Additive manufacturing
Von der Idee zur Realität: Additive Manufacturing im medizinischen Wandel
Die Welt der Medizin hat in den letzten Jahren eine bahnbrechende Revolution erlebt, die die Art und Weise, wie wir medizinische Versorgung wahrnehmen, grundlegend verändert hat. Die Rede ist von Additive Manufacturing, einer Technologie, die es ermöglicht, maßgeschneiderte medizinische Lösungen zu schaffen, die einst undenkbar schienen.
Von 3D-gedruckten Implantaten bis hin zu personalisierten Prothesen hat Additive Manufacturing die medizinische Industrie auf den Kopf gestellt und bietet unglaubliche Chancen für Patienten und Mediziner gleichermaßen. In diesem Blog-Artikel werden wir uns genauer mit diesem faszinierenden Thema befassen und zehn spannende Headline-Ideen präsentieren, die Ihre Neugier wecken werden.
Stand Juni 2023
Additive Manufacturing und die Technologie des 3D-Drucks
Unter additive manufacturing ist das Herstellungsverfahren zu verstehen, bei welchem dreidimensionale Objekte Schicht für Schicht gedruckt werden. Im Gegensatz zu subtraktiven Fertigungsmethoden bestimmt das additive manufacturing das Design. Als Werkstoffe dienen zur Fertigung Kunststoffe, Metalle oder verarbeitete Kohlenstoffe, die dabei flüssig oder pulverförmig vorkommen und im Druckprozess zusammenschmelzen und härten.
Wie funktioniert additive manufacturing?
Mithilfe von Computer-Aided Design (CAD) kann ein 3D-Modell des gewünschten Objekts mit belieber Geometrie erstellt werden. Anhand der CAD Daten wird das Modell in verschiedene Ebenen zerlegt, die der Drucker nacheinander anfertigt. Je nach Fertigungsverfahren werden die Werkstoffe in der Regel in Pulverform aufgetragen und das Modell Schicht für Schicht erbaut. Es gibt aber auch Verfahren, in denen die flüssigen chemischen Werkstoffe durch Laser verhärtet werden.
Anwendungsgebiete des 3D Druck
Die drei wichtigsten Fertigungsverfahren sind die folgenden:
Rapid prototyping
Rapid prototyping beschreibt die Gruppe der Techniken im Bereich additive manifacturing, die die schnelle und möglichst kostengünstige Herstellung von Prototypen und Modellen ermöglichen. Der Vorteil in dieser Form von Prototyping liegt darin die Bauteile schnell überprüfen zu können, Anpassungen vorzunehmen und Fehler zu identifizieren.
Rapid Tooling
In diesem Verfahren als Teil der Produktentwicklung geht es um die schnelle Herstellung von Werkzeugen oder Werkzeugbestandteilen, wie zum Beispiel Spritzgusswerkzeuge. Im traditionellen Fertigungsverfahren werden sie angewendet, um fertige Teile zu erstellen. Rapid Tooling bietet eine schnellere, kostengünstigere und flexiblere Lösung für die Serienfertigung von Werkzeugen. Es ermöglicht eine schnellere Produktentwicklung und effizientere Massenproduktion vin Werkzeugteilen.
Rapid manufacturing
Im Gegensatz zu den obigen erwähnten Rapid-Verfahren handelt es sich bei Rapid Manufacturing um die Erstellung von Endprodukten statt Prototypen oder Werkzeugen. Es bietet neben dem Vorteil der Kosteneinsparung die Möglichkeit sich individuell den Anforderung anzupassen in der Fertigung. Da keine weiteren Werkzeuge oder Formen erforderlich sind, lassen sich die Endprodukte in kurzer Zeit leicht verändern. Rapid Manufacturing findet durch die Fertigungen von Endprodukten Anwendung in der Luft-und Raumfahrt und der Automobilindustrie Einsatz.
Die verschiedenen 3D Druckverfahren im additive manufacturing
Im additive manufacturing gibt es verschiedene Druckverfahren, die angewendet werden können. Die Verfahren unterscheiden sich unter anderem in der Art der Materialverarbeitung somit auch dem verwendeten Material sowie die Anwendungsbereiche.
Binder jetting
Beim Binder jetting wird ein Pulverbett schichtweise aufgetragen und mit einem flüssigen Binder, welcher selektiv aufgetragen wird miteinander verbunden. Der Binder härtet das Pulver und verbindet die Schichten miteinander.
Selektives Lasersintern
Auch beim Laser sintern zur Fertigung von Bauteilen wird ein Pulverbett schichtweise aufgetragen. Anstelle des Binders wird hier mit einem Laserstrahl gearbeitet. Das Laserschmelzen bindet die Pulverschichten zusammen.
Elektronenstrahlschmelzen
Während das Laserschmelzen bim selektiven Laser sintern bei mehreren Werkstoffen angewendet wird, schmilzt das Elektronenstrahlschmelzen (electron beam melting) Metallpulver zur Herstellung von metallischen Bauteilen.
Stereolithographie
Stereolithographie zählt zu den ältesten Verfahren der additiven Fertigung bei dem flüssiger Kunststoff durch einen UV-Laser gehärtet wird. Das Modell wird dabei auf einer Plattform hergestellt, die nach jeder Schicht in eine Flüssigkeit abgesunken wird. Es ermöglicht eine detaillierte Herstellung von Modellen und ist eher nur für das Rapid Prototyping geeignet.
