Grundlagenwissen 3D-Druck in der Medizin: Definitionen, Anwendungen, Materialien und Maschinen

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MISSION ADDITIVE

Als eine der ersten Anwender-Branchen ist die Medizintechnik noch immer Treiber des 3D-Drucks. In diesem Artikel erfahren Sie alles Wissenswerte von A wie additive Fertigung bis Z wie Zahnersatz.

Definition 3D-Druck: 3D-Druck ist ein innovatives Verfahren zur generativen Herstellung beliebig geformter Produkte. 3D-Druck zählt zu den additiven Fertigungsmethoden, bei denen für die Formgebung keine Werkzeuge verwendet werden. Zu den ersten Anwendern dieser Technologie zählt die Medizintechnik.

Additive Fertigung versus generative Fertigung

Additive Fertigung bedeutet „aufbauende Herstellungsweise“. Über viele Jahre wurde sie auch als generative Fertigung bezeichnet.

Unabhängig von der Bezeichnung, grenzt sie sich deutlich von der subtraktiven Fertigung ab, die seit Beginn der Industrialisierung bis heute in wesentlichen Teilen der Fertigung Standard ist. Zu den subtraktiven Fertigungsmethoden gehören alle trennenden Verfahren wie:

• Sägen

• Schleifen

• Bohren

• Drehen

• Fräsen

Nachteil dieser Fertigungsverfahren ist, dass bei der Produktion viel Materialabfall anfällt. Das sind zum einen die Späne aus den Bohr-, Dreh-, und Fräsprozessen. Jedoch ist auch das Ausstanzen von Blechteilen mit Verschnitt behaftet, da die Vormaterialien in der Regel nicht weiter verwendet werden können.

Dieser Nachteil entfällt bei den additiven Fertigungsverfahren wie dem 3D-Druck nahezu gänzlich. Bis auf, gegebenenfalls erforderliche, Stützstrukturen erfordern sie stets nur so viel Material, wie für die Herstellung des eigentlichen Produkts benötigt wird. Das macht die additiven Herstellungsverfahren sehr effizient in Sachen Material- und Energieverbrauch.

Video: Additive Fertigung – warum der 3D-Druck die Märkte erobert

3D-Druck und Rapid Technologien

Der 3D-Druck hat gegenüber den traditionellen Fertigungsmethoden drei wesentliche Vorteile:

• 1. Herstellbarkeit beliebig geformter Geometrien

• 2. Materialeffizienz

• 3. Schnelligkeit

Die besondere Stärke des 3D-Drucks liegt in der Kombination dieser Vorteile. Zum Vergleich: Gussverfahren sind ebenso materialeffizient wie der 3D-Druck. Moderne Dreh-Fräs-Maschinen sind häufig sogar schneller als 3D-Drucker. Lediglich im ersten Punkt müssen sich traditionelle Fertigungsmethoden geschlagen geben: Mit dem schichtweisen Aufbau einer beliebigen Kontur kann auch das beste CNC-Bearbeitungszentrum nicht mithalten.

Bevor der Begriff 3D-Druck geprägt wurde, war lange Zeit von Rapid-Technologien die Rede, also von der besonders schnellen Fertigungsweise. Hier wird unterschieden zwischen:

• Rapid Prototyping, also der Bereitstellung haptischer Muster. Hier ist 3D-Druck heute klar die Nummer 1 bei allen Fertigungsmethoden.

• Rapid Manufacturing beschreibt die additive Herstellung von gebrauchstauglichen Produkten (keine Prototypen).

• Rapid Tooling ist die additive Herstellung von Werkzeugen fürs Spritzgießen von Kunststoffen.

Für alle Rapid-Technologien gibt es heute auch geeignete Verfahren des 3D-Drucks.

