Frankfurter Allgemeine Zeitung - 06.09.2019

V4 Frankfurter Allgemeine Zeitung Verlagsspezial / Zukunft der Werkzeugmaschinenindustrie / 6. September 2019

Spektakuläre Fortschritte der Medizintechnik

Organe aus dem 3D-Drucker, individuelle Prothesen oder OP-Instrumente-Produktion während der Operation:

Maschinen in der Medizin sind besser als ihr Ruf. Von Volker Budinger

W I E 3 D! D R U C K E R H E L F E N , G E S I C H T E R Z U

R E K O N S T R U I E R E N

Nach schweren Unfällen oder Krebserkrankungen

müssen in aufwendigen Operationen oft Gesichter mit

Implantaten rekonstruiert werden. Die fehlenden oder

zerstörten Gesichts- oder Kieferknochen werden dabei

durch Implantate ersetzt – Titan ist dabei häufi g das Mittel

der Wahl. Noch müssen sich Chirurgen dabei häufi g auch

als Metallhandwerker beweisen und aus Standard-

Titan-Lochplatten ein passendes Implantat zurechtschneiden.

Moderne Werkzeugmaschinen wie 3D-Drucker

machen den Medizinern ihr Handwerk aber bereits mit

zunehmender Verbreitung leichter. So stellt etwa der

deutsche Maschinen-, Elektronik- und Laserhersteller

Trumpf mit Stammsitz im baden-württembergischen

Ditzingen einen auf Laser-Technik basierenden 3D-

Drucker her, der exakt angepasste und saubere

Implantate aus Titan fertigt.

Für den russischen Medizintechnik-Hersteller Conmet

hat Trumpf diesen 3D-Drucker hergestellt, der sich

durch eine besonders fokussierte Laser-Optik auszeich-

net, die den Strahl auf 30 Mikrometer Durchmesser

fokussiert. Der Laser „schmilzt“ dann in einem Bett

aus Titanpulver die dreidimensionalen Implantate. Die

Daten dafür werden mittels Vermessung am Patienten

und CAD (computer-aided Design)-Programmen an den

Medizintechnik-Hersteller übermittelt. Dort werden die

passgenauen Implantate hergestellt, die der Chirurg dann

ohne zusätzlich Modellier- und Bearbeitungsaufwand

implantieren kann.

Die Titan-Implantate aus dem 3D-Drucker haben dazu

noch eine Feinstruktur, die das Verwachsen mit dem

Körpergewebe begünstigt. Auf der EMO zeigt Trumpf den

3D-Drucker, mit dem das russische Medizinunternehmen

bereits arbeitet und seinen Maschinenpark auch noch

erweitern will.

F O R S C H U N G F Ü R I M P L A N T A T E W I E A U S D E R N A T U R

Während Maschinenhersteller wie etwa Trumpf immer

feinere Maschinen herstellen können, die auch kleinste

Strukturen an medizinischen Implantaten fertigen

können, sucht die Wissenschaft nach Lösungen, wie

solche Implantate idealerweise bescha$ en sein sollten.

Akademische Forschung und Industrie verzahnen sich

dabei, weshalb auch Forschungsinstitute ihre Ergebnis-

se auf der EMO-Messe in Hannover präsentieren.

Ein Beispiel ist die Arbeit des Instituts für Werk-

zeugmaschinen und Betriebswissenschaften der Tech-

nischen Universität München (iwb der TU München),

an dem man sich etwa mit der Frage befasst hat,

wie Endoprothesen – also beispielsweise künstliche

Hüftgelenke – nicht nur in ihrer äußeren Form ideal

passen, sondern auch im Inneren optimal struktu-

riert sind. Unter dem Namen ASIMOV – „Anatomie-

spezifi sche Implantatverankerung mittels optimierter

Verformungseigenschaften“ beschäftigten sich die

Wissenschaftler mit diesem Thema.