Fused Layer Modeling
Das Fused Layer Modeling gehört in die Kategorie der Materialextrusion. Bei diesem Fertigungsverfahren wird das Material durch eine beheizte Drüse geführt, welches dann geschmolzen wird. Das geschmolzene Material wird anschließend auf eine Unterlage aufgetragen, wo sie schnell verhärtet. Die Bauplatte wird anschließend weiter abgesenkt, damit eine neue Schicht aufgetragen werden kann.
Laminated Object Manufacturing
Bei der Herstellung von Prototypen findet das LOM oftmals einen Einsatz. Dabei wird aus Materialschichten das 3D Modell hergestellt, indem die Schichten aufeinander gestapelt bzw. laminiert werden. Mithilfe eines Lasers wird uberflüssiges Material abgeschnitten, um die Form des Objektes zu gewähren.
Directed Energy Deposition
Bei der gerichteten Energieabscheidung, oder auch directed energy deposition genannt, schmilzt eine gerichtete Enerqiequelle (z.B Laser oder Plasmastrahl) das Material, welches auf die vorherige Schicht aufgetragen wird. Besonders häufig wird es für Reparaturen oder das Hinuzfügen von Material zu bestehenden Bauteilen verwendet.
Andere Verfahrenstechniken sind die Laser metal deposition (Laserauftragsschweißen), Multi-Jet Modelling oder Digital Light Modeling. Abhängig von dem Anwendungsgebiet bringen die Druckverfahren verschiedene Vorteile und Nachteile mit sich.
Welche Materialien werden in der Additiven Fertigung verwendet?
Auch bei der Auswahl des Materials kommt es auf den Anwendungsbereich und Materialanforderungen an.
Die verwendeten Kunststoffe im 3D Druck lassen sich in drei Guppen einteilen. Die Thermoplaste bzw Standardkunststoffe sind sehr hitzebeständig und reißfest. Technische Kunststoffe sind Robust und haben eine hohe Festigkeit. Die Hochleisungskunststoffe zeichnen sich durch ein geringes Gewicht wie auch ihrer Robustheit aus. Sie sind widerstandfähiger gegen Brüche und Verformungen. Dabei können sie als Filament oder als Pulver in der Herstellung vorkommen.
Die am häufigsten verwendeten Metalle in der additiven Fertigungen sind:
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Edelstahl
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Aluminium
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Titan
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Nickellegierungen
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Kobalt-Chrom-Legierungen
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und Edelmetalle
Meist werden sie in Pulverform in Laserschmelzverfahren verarbeitet.
Andere Materialien, die im 3D verwendet werden sind Sand und Keramik, Beton oder Kunstharze. Im Gegensatz zu Metall und Kunststoff, kommt ihre Verwendung aber seltener vor.
Die Vorteile von additive manufacturing
Neben der Fertigung ohne zusätzliche Werkzeuge bietet die additive Fertigung noch viele weitere Vorteile. Es ermöglicht komplexe Bauteile herzustellen, die mit herkömmlichen Fertigungsweisen nur schwer umsetzbar wären. Die Fertigung von Bauteilen wird durch den 3D Druck kostengünstiger durch Einsparen von Material und Bearbeitungszeiten. Dadurch können in kürzester Zeit eine Vielzahl von Bauteilen hergestellt werden. Die additive Fertigung ermöglicht zudem eine hohe Flexibilität und Genauigkeit in der Anpassung, um die Anforderung von Kunden schnell gerecht zu werden. Die schnelle Prototypenerstellung bietet zusätzlich die Möglichkeit die Produkte schnell auf den Markt einzuführen.
Die Zukunft der additiven Fertigung
Additive manufacturing in der Medizin?
Das additive Manufacturing kann in der Dentaltechnik durch die Fertigung von Implantaten oder Prothesen große Vorteile bieten. Mit dem technischen Know How bietet sich für die Zukunft eine Brandbreite von Innovationen in der Verwendung von der additiven Fertigung an. Ob die Fertigung von Medikamenten, die synthetische Produktion von Organen für Operationssimulationen oder als die Herstellung von Zahnprothesen, schon bald wird es erste Produkte durch 3D Druckverfahren in der Medizintechnik zu finden sein.
Zusammenfassung und Schlussbetrachtung
Additive Manufacturing ermöglicht die Herstellung maßgeschneiderter medizinischer Lösungen, die zuvor undenkbar waren. Von 3D-gedruckten Implantaten bis zu personalisierten Prothesen hat diese Technologie die medizinische Industrie grundlegend verändert. Verschiedene 3D-Druckverfahren wie Rapid Prototyping, Rapid Tooling und Rapid Manufacturing, sowie die Verwendung von Materialien wie Kunststoffen, Metallen und anderen in der additiven Fertigung, machen es spannend wo die Reise hingeht. Die Vorteile dieser Technologie, wie die Fertigung komplexer Bauteile, Kosteneinsparungen und Flexibilität, sind offensichtlich. Diese potenziellen Anwendung von Additive Manufacturing in der Medizin, von der Herstellung von Implantaten bis hin zur synthetischen Produktion von Organen, verspricht eine aufregende Zukunft in der Medizinbranche.
