Upgrade der Fähigkeiten eines 3D-Bioprinters für ein globales Biotech-Unternehmen

Embedded Entwicklung

Über den Kunden

Company Name

CELLINK

Standort

Schweden

Unternehmensgröße

200-500 Mitarbeitende

Industrie

Gesundheitswesen

CELLINK (Teil der BICO-Gruppe) ist ein weltweit führender Innovator in der Entwicklung von Bioprintern und Biomaterialien. Seit der Entwicklung der weltweit ersten universellen Bioink kombiniert CELLINK Biologie, Ingenieurwesen und Informatik, um sich als anerkannter Anbieter von Geräten für biowissenschaftliche Forschungslabore in über 65 Ländern zu etablieren.

Die Herausforderung

CELLINK arbeitete aktiv an der Verbesserung seiner bestehenden 3D-Bioprinter-Modelle sowie an der Entwicklung neuer Funktionen für ein neues Modell. Um die Lieferung zu beschleunigen, suchte das Unternehmen zusätzliche Expertise in den verschiedenen Embedded-Technologien, auf denen diese Geräte basieren.

Entwicklung durch umfassende Embedded-Expertise beschleunigen

Die 3D-Bioprinter von CELLINK sind hochkomplexe Embedded-Systeme, die verschiedene miteinander vernetzte Komponenten umfassen: ein MCU zur Steuerung der Druckköpfe, Qt-Anwendungen für die Benutzerinteraktion sowie ein Linux-Betriebssystem zur Verbindung der unterschiedlichen Prozesse. Die Arbeit daran erforderte Ingenieur:innen mit fundierten Kenntnissen in mehreren Embedded-Technologien.

Bedarf an schneller Markteinführung

Das Ziel des Kunden war es, die bestehenden Drucker zu verbessern und das neue Modell so schnell wie möglich marktreif zu machen. Dies umfasste zwei zentrale Aufgaben: die Verbesserung der Gesamtleistung des Systems sowie die Erweiterung der Funktionen der Bioprinter.

Unser Beitrag

Verbesserte Geräteleistung

CELLINK konnte einen reibungsloseren Betrieb der Bioprinter feststellen, sobald Fehler im bestehenden Funktionsumfang und in der Kommunikation zwischen den Komponenten identifiziert und behoben wurden. Code-Refactoring trug dazu bei, Systemverzögerungen zu beseitigen, die RAM-Nutzung zu optimieren und die Wartung der Codebasis zu vereinfachen. Diese Anpassungen reduzierten die Anzahl von Fehlern während des Druckprozesses und erhöhten die Prozessgenauigkeit.

Erweiterte Druckerfunktionen und Kundenportal

Neue Funktionen für die Drucker, Qt-Anwendungen und ein Kundenportal verbesserten die Gesamtfunktionalität und Benutzerfreundlichkeit des Systems. Dazu gehörten eine vereinfachte 3D-Modellierung für die Tablet-Anwendung, erweiterte Steuerungsmöglichkeiten für die Druckköpfe sowie eine Portal-Funktion, die eine sichere Verbindung mit dem Gerät eines anderen Kunden ermöglicht.

Die Lösung

Zunächst stellte uns CELLINK umgehend seinen BIO X 3D-Drucker zur Verfügung, sodass unsere Ingenieur:innen die Änderungen direkt integrieren sowie Fehlerbehebungen und die Verifizierung neuer Funktionen auf realer Hardware durchführen konnten. Sobald das Gerät in unserem Embedded-Labor eingetroffen war, begannen die Ingenieur:innen mit der Arbeit an mehreren Systemkomponenten:

Mikrocontroller

Das „Gehirn“ der Bioprinter von CELLINK ist ein MCU, auf dem Marlin läuft - eine Firmware, die in der überwiegenden Mehrheit der 3D-Drucker zur Steuerung der Bewegungen und Funktionen der Druckköpfe eingesetzt wird. Diese Technologie ermöglicht es dem Kunden, die Controller-Funktionalität an die spezifischen Anforderungen von Bioprintern anzupassen, etwa für gekühlte oder besonders schonende Niederdruck-Extrusion, die zum Erhalt lebender Zellen beiträgt, oder für den Einsatz mehrerer Materialien innerhalb eines Druckvorgangs.