Das Projekt ziele darauf ab, Implantate „so zu

gestalten und herzustellen, dass deren Verformungs-

eigenschaften möglichst dem natürlichen Verhalten

der Knochen“ entsprechen, so die Forscher. So sollen

Spannungsspitzen und Mikrobewegungen vermieden

werden, die bei bisherigen Implantaten durch die auf

sie bei der normalen Bewegung wirkenden Kräfte

entstehen – was zu Lockerungen der Endoprothesen

oder auch unerwünschten Schmerzempfi ndungen

führen kann.

Mittels Simulationssof tware wollen die Forscher

so die optimalen Mikrostrukturen ermitteln, die

mechanische Spannungen ideal abfedern – so wie

das natürliche Knochen durch ihre Feinstruktur

leisten können. 3D -Drucker, die mit Laserstrahl-

Schmelzen arbeiten, können solche Feinstrukturen

bei der Fertigung der Implantate einbauen. Das

Forschungsprojekt, das das iwb zeigt, läuf t noch bis

Mitte 2021.

H Ü F T! O P I N D E R V I R T U E L L E N R E A L I T Ä T

Maschinen in der Medizin produzieren nicht nur hoch-

spezifi sche und e% ziente Medizinprodukte. Einige vermit-

teln auch – dringend benötigtes – Wissen. So ist HIPS eine

Maschine, die Medizinern hilft, ihr Wissen zu erweitern

sowie zu schulen und damit indirekt auch deren Patienten

nutzt – und in der viel Entwicklungsarbeit steckt. Auf der

EMO Hannover zeigt die Technische Universität Chemnitz

das Projekt, an deren Institut für Werkzeugmaschinen und

Produktionsprozesse (IWP) es entstanden ist.

HIPS steht dabei für „Hüft-Implantat-Pfannen -

fräs-Simulator“ und ist eine Kombination aus Virtueller

Realität (VR) und einem mit einer Fräse ausgestatteten

Leichtbau-Roboterarm, der haptisches Feedback vermittelt.

Bei der Implantation künstlicher Hüftgelenke müssen

die neuen Gelenkköpfe passgenau in die Gelenkpfanne

der Hüfte passen. Dazu müssen die Chirurgen diese

ausfräsen – was gleichzeitig sehr kraftaufwendig sei und

sehr präzise vonstatten gehen müsse, so die Experten.

Mit HIPS lasse sich dies nun abseits realer Patienten an

virtuellen erstmals realitätsgenau trainieren. Die Chirur-

gen sehen durch die VR-Brille den virtuellen Patienten

und bekommen beim Bedienen des Roboterarms ein reali-

tätsgenaues haptisches Feedback wie sie es am realen

Knochen bekämen.

Seit April existiert dieses Beispiel einer Trainingsma-

schine, an deren Entstehen neben dem Institut Software-

Entwickler und Mediziner beteiligt waren. Es sei damit

das „weltweit erste chirurgische VR-Trainingssystem für

nicht-minimalinvasive OPs mit haptischem Feedback“,

so die Wissenschaftler. Die Forscher wollen HIPS nun um

weitere Aspekte der Hüft-OP erweitern – und natürlich

kann es Ausgangsbasis für Trainingsgeräte für andere

hochspezielle Operationen werden.

O R G A N E A U S D E M D R U C K E R S T E H E N I N

D E N S T A R T L Ö C H E R N

Kunststo$ e, Keramik und Metalle lassen sich mit mo-

dernen Werkzeugmaschinen mittlerweile vielgestaltig

additiv, also Schicht für Schicht, fertigen (was man

vereinfacht als 3D-Druck bezeichnet) – subtraktiv mit

computergesteuerten Zerspanungsmaschinen wie Fräsen

und Co. sowieso. Im Bereich der organischen Werksto$ e

ist das bei Holz subtraktiv kein Problem, und selbst additiv

gibt es da Fortschritte – spannend für die Medizin sind

allerdings natürlich organische Gewebe. Und da ist und

bleibt es weiter schwierig.

