdorff-Campen. "Jag ville helt enkelt visa principen." Han är säker på att det är värt att vidareutvecklas av forskare och utvecklare.

Av intresse för elmotorer

Även om metoden kanske inte är lämplig för hjärtpumpar, potentialen för 3D-utskrift av magneter är enorm:de är en nyckelkomponent i mycket mer än bara medicinsk utrustning. Till exempel, de används i elmotorer, såsom de i många tekniska hushållsapparater, från en dators hårddisk till högtalare och mikrovågor. I dag, geometriskt komplexa komponenter med magneter produceras genom komplex formsprutning:3D-utskrift kan göra denna process betydligt snabbare och därför billigare.

Dock, det är fortfarande långt kvar, säger Petersdorff-Campen:"Det finns fortfarande mycket att förbättra när det gäller material och bearbetning." Till exempel, hans hjärtpump kan ha klarat de första testerna och pumpat 2,5 liter per minut med 1, 000 varv, men detta uppfyller ännu inte de standarder som krävs i praktiken:"Jag skulle inte vilja ha en sådan enhet implanterad."