Forscher entwickeln „MagFil“-Filament für magnetische Blutpumpe

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Forschern der ETH Zürich gelang es erfolgreich eine rotierende Blutpumpe mit Magneten 3D zu drucken. Um dieses Vorhaben zu realisieren, entwickelten die Forscher eigens ein Filament namens MagFil, bestehend aus Thermoplast in Kombination mit isotropem NdFeB-Pulver.

Bereits seit einigen Jahren experimentieren Wissenschaftler und Experten mit dem 3D-Druck von Magneten. Mit additiver Fertigung als Herstellungsmethode lassen sich diese nicht nur schneller, sondern überdies auch kostengünstiger produzieren. Zwar ist dies ein spannendes Thema, Anwendungsbereiche für 3D-gedruckte Magnete sind jedoch eher selten.

Im Rahmen einer neuen Studie untersuchten Forscher der ETH Zürich jedoch nun die Verwendung von 3D-Drucktechnologien zur Herstellung einer rotierenden, magnetischen Blutpumpe. Diese Forschung wurde bereits unter dem Titel „3D-Druck von Funktionsbaugruppen mit integrierten Polymer-gebundenen Magneten, demonstriert mit einem Prototyp einer Rotationsblutpumpe“ publiziert.

In 3D-Drucke eingebettete Magnete können eine Vielzahl an neuen 3D-Druckanwendungen eröffnen. Oft lassen sich der Formfaktoren oder auch die Funktionalität eines Geräts durch Magneten beeinflussen. Dieser Tatsache wollten ETH Forscher nun anhand einer rotierenden Blutpumpe auf den Grund gehen.

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Um diese Pumpe 3D-drucken zu können, entwickelte das Forscher-Team eigens ein Filament namens “MagFil” aus Thermoplast, kombiniert mit isotropem NdFeB-Pulver. Mit diesem Filament wurde schließlich ein Prototyp einer Turbomotorpumpe 3D-gedruckt, welcher Magneten im Rotor sowie im Gehäuse integriert. Realisiert wurde der Prototyp in einem Stück auf dem Prusa i3 MK2 3D-Drucker mit Multi-Material-Upgrade. Nachdem der 3D-Druck abgeschossen war, wurden die magnetischen Komponenten schließlich anhand einer gepulsten Bitterspule vollständig magnetisiert.

„Das Grunddesign des Pumpenprototyps ist dem herkömmlicher RBP-Konstruktionen ähnlich – komplizierte Geometrien mit innenliegenden Verdrillungen und hinterschnittenen Elementen würden jedoch keine konventionelle Fertigung ermöglichen“, erklären die Forscher. „Das Lagerkonzept für den Rotor bestand aus zwei passiven Magnetlagern für Radialkräfte und einer Schwenkspitze für Axialkräfte. Bei den Radialmagnetlagern wurden Hohlzylindermagnete in Rotor und Gehäuse integriert. Der Rotor besteht aus vier Schaufeln mit spiralförmig um die Anströmachse verdrehten Innenschaufelkanälen. In jedem der Blätter war ein Antriebsmagnet direkt oberhalb der Bodenfläche eingebettet. Die Form des Magneten wurde an die Blattgeometrie angepasst, wodurch das Magnetvolumen maximiert wurde. Der Rotor wurde durch magnetische Kopplung mit einem Satz passender, nicht bedruckter Permanentmagnete betätigt, die sich auf einem Servomotor direkt unter dem Gehäuse drehten.”

Der Druck des ersten Prototypen nahm etwa 15 Stunden in Anspruch, wobei beliebig geformte Magnete eingebettet wurden. Das von den Forschern entwickelte Filament “MagFil” konnte von einer Standardspule aus gedruckt werden, ohne dabei zu brechen. Unter Verwendung einer Ultraschall-Strömungssonde und Drucksensoren am Pumpeneinlass und -auslass wurde ebenso die hydraulische Leistung der Pumpe getestet.

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„Ein Betrieb des Pumpenprototyps bei einer maximalen Drehzahl von 1000 U / min mit einer Durchflussrate von 3 L / min bei einer Druckhöhe von 6 mm Hg wurde erreicht. Bei höheren Drehzahlen bricht die Magnetkupplung ab und die geförderte Durchflussmenge sinkt mit. Der Pumpprototyp könnte daher bei Kopfdrücken, die für klinisch eingesetzte RBPs realistisch sind, keine ausreichende Flussrate liefern,” so kommentieren die Forscher.

Von diesem Rückschlag ließen sich die ETH-Forscher jedoch nicht abhalten und machten eine mindere Druckqualität als Ursache für dieses Versagen ausfindig. Trotz dessen kamen die Forscher zu dem Schluss, dass 3D-Druck vielversprechende Eigenschaften bei der Herstellung magnetischer Objekte bietet. Die Forschungen zu diesem Thema werden künftig noch fortgeführt.

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