Trotz etlicher Fortschritte in jüngster Zeit bleiben kom-

plexe menschliche Organe aus dem 3D-Drucker noch ein

Traum. Zwar gelang es bereits, lungenähnliche Objekte

zu drucken oder auch herzähnliche, die sogar schlugen

• bislang sind das aber nur Experimente in die Richtung
  der Organe, die mit funktionellen Organen noch nicht
  vergleichbar sind.
  Grund dafür: Im Gegensatz zu vielen anderen
  „Werkstücken“ bestehen Organe aus vielen verschiede-
  nen spezialisierten „Materialarten“ – also Zelltypen. Mit
  Biodruckern, die Zellen in einer fl üssigen Matrix ähnlich
  Tintenstrahldruckern zu Strukturen „drucken“ können,
  lassen sich bislang nur wenige verschiedene Zelltypen
  „additiv“ zusammensetzen. Ein großes Problem ist auch
  noch die Versorgung mit Blutgefäßen – und mit Nerven.
  Die verschiedenen Zelltypen aus Stammzellen zu erzeu-
  gen ist dagegen bereits weitgehend machbar.
  „Einfachere“ Strukturen wie hautähnlich zumindest
  zweischichtige Gewebestücke etwa zur Abdeckung und
  besseren Heilung großfl ächiger Wunden lassen sich
  dagegen bereits produzieren. Auch Ohrmuscheln aus
  Knorpelmasse wurden bereits erfolgreich gedruckt und
  implantiert. Und erst im März gelang es südafrikanischen
  Medizinern, ein Mittelohr aus dem 3D-Drucker erfolgreich
  einzusetzen. In dem Fall wurden die bei einem Unfall
  zerstörten Gehörknöchelchen Hammer, Amboss und
  Steigbügel durch aus Titan in einem 3D-Drucker additiv
  gefertigte Künstliche ersetzt.

O P! I N S T R U M E N T E A U S R O B O T E R H A N D

Immer schneller, e% zienter, kleiner und selbständiger –

viele Aussteller auf der EMO präsentieren ihre Maschinen,

die unter anderem Geräte, Zubehör oder Implantate für

die Medizintechnik produzieren. Vollautomatische Robo-

tersysteme etwa stellen schnell und hochpräzise aus ver-

schiedenen Materialen mittels Zerspanungstechnik oder

im 3D-Druck solche Werkstücke her – mit hoher Qualität

und in der Regel sinkenden Stückkosten. Medizintechnik

ist ein großes und wichtiges Anwendungsgebiet für Werk-

zeugmaschinenhersteller.

Dabei spielt neben der immer feiner werdenden Bear-

beitungsgröße bis in Mikrometerbereiche auch eine Rolle,

dass die Maschinen weniger Platz in Anspruch nehmen.

Der Hersteller Hermle bewirbt auf der Messe etwa eine

Lösung, die nur rund zwei Kubikmeter Raum in Anspruch

nimmt. Und das Unternehmen Chiron wirbt damit, dass

auch die Feinstbearbeitung medizintechnischer Werkzeu-

ge automatisiert werden kann.

Es gibt aber auch OP-Instrumente, die es ohne moder-

ne Fertigungsmethoden so gar nicht gäbe. Beispiele gibt

es etwa aus der Kardiologie, wo ein britisches Ärzteteam

ein Gerät für den Wundverschluss und ein Instrument zur

Ruhigstellung des Herzens entwickelt hat. Die Komponen-

ten entstanden dabei am Computer und wurden im

3D-Druck-Verfahren hergestellt. Die modernen Ferti-

gungsverfahren ermöglichen also ganz neue Anwen-

dungen im medizinischen Bereich und Verbesserungen

letztlich zum Wohl der Patienten.

Die digitale Industrie

verändert den Arbeitsplatz

der Zukunft. Bislang

dominierten hier vor allem

technische Fragestellungen

zur Zusammenarbeit von

Mensch und Maschine.

