Am Institut für Fertigungstechnik an der TU Graz wurde ein neues Verfahren für die Herstellung medizinischer Implantate entwickelt. Der LED-3D-Metalldruck ermöglicht Metalldruck mittels LED statt Laser und eignet sich vor allem für die Implantatmedizin.

Die Implantatmedizin wartet bereits auf den technologischen Durchbruch in der additiven Fertigung. Vorhandene Lösungen für medizinische Implantate sind strapaziös für die Patienten und die Ergebnisse bleiben oft hinter den Erwartungen zurück. LED-3D-Metalldruck hat das Potenzial die Fertigung von medizinischen Implantaten – wie etwa Rippen oder Schädelknochen – zu optimieren.

3D-Metalldruck im Operationssaal

In gängigen Methoden muss das beschädigte Teil in einer ersten Operation vermessen werden, um das Implantat fertigen zu können. Dann bedarf es einer weiteren Operation, um das Implantat einzusetzen. Das Ideal ist die unmittelbare Fertigung in der Klinik – parallel zur Operation. Dadurch könnte das Risiko einer zweiten Operation vermieden werden.

Die unmittelbare Fertigung des medizinischen Implantats in der Klinik hat den Vorteil, dass die Wege kurz sind und die Eigenschaften des individuell angepassten Teils sehr gut sind, erklärt Franz Haas, Leiter des Instituts für Fertigungstechnik. Der 3D-Metalldruck im Operationssaal sei allerdings bisweilen noch mit hohen Sicherheitsanforderungen verbunden.

Risikofaktoren in klinischer Umgebung

Derzeit funktioniert der 3D-Metalldruck vorrangig über das SLM-Verfahren. Dabei wird das Metallpulver mit Laser aufgeschmolzen.

„Aktuelle Maschinen besitzen eine hohe Laserleistung und benötigen vergleichsweise viel Pulver. Beides birgt Risiken in der klinischen Umgebung.“ Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Franz Haas, Vorstand, Institut für Fertigungstechnik

Haas und sein Team haben ein weniger risikoreiches LED-3D-Metalldruck-Verfahren entwickelt. Dabei wird das Metallpulver mittels Hochleistungs-LED-Strahl aufgeschmolzen.

So funktioniert der 3D-Metalldruck

Der gängige, laserbasierte 3D-Metalldruck gliedert sich in drei Phasen:

Die erste Phase umfasst die Konstruktion und das Pre-Processing. Im Pre-Processing wird das Bauteil aus dem CAD-Programm heraus in einzelne kleine, Schichten zerlegt. Diese Schichtinformationen kommen dann direkt in den Drucker.

Der 3D-Drucker arbeitet mit metallischem Pulver und einem Laser. Der Laser wird durch ein Spiegelsystem so abgelenkt, dass er die einzelnen vordefinierten Schichten punktweise aufschmilzt und so das Bauteil erzeugt. Die Erzeugungsrichtung des Bauteils ist von unten nach oben.

Wenn der Druck abgeschlossen ist, ist die Plattform ganz unten und die gesamte Baukammer voll mit Pulver. Der Laser hat nur jene Bereiche geschmolzen, die wirklich dem Bauteil zugehörig sind. Das Pulver muss abgesaugt werden.

Im letzten Arbeitsschritt, dem Post-Processing werden – gegebenenfalls – die Stützkonstruktionen vom Bauteil entfernt. Nach der anschließenden Qualitätsprüfung und Oberflächenbehandlung ist das Bauteil dann einsatzfertig.

In diesem Video erklärt Franz Haas das gängige Verfahren im 3D-Metalldruck.

Vorteile des LED-3D-Metalldruck-Verfahrens

Demgegenüber hat das LED-3D-Metalldruck-Verfahren eine Reihe von Vorteilen, die der Forscher folgend erklärt:

  • LED-Quellen sind billiger und auch flächig einsetzbar, wodurch die 3D-Druckzeit extrem verkürzt werden kann.
  • Das Bauprinzip erleichtert die Pulver-Handhabung und ermöglicht eine viel geringere Pulvermenge.
  • Stützkonstruktionen können auf ein Mindestmaß reduziert werden.
  • 3 verschiedene Belichtungs-Strategien können kombiniert und den Genauigkeitsanforderungen an das Bauteil angepasst werden.
  • Es wird weniger Schutzgas benötigt.
  • Die notwendige Nachbearbeitung wird parallel zum Druckprozess eingetaktet und damit die Gesamt-Durchlaufzeit nochmals gekürzt.

Fertigung einer eigenen Metall-3D-Druckanlage

Das LED-3D-Metalldruck-Verfahren läuft unter der Bezeichnung SLEDM. Ein Patent wurde bereits angemeldet. Das große Ziel von Haas ist die kleinserielle Fertigung einer eigenen Metall-3D-Druckanlage an der TU Graz. Die Metalldruckanlage soll die Serienfertigung von metallischen Bauteilen in den Arbeitsfeldern Mobilität und Implantatmedizin ermöglichen.

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