Die Herausforderungen der Prozessvalidierung für den medizinischen 3D-Druck

Die Validierung von 3D-Druckverfahren ist eine Herausforderung.
Eine Herausforderung für alle Prozesse, aber 3D-Druckprozesse haben zusätzliche Herausforderungen.
Unternehmen haben ihren 3d-Druckprozess bereits validiert, aber ihr Wissen wird oft geheim gehalten.
In diesem Artikel teile ich mit Ihnen unsere bisherigen Erfahrungen.

3D-Druckverfahren müssen die gleichen Prozessvalidierungsschritte durchlaufen wie jedes andere Produktionsverfahren.
Verschiedene 3D-Druckverfahren, wie SLS, SLA, FDM oder Bioprinting, haben jeweils ihre eigenen Herausforderungen.
In diesem Artikel werden die allgemeinen Themen beschrieben, wobei gelegentlich auf spezifische Druckverfahren eingegangen wird.
Die FDA und ISO13485 verlangen, dass alle Prozesse zur Herstellung von medizinischen Geräten oder Komponenten validiert werden.
Dies sollte gemäß den Normen ISO/ASTM52930 und ISO/ASTM52920 erfolgen.

Bevor Sie mit der Validierung beginnen, müssen Sie die Produktspezifikationen festlegen.
Diese Spezifikationen bilden die Grundlage für Ihre Akzeptanzkriterien.
Beispiele sind Abmessungen, Masse, Funktionalität, mechanische Festigkeit usw.
Die akzeptablen Toleranzen müssen bekannt sein.

Zweitens: Erstellen Sie ein Prozessablaufdiagramm, aus dem klar hervorgeht, welche Prozessschritte für die Herstellung Ihres Produkts erforderlich sind.
Entscheiden Sie dann, welche Schritte validiert werden müssen.
Wenn eine Verifizierung möglich ist, ziehen Sie eine Verifizierung anstelle einer Validierung in Betracht.
Lesen Sie mehr darüber in dem Artikel Prozessvalidierung

Software Arbeitsablauf

Der erste Schritt ist also die Validierung des Software-Workflows.
Der Software-Workflow hängt davon ab, ob es sich bei Ihren Geräten um Unikate handelt oder ob Sie den 3D-Druck als Massenproduktion in kleinen Stückzahlen einsetzen.
In diesem Fall können Sie überlegen, ob der Software-Workflow Teil der Validierung ist, wenn Sie immer die gleiche Druckdatei verwenden.
Wenn die Druckdatei Teil des Produktionsprozesses ist, z.B. bei einzigartigen Einzelprodukten, könnte der Arbeitsablauf folgendermaßen aussehen:

Ein medizinischer Scan (z.B. CT oder MRI) führt zu einer DICOM-Datei.
Der spannende Teil des Scans wird mithilfe von Rendering-Techniken ausgewählt.
Mit Hilfe von CAD-Software wird ein Gerät entworfen, das speziell auf den Patienten zugeschnitten ist, wobei die DICOM-Daten als Eingabe dienen.
Diese Datei wird in ein Format exportiert, das von einer Slicing-Software zerlegt werden kann (G-Code-Datei).
Die geschnittenen Daten werden an den 3D-Drucker weitergeleitet.

Die Software-Validierung kann gemäß GAMP 5 oder der ISO 8002-Serie durchgeführt werden.
Dieser Artikel wird nicht im Detail auf die Software-Validierung eingehen.

Druck- und Nachbearbeitungsworkflow

Der 3D-Druck-Workflow beginnt mit der Übertragung der G-Code-Datei an den 3D-Drucker.
Das Material wird dem Drucker zugeführt (z.B. die Behandlung, das Pulver oder das Harz) und der Drucker kann mit dem Druck beginnen.
Dabei wird davon ausgegangen, dass alle Einstellungen Teil des G-Codes sind.
Gegebenenfalls können die gedruckten Komponenten entnommen werden, und es können Aktivitäten nach dem Druckvorgang durchgeführt werden.
Beispiele sind das Entfernen des Pulvers, Waschen und Aushärten, Sintern oder Glätten der Oberflächen.