V O N A N J A S T E I N B U C H

D

igitalisierung und Industrie 4.0

verändern in vielen Bereichen des

produzierenden Gewerbes Perso-

nalstrukturen grundlegend. Ein

Beispiel aus der Automobilindustrie: Wo

frü her große Teams Karosserieteile zusam-

menschweißten, ü berwachen heute nur

noch wenige Menschen die Arbeit von Ro-

botern. Technologien wie Kü nstliche Intelli-

genz (KI) könnten auch dieses letzte Terrain

einnehmen und schon bald auch die Rolle

des Aufpassers ü bernehmen. Der Automo-

bilzulieferer Bosch belegt diesen Transfor-

mationsprozess mit Zahlen: Eins zu zehn, so

kalkulieren die Schwaben die Auswirkungen

der Elektrifi zierung im Mobilitätssektor.

Während früher beim Bau eines Motors zehn

Mitarbeiter beschäftigt waren, wird im Zeit-

alter des Elektromotors nur noch ein Kollege

benötigt.

Was tun? Die Antwort lautet: Weiterbil-

dung. Wirtschaft und Wissenschaft sind

gleichermaßen gefordert. Zu dem Ergebnis

kommt auch die Wissenschaftliche Gesell-

schaft für Produktionstechnik (WGP). Sie hat

bereits im vergangenen Jahr den Automa-

tisierungsgrad in der Industrie analysiert.

Das daraus entstandene Standpunktpapier

„Industriearbeitsplatz 2025“ zeigt, wo Hand-

lungsbedarf besteht. „Jede industrielle Revo-

lution geht mit immensen gesellschaftlichen

Umwälzungen einher", sagt Prof. Berend

Denkena, Präsident der WGP und Leiter des

Instituts für Fertigungstechnik und Werk-

zeugmaschinen IFW der Universität Han-

nover. „Wir wollen als Zusammenschluss

deutscher Professoren der Produktionstech-

nik unser Knowhow einbringen, um diese

Umwälzungen möglichst menschengerecht

zu gestalten.“

Lebenslanges Lernen

Auch die Arbeitnehmer seinem gefordert,

sagt Prof. Jürgen Fleischer, Leiter der Pro-

duktionsakademie und Leiter des wbk

Instituts für Produktionstechnik am

Karlsruher Institut für Technologie: „Nur

wenn sich Mitarbeiter auf lebenslanges Ler-

nen einstellen, lässt sich die Produktion auf

aktuellem Stand halten und bleibt das Unter-

nehmen längerfristig wettbewerbsfähig.“

Daher bieten verschiedene WGP-Institute 15

ein- bis zweitägige Seminare oder Inhouse-

Schulungen an. Die Inhalte: „Lean und Digi-

tal – Entlang des Wertstroms zum Ziel“ bietet

das Institut für Werkzeugmaschinen und

Betriebswissenschaften an der TU München

an. An der Lernfabrik für schlanke Produk-

tion in Garching erproben dabei Fach- und

Führungskräfte durch die Montage von

realen, industriell eingesetzten Planeten-

radgetrieben Methoden und Grundsätze der

schlanken Produktion. Aktuelle Schlüssel-

technologien zur „Produktion elektrischer

Antriebe“ vermitteln die Experten des Lehr-

stuhls für Fertigungsautomatisierung und

Produktionssystematik an der Universität

Erlangen-Nürnberg. Und Grundlagen zur

„Produktionsplanung und -steuerung im

Zeitalter von Industrie 4.0“ lassen sich durch

ein praxisnahes Planspiel an der IFA-Lern-

fabrik des Instituts für Fabrikanlagen und

Logistik an der Leibniz-Universität Hannover

lernen. Auch die „Additive Fertigung metal-

lischer Bauteile“ sowie „Standortgerechte

und globale Qualitätssicherung durch Six

Sigma“ stehen hier auf dem Plan.