3D-Druck in privater und industrieller Nutzung

Intel-Gründer Gordon Moore hat mit dem nach ihm benannten Moore’schen Gesetz festgestellt, dass sich die Leistungsfähigkeit von Computern alle zwölf Monate verdoppelt. Das war im Jahr 1965 – also vor über 50 Jahren. Dies erklärt die schwindelerregende Entwicklung der Informationstechnologien, die seither weltweit von einer technologischen Revolution zur nächsten geführt hat. Der 3D-Druck ist eines der jüngsten Kinder dieser Entwicklung: Mit immer billigeren und gleichzeitig leistungsfähigeren Modellen hat diese innovative Fertigungsmethode bereits den privaten Sektor erobert. Bei Preisen ab 100 Euro für einen neuen 3D-Drucker ist die weitere Durchdringung der Privathaushalte mit diesem praktischen Gerät quasi vorgezeichnet. Allerdings haben die preiswerten, privat genutzten Drucker einige Nachteile:

• Einschränkungen bei den druckbaren Materialien

• geringe Konturschärfe und Oberflächenqualität

• nur kleine Baugrößen druckbar

Privat genutzte 3D-Drucker beschränken sich daher meist auf die Herstellung von einfachen Figuren, Spielzeugen oder Gegenständen mit niedrigem technologischem Anspruch. Allerdings ist die „Maker-Bewegung“ unermüdlich dabei, die Fähigkeiten der Drucker und der Anwender immer weiter zu verbessern. Dennoch sind die im privaten Sektor verwendeten Geräte noch weit von dem entfernt, was industrielle 3D-Drucker heute schon leisten können. Das gilt umso mehr, wenn es um die Herstellung medizintechnischer Produkte von reproduzierbar hoher Qualität geht.

Grundlagenwissen

Additive Fertigung von Medizinprodukten: Chancen und Handlungsfelder

In der Industrie verwendete 3D-Drucker sind dagegen heute schon in vielerlei Hinsicht enorm leistungsfähig. Sie kosten im Zweifel zwar noch sechsstellige Euro-Summen, räumen dafür aber auch mit allen Nachteilen billiger 3D-Drucker für den Privatgebrauch auf:

• nahezu beliebige Materialauswahl (Metalle, Kunststoffe, Glas, Keramik, Beton)

• endkonturnahe Oberflächenqualität

• teilweise riesige Baugrößen (z. B. Hausbau per 3D-Betondruck)

Die Geschichte des 3D-Drucks

Die Geschichte des 3D-Drucks beginnt Anfang der 1980er-Jahre. Dr. Hideo Kodama vom Nagoya Municipal Industrial Research Institute in Japan reichte 1980 ein Patent zur Aushärtung von flüssigem Photopolymermaterial mittels UV-Licht ein. Aufgrund von Finanzierungsproblemen komplettierte Kodama die Patentanmeldung allerdings nie. 1984 reichten die Franzosen Alain le Méhauté, Olivier de Witte und Jean-Claude André ein Stereolithographie-Patent beim französischen Patentamt ein. Ihr Arbeitgeber sah allerdings keine ausreichenden geschäftlichen Erfolgschancen.

Ebenfalls 1984, etwa drei Wochen nach der französischen Einreichung, reichte Charles „Chuck“ Hull sein Stereolithographie-Patent beim US-Patentamt ein. 1986 wurde Hulls Patent bewilligt. Noch im selben Jahr gründete Hull die Firma 3D-Systems. Zwei Jahre später brachte 3D-Systems mit dem SLA 1 den ersten professionellen 3D-Drucker auf den Markt.

Der Amerikaner Carl Deckard reichte 1988 ein Patent für das von ihm entwickelte SLS-Verfahren (Selektives-Laser-Sintering) ein. Ein Jahr später, 1989, patentierte Steven Scott Crump das FDM-Verfahren (Fused Deposition Modeling). Gemeinsam mit seiner Frau Lisa gründete er daraufhin das Unternehmen Stratasys. Den ersten FDM-3D-Drucker brachte Stratasys 1992 auf den Markt.

3D-Druck: Status quo und Ausblick

Noch herrscht Gründerstimmung in der Branche. Derweil wird die Schere zwischen den privaten und industriell genutzten 3D-Druckern aber auch in Zukunft bestehen bleiben, obgleich 3D-Drucker für den privaten Gebrauch deutlich an Qualität und Leistungsfähigkeit zulegen. Die Hersteller beginnen jedoch allmählich damit, den Markt zu definieren und bekannte Marken zu bilden. Schon heute gibt es Anbieter von Consumer-3D-Druckern, die Produkte in Metergröße herstellen können. Das, in Verbindung mit einer verbesserten Oberflächenqualität, wird im privaten Sektor noch für einige entscheidende Fortschritte sorgen.