Der Bediener oder die Qualitätskontrolle prüft die Druckqualität wie in den Produktspezifikationen beschrieben.
Die gängigsten Qualitätskontrollen sind Maß- und Sichtkontrollen.

Drucker für den nächsten Auftrag vorbereiten

Bevor der nächste Auftrag gestartet werden kann, muss der Drucker vorbereitet werden.
Das kann die Reinigung, der Austausch oder die Wiederverwendung von Harz, das Sieben, Testen und Hinzufügen von neuem Pulver oder der Wechsel des Filaments sein.
All diese Aktivitäten erfordern eine Validierung, wenn eine 100%ige Überprüfung nicht möglich ist.

Validierung des 3d-Drucks und des Arbeitsablaufs nach dem Druck

Der genaue Testplan für die Validierung ist für jeden Arbeitsablauf anders, aber einige Thesen sind zu berücksichtigen:

1. Vorraussetzungen
   1. Zeichnen Sie das Flussdiagramm
   2. Führen Sie eine Risikoanalyse des Prozesses durch (berücksichtigen Sie z.B. das Kontaminationsrisiko, die Prozessparameter, manuelle Aufgaben, die Haltbarkeit, die Stabilität und die Sicherheit der Bediener).
      Weitere Informationen zur Risikoanalyse finden Sie in diesem Artikel.
   3. Definieren Sie die Produktspezifikationen
2. Definieren Sie kritische Parameter.
   Für diesen Prozess ist möglicherweise eine Entwicklung erforderlich, insbesondere für neue Prozesse.
   • In der Regel sind nicht alle Parameter entscheidend.
     Wählen Sie die wesentlichen Parameter für die Durchführung des Versuchsplans aus.
   • Berücksichtigen Sie Parameter wie Temperatur, Intensität und Zeit des Lasers, Partikelgröße, Harzart usw.
   • Berücksichtigen Sie die Auswirkungen der Aktivitäten nach dem Druck auf die Produktqualität.
     Z.B. Lösungsmittelrückstände, Verunreinigungen, Auswirkungen des Sandstrahlens auf die Abmessungen, Verformung durch Aushärtung.
3. Legen Sie fest, was zu 100 % verifiziert werden soll und was validiert werden muss.
   Bei der Produktion von Kleinserien kann eine 100%ige Überprüfung wirtschaftlicher sein.
4. Wenn mehr als ein Teil pro Durchlauf gedruckt wird, sollten Sie feststellen, ob und welche Auswirkungen die Position auf der Bauplatte und der Abstand zwischen den Teilen hat.
5. Legen Sie fest, ob die Bauplatte bei jedem Durchlauf die gleiche Anzahl und Art von Teilen enthält oder ob dies variiert.
   Wenn dies variabel ist, müssen diese validiert werden (z.B. 1-10 Teile pro Display, nur Teil A oder Mischung der Teile A, B, C und D).

Validierung der Reinigung und Vorbereitung des Druckers

Wenn der Druck von der Bauplatte entfernt wird, müssen Sie möglicherweise die folgenden Aktivitäten in Betracht ziehen.