Bundesarbeitsminister Hubertus Heil

hat ebenfalls die Notwendigkeit erkannt

und bereits Grundzü ge fü r ein „Arbeit-von-

morgen-Gesetz“ vorgestellt. Darin enthal-

ten ist mehr fi nanzielle Fö rderung durch

die Bundesagentur fü r Arbeit sowie die

Mö glichkeit, Kurzarbeit und Weiterbildung

miteinander zu verknü pfen. Trotzdem bleibt

auch laut Minister Heil Weiterbildung die

Aufgabe der Unternehmen. Die Firmen wis-

sen am besten, welche Qualifi kationen ihre

Mitarbeiter in Zukunft brauchen.

Deswegen hat der Roboterspezialist Kuka

für seine Kunden weltweit sieben Schulungs-

zentren eingerichtet. Hier lernen die Mit-

arbeiter von Kuka-Kunden, wie sie Roboter

korrekt programmieren, mit ihnen arbeiten

und wie die Automaten gewartet werden

müssen, damit sie lange problemlos laufen.

Pro Jahr schicken etwa 2000 Firmen 5000

Mitarbeiter.

Auch der Weltroboterverband, die In-

ternational Federation of Robotics (IFR),

beschäftigt sich seit zwei Jahren intensiv

mit dem Thema. „Wir müssen viele unserer

Mitglieder wachrütteln“, sagt Dr. Susanne

Bieller, Generalsekretärin des IFR.

Fokus automatisierte Anwendungen

„Das Thema gehört zu den wichtigsten auf

unserer Agenda.“ Denn durch die Digitali-

sierung veränderten sich die Anforderungen

an die Belegschaften von Maschinenbauern,

Motorenherstellern und deren Zulieferern

massiv. Die Unternehmen müssten genau

analysieren, was sie in den kommenden 15

Jahren brauchen. Die Kompetenzen des Per-

sonals müssen auf den Prüfstand – genauso

wie die Technologien. „Unternehmen, Mit-

arbeiter und der Gesetzgeber sind hier-

für gleichermaßen gefordert“, konstatiert

Bieller. Mitarbeiter brauchen das Inter-

esse, um Neues dazuzulernen, Arbeitge-

ber müssen Geld in die Hand nehmen, um

Angestellten Seminare und Schulungen zu

ermöglichen, und die Politiker sollten die

Rahmenbedingungen dafür schaffen.

Noch ein paar Beispiele: Der Roboter-

hersteller Yaskawa schult in Eschborn bei

Frankfurt Kunden mit Fokus auf automati-

sierte Anwendungen. Pro Jahr fi nden 467

solcher Seminare statt. Hier lernen sie: Ro-

boter programmieren, Roboter in der Fer-

tigung anwenden, Roboter warten. Es gibt

166 Kursmodule – und zwar für alle Berei-

che der Robotik. Dazu gehören Frequenz-

umrichter, Servo, Steuerungstechnik. Die

Kurse gehen von Einsteigerschulungen über

Produktschulungen zu den Programmier-

schulungen vom Grundwissen bis zum Ex-

pertenlevel. Interessant: Es werden Zertifi -

zierungslehrgänge zum Yaskawa-Bachelor

und -Master angeboten sowie Instandhal-

tungsschulungen für Mechanik, Elektronik

und Mechatronik. Abschließend gibt es zu-

dem für alle Softwarelösungen von Yaskawa

passende Schulungen zum Beispiel für die

Offl ine-Programmierung.

Auch der Roboterspezialist Fanuc hat

ähnliche Schulungsakademien. Eine befi n-

det sich in Neuhausen auf den Fildern. Auch

hier ist die Nachfrage groß – so groß, dass

das Unternehmen Inzwischen ein eigenes

Hotel neben das Seminargelände gebaut hat,

weil immer mehr Firmen ihre Mitarbeiter

für einige Wochen dorthin schicken.

Neue Anforderungen an die Mitarbeiter

FOTO PHONL AMAIPHOTO/ISTOCK