Im industriellen Bereich wird v. a. die Aufbaugeschwindigkeit und die Verbesserung der Materialeigenschaften eine große Rolle spielen. Bisher waren die meisten auf 3D-Druckern hergestellten Produkte kaum mehr als Einzelstücke und Prototypen. Der Schritt in die Massenfertigung und die Ablösung der traditionellen Herstellungsverfahren ist jedoch in vollem Gange.

Das Prinzip des 3D-Drucks

Das dem 3D-Druck zugrundeliegende Prinzip ist der schichtweise Aufbau eines Werkstücks. Im privaten Sektor wird dazu das Multi-Layer-Verfahren mit einem Kunststoff-Filament eingesetzt. Dabei wird ein Plastikfaden über eine 3D-Mechanik aufgeschmolzen und punktgenau aufgetragen. Der Druckkopf fährt so Schicht für Schicht die einprogrammierte Kontur entlang und baut das Produkt immer weiter auf. Dieses Verfahren wird auch Fused Deposition Modeling (FDM) oder Fused Layer Modelling (FLM) genannt.

Dem sehr ähnlich ist das Arburg Kunststoff Freiformen (AKF). Es ist so modifiziert, dass die originalen Kunststoffe aus der Spritzgusstechnik für den 3D-Druck eingesetzt werden können. Damit wird der Prototyp nicht nur von der Geometrie, sondern auch in seinen technischen Eigenschaften der Serienfertigung sehr ähnlich. Dies ist schon ein großer Schritt in Richtung der Ablösung traditioneller Verfahren. Speziell die Hersteller von Medizinprodukten profitieren beim AKF davon, dass sie ihre zertifizierten und zugelassenen Materialien verwenden können.

3D-Druck von Metallen

Im Zusammenhang mit dem 3D-Druck von Metallen werden häufig die weit verbreiteten Laser-Verfahren Selective Laser Sintering (SLS) und Selective Laser Melting (SLM) genannt. Streng genommen handelt es sich hierbei nicht um 3D-Druck. Denn bei diesen Verfahren wird ein hoch energetischer Laserstrahl in einen Behälter mit gepulvertem Vormaterial geschossen. Das Material wird aufgeschmolzen und so Schicht für Schicht in die gewünschte Form gebracht. Im allgemeinen Sprachgebrauch wird 3D-Druck jedoch synonym für alle additiven Verfahren verwendet. SLS und SLM werden vor allem bei metallischen und keramischen Produkten verwendet.

3D-Druck von Metallen im engeren Sinn ist dagegen mit folgenden Verfahren möglich:

• Fused Deposition Modeling (FDM): Metallhaltiger Kunststoffdraht (Filament) wird in einer Düseneinheit plastifiziert und Schicht für Schicht selektiv lokal dosiert.

• Binder Jetting (BJ): Durch viele Düsen werden kleinste Bindertröpfchen selektiv lokal Schicht für Schicht auf Metallpulver aufgebracht. Diese verkleben das Material.

• Nano Particle Jetting (NPJ): Eine Metallpartikel-Lösemittelflüssigkeit wird mittels Düseneinheit selektiv lokal dosiert. Das Lösemittel verdampft unmittelbar.

3D-Druck in der Medizin

Speziell in der Medizin hat der 3D-Druck schon früh für enorme Fortschritte gesorgt. Viele Anwendungen wurden durch diese innovative Technologie nicht nur wesentlich verbessert, sondern auch wesentlich billiger. Entscheidend sind hier jedoch v. a. die Vorteile für Patienten, die sich aus individuell angepassten Medizinprodukten ergeben. Stichwort: personalisierte Medizin. Der 3D-Druck hat hier v. a. in folgenden drei Bereichen schon seine Praxistauglichkeit bewiesen:

• Herstellung von Prothesen

• Herstellung von Orthesen

• Herstellung von chirurgischen Instrumenten

Innere wie äußere Prothesen wie künstliche Hüftgelenke, Gebisse, Hörgeräte, Arm- und Beinprothesen können mit dem 3D-Druck hochgradig individuell gestaltet werden. Der Patient erhält damit nahezu perfekte Ersatzprodukte für seine beschädigten oder fehlenden Körperteile. Orthesen, also temporäre Skelettstützen, sind ebenso in wesentlich besserer Qualität herstellbar. Der Patient muss sich nicht mehr mit Standardgrößen zufrieden geben, die letzten Endes immer ein Kompromiss sind. Vielmehr erhält er mit dem 3D-Druck Produkte, die millimetergenau auf seine Bedürfnisse zugeschnitten sind.