Unsere Ingenieur:innen nutzten ihre Marlin-Expertise, um neue Funktionen für Bioprinter zu entwickeln, darunter koaxiales Drucken und Mischdruckverfahren, und stellten sicher, dass diese Funktionen zuverlässig und korrekt funktionieren.

Qt-Anwendungen

Die grafische Benutzeroberfläche (GUI) der Drucker (in den BIO X-Modellen) sowie die angeschlossenen Tablets basieren auf Qt-Anwendungen, mit denen Nutzer:innen den Druckprozess direkt einrichten können. Zu den neuen Funktionen dieser Anwendungen gehörte unter anderem ein Feature, das es ermöglicht, 3D-Modelle direkt auf dem Tablet von Grund auf zu erstellen.

Qt ist eine plattformübergreifende Technologie auf Basis von C++ und wird sowohl für nutzerseitige Anwendungen - auf der Geräte-GUI als auch auf dem Tablet - eingesetzt. Da die von uns betreuten Bioprinter-Modelle unterschiedliche Konfigurationen aufwiesen, nutzten wir Qt Widgets für die Entwicklung der Windows-Anwendung auf dem Tablet und die QML-Technologie für die integrierten Qt-Anwendungen auf dem Gerät.

Middleware

Die Qt-Anwendung kommuniziert über eine Middleware mit dem Controller des Druckers, die auf einem Embedded-Linux-Betriebssystem basiert. Als zentrales Verbindungselement hostet sie mehrere Anwendungen und Dienste, die für das gesamte System essenziell sind. Fundierte Linux-Kenntnisse waren für alle Aufgaben rund um Fehlerbehebung und die Umsetzung neuer Funktionen entscheidend. Um eine effiziente Datenübertragung zwischen den Systemkomponenten sicherzustellen, setzten wir auf ein vordefiniertes Kommunikationsprotokoll.

Kundenportal

Um ihren Kunden kontinuierlichen Support zu bieten, entwickelte CELLINK ein Kundenportal auf Basis von Flutter Web. Unser:e Ingenieur:in unterstützte bei der Anbindung des Frontends der Z-Stack-Dateiseite an das Backend eines weiteren Produkts, CELLCYTE X, einer automatisierten Imaging-Plattform. Dadurch können Nutzer:innen die von CELLCYTE X aufgenommenen Bilder sicher überwachen.

Dienstleistungen

Embedded Engineering

Embedded Linux

GUI-Entwicklung

Technologien

C++

Embedded Linux

Marlin

MQTT

Flutter

Wie funktioniert es

3D-Modellierung und Druckeinstellungen

Über die Qt-App auf dem Tablet erstellt der/die Nutzer:in ein 3D-Modell oder lädt ein bereits fertiges Modell eines Objekts hoch und konfiguriert die Druckeinstellungen. Die Druckkonfigurationen können - sofern vom jeweiligen Modell unterstützt - auch über die integrierte GUI des Geräts festgelegt werden.

Datenübertragung

Die Druckeinstellungen werden zusammen mit dem vorbereiteten Modell an die Middleware des Bioprinters übertragen.

Datenverarbeitung

Die Middleware verarbeitet die empfangenen Einstellungen und Druckdaten aus der Qt-App und übermittelt die entsprechenden Befehle an den Mikrocontroller.

Druckkopfsteuerung

Der MCU empfängt die Befehle und steuert die Druckköpfe so, dass sie sich in die erforderlichen Richtungen bewegen, mit dem richtigen Druck und der passenden Temperatur extrudieren und das Biomaterial präzise schichtweise auftragen.