Additive Fertigung
3D-Druck für Medizinprodukte aus Kunststoff
Verfahren, Materialen und Anwendungen
Der Begriff 3D-Druck umfasst alle Fertigungsverfahren, bei denen Material Schicht für Schicht aufgetragen und so dreidimensionale Gegenstände (Werkstücke) erzeugt werden. Dabei erfolgt der schichtweise Aufbau computergesteuert aus einem oder mehreren flüssigen oder festen Werkstoffen nach vorgegebenen Maßen und Formen. Beim Aufbau finden physikalische oder chemische Härtungs- oder Schmelzprozesse statt.
Typische Werkstoffe für das 3D-Drucken sind Kunststoffe, Kunstharze, Keramiken und Metalle. Inzwischen wurden auch Carbon- und Graphitmaterialien für den 3D-Druck von Bauteilen aus Kohlenstoff entwickelt.
Flüssigbasierte Verfahren
Grundsätzlich unterscheidet man zwischen drei Materialtypen und Verfahren: Zu den flüssigbasierten Verfahren zählen die traditionelle Stereolithographie (SLA), das Direct Light Processing (DLP) und das Polyjetverfahren. Mithilfe von Licht wird das sogenannte »Resin« ausgehärtet und zum Produkt geformt. Das Verfahren steht für sehr hohe Abbildungskraft und äußerst glatte Oberflächen; der Nacharbeitsaufwand ist gering. Zum Einsatz kommt es in der Hörgerätetechnik oder bei Dentalanwendungen.
Pulverbasierte Verfahren
Zu den pulverbasierten Verfahren zählen Selectives Laser Sintering (SLS), Multi Jet Fusion (MJF) oder auch Binder Jetting. Dabei wird loses Pulver schichtweise mit einem Laser (SLS) oder einer Wärmelampe (MJF) verschmolzen oder auch mit einer Art Klebstoff zum Festkörper verbunden (Binder Jetting). Weil keine Stützstrukturen nötig sind, ist der Aufwand für das Preprocessing gering und die Designfreiheit groß. Um den Anforderungen an Medizinprodukte gerecht zu werden, müssen die verfahrensbedingt porösen Oberflächen oft aufwändig nachbearbeitet werden. Geeignet ist diese Verfahren für mechanische Komponenten in Medizingeräten (zum Beispiel Gehäuse und Halter) oder Prothesen.
Strangschmelzverfahren von Feststoffen
Schließlich gibt es noch das Strangschmelzverfahren von Feststoffen wie Filamenten oder Pellets. Dieses Verfahren hat viele Namen, unter anderem Fused Filament Fabrication (FFF) oder Fused Deposition Modelling (FDM). Das Materialspektrum, das mit FFF verarbeitet werden kann, ist sehr groß. Dazu gehören auch Ultrapolymere wie Polyetheretherketon (PEEK). In Sachen Detailabbildungsfähigkeit und Genauigkeit hat das Verfahren Grenzen. Das heißt: Die mechanischen Eigenschaften sollten Hersteller prozessbedingt kritisch abwägen.
Rapid Tooling
Ein Aspekt des 3D-Drucks, der oft unberücksichtigt bleibt, ist das Indirect Manufacturing oder auch Rapid Tooling. Hier geht es nicht darum, herkömmliche durch additiv gefertigte Komponenten zu ersetzen. Vielmehr werden konventionelle Werkzeuge (beispielsweise für Spritzgießen oder Laminieren) mit additiv geformten ergänzt.
So können beispielsweise Medizinprodukthersteller auf bestehende Zertifizierungen ihrer Komponenten und Materialien zurückgreifen – besonders interessant ist das, wenn es um Kleinststückzahlen oder patientenspezifische Anwendungen geht. Entwicklungszyklen werden dadurch drastisch reduziert. Während der Entwicklung am Stammwerkzeug können Änderungen jederzeit kostengünstig umgesetzt werden; auch patientenspezifische Spritzgusswerkzeugeinsätze sind möglich.
Praxisbeispiel: 3D-gedruckter Applikator für die Strahlentherapie
Ungünstig gelegene Tumore am Gebärmutterhals mit interner Strahlentherapie (Brachytherapie) behandeln: Dank eines additiv gefertigten Applikators der Eckert & Ziegler Bebig GmbH, Berlin, soll die Behandlungsmethode nun effizienter werden. Vor kurzem erhielt das Medizinprodukt die CE-Zulassung. Verantwortlich für die Produktentwicklung, die Vorbereitung auf die Zulassung und das Aufsetzen der Serienfertigung war die Dreigeist GbR, Nürnberg.
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