In der Chirurgie hat sich der 3D-Druck nicht nur bei der Herstellung passgenauer Implantate bewährt. Die Herstellung exakt angepasster Werkzeuge hat sich als Segen für die behandelnden Ärzte erwiesen. Besonders schwierig umsetzbare Schnitte lassen sich mit individuell gefertigten Schneide-, Injektions- und Nähwerkzeugen wesentlich präziser und für den Patienten schonender umsetzen.

Video: 11 Fakten über 3D-Druck in der Medizin

Organe aus dem 3D-Drucker

Ein öffentlichkeitswirksamer Bereich des 3D-Drucks ist die Herstellung maßstabsgerechter und hochpräziser Abbilder der Organe. Sobald dem Arzt mithilfe der modernen bildgebenden Verfahren die Raumdaten eines Organs vorliegen, kann er sich ein Echtformmodell aus dem 3D-Drucker herstellen lassen. Das gibt ihm nochmals einen wesentlich verbesserten Eindruck von dem Aufbau des Organs. Die Operationen werden damit besser planbar und der Heilungserfolg wahrscheinlicher.

Zukunftsmusik ist hingegen noch die Herstellung implantierbarer Organe aus dem 3D-Drucker. Die Idee dabei ist, mit dem Drucker ein Collagenmodell des Organs herzustellen und es anschließend mit Stammzellen zu „bepflanzen“. Der Durchbruch in dieser Technologie wäre mit einem Beben gleichzusetzen: Billige, abstoßungsfreie, schnell verfügbare Ersatzorgane würden jede Form von Organspende schlagartig überflüssig machen. Auch schwerstgeschädigte Herzen, Lungen, Lebern, Nieren und Bauchspeicheldrüsen ließen sich mit diesem Verfahren einfach und vollständig ersetzen. Es dürfte jedoch viele einige Jahre dauern, bis diese Technologie zur Verfügung steht. Doch dass sie eines Tages zum Standard wird, darin sind sich bereits heute viele Experten einig.

Wie schon gesagt: Organe werden auch heute schon im 3D-Drucker hergestellt. Nur handelt es sich dabei noch um die Anschauungsmodelle, die in der Medizin zur Vorbereitung einer Operation genutzt werden. Die Datenlage ist dabei der wichtigste Faktor: Nur mit den exakten Abmaßen von Herz oder Niere ist die Herstellung des Duplikats aus Kunststoff erst möglich. Hier ist der Computertomograph mit seinem schichtweisen Durchleuchten des menschlichen Körpers das heute schon bildgebende Verfahren.

Software für den 3D-Druck

Für die privaten und industriellen Anwendungen ist jedoch die Verwendung einer 3D-Software immer noch die Grundlage für einen erfolgreichen Druck. Zwar kann mithilfe von 3D-Scanverfahren schon ein annähernd präzises 3D-Datenmodell erstellt werden. Für den Druck reichen diese Daten jedoch meistens nicht aus. Der Programmierer muss das Objekt zunächst so drehen, dass es beim Aufbau möglichst stabil bleibt. Da das bei unregelmäßig geformten Produkten meistens nicht möglich ist, muss der Programmierer zumindest der Geometrie eine Stützstruktur hinzufügen.

Gedanken über Dateiformate und Datei-Schnittstellen muss man sich heute hingegen nicht mehr machen. Im privaten Sektor gibt es bereits Freeware, mit denen sich Produkte schon sehr gut programmieren lassen. Die Verbindung zwischen Drucker und Computer ist in der Regel der ganz normale USB-Anschluss, FireWire oder Bluetooth. Damit ist auch eine Trennung von Modellherstellung am Computer und tatsächlichen Ausdruck vor Ort möglich. Die Daten lassen sich, wie jede andere Information im Computerzeitalter einfach via Internet über die ganze Welt verschicken.