1. Vorraussetzungen
   1. Führen Sie eine Risikoanalyse für alle Reinigungs- und Druckvorbereitungstätigkeiten durch.
   2. Stellen Sie sicher, dass alle diese Aktivitäten im Flussdiagramm definiert sind.
   3. Definieren Sie Spezifikationen für die Reinigungs-/Vorbereitungsaktivitäten
2. Reinigung der Bauplatte (Einfluss der Reinigungstechnik auf die Rauheit, Verunreinigung der Teile durch Bauplattenpartikel, Lösungsmittelrückstände usw., Wiederverwendung von Pulver).
   Die meisten Pulver sind teuer, daher wird das Pulver oft gesiebt und wiederverwendet.
   Dieser Prozess muss validiert, überwacht und kontrolliert werden.
   Wie viel neues Material wird hinzugefügt und welchen Einfluss haben 90 % gegenüber 40 % neuem Material auf die Prozessparameter und Produkteigenschaften?
   Der SLA-Druck von Harzen kann zu Mikropartikeln im Harz führen.
   Beeinflusst dies die Eigenschaften der Produkte?
3. Die Reinigung der Maschine beim Wechsel von einem Rohstoff zum anderen muss validiert werden.
   Wenn Sie also spezielle Geräte oder Werkzeuge verwenden können, kann die Reinigungsvalidierung vermieden oder reduziert werden.
   Zum Beispiel die Verwendung einer Bauplattform und eines Harztanks für einen Harztyp.

Verpackung, Sterilisation und Validierung von Testmethoden

Wie bei allen Medizinprodukten müssen auch die Verpackung und ggf. der Sterilisationsprozess validiert werden.
Da die Chargengrößen viel kleiner sind (von 1 bis zu ein paar Dutzend Abzügen pro Charge), sollte die Validierung der Verpackung und des Sterilisationsprozesses wahrscheinlich angepasst werden.
Die Standardvalidierungsmethode ist oft die Validierung von drei (PQ) Chargen.
Bei winzigen Mengen liefern drei Chargen jedoch möglicherweise nicht genügend Daten, um das erforderliche Konfidenzniveau zu erreichen, und es können mehrere PQ-Läufe erforderlich sein.

Wie bei allen Prozessen müssen auch die Qualitätskontrolltests validiert werden.
Die Attributstests (Pass/Fail) und die variablen Qualitätskontrolltests müssen validiert werden.

Dokumentation

Die folgende Dokumentation sollte während der Validierung des 3D-Druckprozesses erstellt werden, falls zutreffend.
Die Kombination von Themen in einem Plan, Protokoll oder einer Anweisung ist möglich.
Diese

1. Validierungsplan
2. IQ, OQ, PQ-Protokoll und zusammenfassender Bericht
   • Wenn mehrere Produkte validiert werden müssen (unter Verwendung desselben 3D-Druckers), kann es sinnvoll sein, Testfälle zu verwenden.
     Diese Testpläne enthalten Zeile für Zeile alle Aktivitäten, die geprüft oder durchgeführt werden müssen.
     Verschiedene Spalten mit Testnummer, Referenz-(Nachweis-)Test, erwartetem Ergebnis, tatsächlichem Ergebnis, Bestanden/Fehlgeschlagen, Abweichung und Ausführungsdatum mit Unterschrift können Teil des Testfalls sein.
     Bediener oder Nachwuchsingenieure können diese Testfälle leicht wiederverwenden und ausführen.
3. Zusammenfassender Bericht zur Validierung
4. Arbeitsanweisung für das Anfahren, den Betrieb und das Herunterfahren des 3D-Druckverfahrens
5. Geräteanweisung mit Informationen zur Wartung und Kalibrierung des 3d-Druckers
6. Qualitätskontrolle (prozessbegleitende Kontrolle oder IPC, visuelle oder dimensionale Inspektionen usw.)
7. Kontrolle der Druckdateien
8. Ein Verfahren für den Umgang mit mangelhaften Drucken, die nicht den Spezifikationen entsprechen, und den Umgang mit diesen Drucken
9. Einstellungsblatt mit den zulässigen Druckeinstellungen (wenn dies sinnvoll erscheint).
10. Arbeitsanweisungen für Aktivitäten nach dem Druck, Reinigung und Vorbereitung des Druckers für den nächsten Lauf.
11. Verpackung und Verpackungsmaterial
12. Sterilisation
13. Lagerung und Transport
14. Materialspezifikationen (Filament oder Harz, Verpackungsmaterial)
15. Produktspezifikation (mit Angaben zum Gerät, zur Qualitätskontrolle, zur Verpackung, zur Kennzeichnung der Lagerung usw.)