Normen und Richtlinien zum 3D-Druck

Die Industrie fordert schon seit langem eine Standardisierung der 3D-Druck- und Modellierverfahren. Bislang wurde in diesem Punkt jedoch noch relativ wenig erreicht. Lediglich konnte mit der ISO/ASTM 52900 von 2015 die Terminologie in der 3D-Drucktechnik definiert werden. Ziele der Normung sollen sein:

• transparente Produktionsprozesse

• vereinheitlichte Druckmaterialien

• weitere Definition der verwendeten Terminologie

Der Prozess der Normung ist damit noch in Arbeit. Orientierung gibt jedoch auch die VDI-Richtlinie 3405 zu additiven Fertigungsverfahren.

Im Sommer 2018 hat derweil der Verband 3D-Druck e.V. Additive Fertigung: EU-Kommission zur Stellungnahme aufgefordert, denn es gibt auch rechtlichen Unsicherheiten.

Additive Fertigung: EU-Kommission zur Stellungnahme aufgefordert

Zum Hintergrund: Noch Ende Juni hatte das EU-Parlament nahezu ohne Gegenstimmen einen „Entschluss über den dreidimensionalen Druck, eine Herausforderung in den Bereichen Rechte des geistigen Eigentums und Haftpflicht (2017/2007(INI))“ gefasst. Dieser wird im Rechtsausschuss des Parlaments weiter beraten, wo die Chancen und Risiken der additiven Fertigung präzise dargelegt werden. Die EU-Kommission muss dazu Stellung beziehen.

Die DIN SPEC 17071 definiert als Leitfaden für die Qualitätssicherung erstmals einheitliche Anforderungen an die additive Fertigung. Die DIN SPEC 17071 beschreibt einheitliche Anforderungen an die Mitarbeiter, die Dokumentation der Arbeitsschritte, die Infrastruktur und die Qualifizierung von Anlagen, Materialien und Prozessen.

Materialien und Maschinen für den 3D-Druck

Im 3D-Druck ist heute bereits eine Vielzahl an Materialien im Einsatz. Für Einsätze in der Medizin lassen sich die Materialien im Wesentlichen wie folgt einordnen:

• Kunststoff

• Metall

• Keramik/Mineralien

Die ersten 3D-Drucker im Metall verwendeten meistens gepulverte Bronze oder Messinglegierungen. Sie lassen sich recht leicht aufschmelzen, sind aber reaktionsträge und korrosionsfest. Jedoch ist praktisch jedes andere Metall in gleicher Weise für den 3D-Druck geeignet. Heute sind Edelstahl, Werkzeugstahl, Aluminium, Titan und die Nickelbasislegierung Incotel die am häufigsten verwendeten Grundmaterialien für den metallischen 3D-Druck.

Die wichtigsten Hersteller von Anlagen für den 3D-Druck – auch für Metalle – weltweit sind:

• 3D Systems

• Concept Laser (übernommen von GE Additive)

• EOS

• Renishaw

• SLM Solutions

• Stratasys

Darüber hinaus haben auch traditionelle Werkzeugmaschinen-Hersteller wie DMG Mori oder Trumpf das Potenzial dieser Technologie erkannt und bieten sehr leistungsstarke Maschinen an – häufig in Hybridausführung aus klassischer und additiver Technologie.

Bei der Verwendung von Kunststoff im 3D-Druck haben sich Filament und Harz etabliert. Das ABS-Filament ist aufgrund seines niedrigen Preises v. a. in der Privatanwendung sehr beliebt. Laser-Harz-Drucker überzeugen zwar durch schnelle Druckergebnisse und gute Oberflächen, sind jedoch noch recht teuer. Darum sind sie vorwiegend in der Industrie zu finden.

Medizinprodukte aus PEEK drucken

PEEK und PLA sind recht dicke Kunststoff-Filamente, mit denen sich gut große und technisch belastbare Prototypen fertigen lassen. An PEEK, dem Polyetheretherketon, ist v. a. seine Temperaturstabilität bis 335 °C interessant. Das macht es allerdings recht schwierig, diesen Hochleistungskunststoff im 3D-Druck zu verarbeiten. Gleichwohl gibt es hier erste Anlagen, die auch das zu leisten vermögen.

3D-Drucker für Hochleistungskunststoff PEEK

Damit gewinnt das Verfahren zunehmend an Bedeutung für die Herstellung von Medizinprodukten. Denn PEEK ist hier aufgrund seiner Widerstandsfähigkeit gegenüber den meisten Verfahren zur Sterilisation ein gerne verwendetes Material.

Lieferanten für PEEK und andere Kunststoff-Filamente für den 3D-Druck sind u. a.:

• Filamentworld

• Aprintapro

• Fil-A-Gehr

• Igus

• und viele mehr

3D-Druck von Keramik

Die im keramischen 3D-Druck verwendeten Materialien sind meistens Aluminiumoxid (Al₂O₃) und Zirkoniumoxid (ZrO₂). Sie lassen sich gut verarbeiten, sind jedoch etwas grobkörnig. Die kleinste verfügbare Körnung beträgt derzeit 0,05 mm. Das macht meistens eine anschließende Glasur erforderlich, um eine technisch brauchbare und optisch ansprechende Oberfläche zu erhalten. Der keramische 3D-Druck wird in der Medizin bereits sehr erfolgreich für den Zahnersatz beziehungsweise die Zahnreparatur eingesetzt.

Zu den mineralischen 3D-Druckverfahren zählt heute auch die großformatige Betonverarbeitung. Bungalows, Garagen und einfache, einstöckige Häuser aus dem 3D-Drucker beginnen sich bereits zu etablieren. In Kürze wird man in diesen Sektor noch mit enormen Fortschritten rechnen können.

Die Kosten für den 3D-Druck

Die Kosten für den 3D-Druck teilen sich auf in

• Anlagenkosten (inkl. Software)

• Materialkosten

• Personalkosten

Die Anlagenkosten sind dabei heute in der industriellen Anwendung noch der größte Faktor. Die Maschinen gehen leicht bis in die Hunderttausende von Euro. Darin sind ihre Betriebskosten noch nicht eingepreist. Besonders die Laserverfahren verursachen heute noch hohe Stromkosten. Im Gegensatz zu diesen Grundkosten sind 3D-Drucker bei Material und Verbrauch extrem genügsam. Viel mehr als in jedem Gussverfahren, wird im 3D-Druck nur annähernd so viel Material verbraucht, wie das Endprodukt an Volumen verlangt.

Die Personalkosten sind schwer zu beurteilen: Der teuerste Faktor ist hier die Herstellung des 3D Modells. Dafür sind heute noch Computer-Spezialisten erforderlich. Deren Aufgaben lassen sich aufgrund der digitalen Natur des 3D-Drucks aber sehr leicht auslagern. Indien bietet hierzu bereits tausende von sehr preiswerten 3D-Druck-Dienstleistern an, die hier die Kosten senken können. Die Implementierung in den 3D-Drucker und die Überwachung des Druckprozesses ist hingegen sehr einfach, so dass diese Arbeit von Hilfskräften übernommen werden können. Dazu kommen noch Kosten für die Nachbearbeitung und Qualitätssicherung. Erst wenn diese Prozessschritte allesamt abgearbeitet sind, darf ein 3D-gedrucktes Teil als fertig angesehen werden.

Wichtige Adressen und Ratgeber zum 3D-Druck

• AM Field Guide: Die beste Übersicht über additive Fertigungsverfahren

• Fachbuch „Additive Fertigung“

• Verband 3D-Druck

• Arbeitsgemeinschaft Additive Manufacturing im VDMA

• VDI-Fachbereich Produktionstechnik und Fertigungsverfahren

• Formnext: Weltleitmesse für Additive Manufacturing und die nächste Generation der intelligenten industriellen Produktion

• Rapid.Tech + FabCon 3.D: International Hub for Additive Manufacturing: Exhibition + Conference + Networking

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* Robert Schumann ist technischer Redakteur bei einem großen Industriedienstleister und freiberuflicher technischer Autor. Er hat Medienwissenschaften studiert und weitere Abschlüsse in Maschinenbau und Bauwesen erworben.

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