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Generative Fertigung Direktes Metall-Laser-Sintern für eine Kletterprothese

Redakteur: Kathrin Schäfer

Für einen behinderten Sportler ist eine individuelle Prothese entwickelt und hergestellt worden. Mit der Hilfe des eingesetzten Schichtbauverfahrens reduzieren sich sowohl der zeitliche als auch der finanzielle Aufwand. Die Technologie lässt sich unter anderem auch für orthopädische Implantate nutzen.

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Kletterprothese: Sie ist mit der Hilfe der additiven Fertigungstechnik, dem Direkten Metall-Laser-Sintern (DMLS), gefertigt worden.
Kletterprothese: Sie ist mit der Hilfe der additiven Fertigungstechnik, dem Direkten Metall-Laser-Sintern (DMLS), gefertigt worden.
(Bild: Anna Knor)

Für den Kletterenthusiasten C. J. Howard aus dem Norden Kaliforniens haben Schuhe einen hohen Stellenwert (Bild 1). Noch viel wichtiger ist für ihn als unterschenkelamputierten Sportler aber die Fußprothese, die er zusammen mit der Umwelttechnikerin und Luft- und Raumfahrtingenieurin Mandy Ott entwickelt hat.

Am Laptop entstand eine neue, aggressiv geformte Prothese, die vorn nach unten gebogen war und damit einer Banane ähnelte. Als Fertigungstechnologie kam für Ott nur das Direkte Metall-Laser-Sintern (DMLS) infrage, welches sie bereits von ihrer Ingenieurtätigkeit für ein großes Luft- und Raumfahrtunternehmen kannte: „Ich habe es nie in Erwägung gezogen, die Prothese mithilfe herkömmlicher Fertigungstechniken herzustellen, da sie dann Nähte am Fuß, hervorstehende Schrauben oder Muttern besäße. Das kann man beim Klettern nicht gebrauchen“, erklärt Ott.

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Daten einlesen

Die Ingenieurin wandte sich an Morris Technologies, ein Unternehmen, welches auf die generative Fertigung spezialisiert ist. Dort war man bereit, dem behinderten Sportler zu helfen. Um mit der Fertigung beginnen zu können, wurden die digitalen CAD-Daten des Prothesenfußes zunächst in die Software eingelesen und in die einzelnen Schichtinformationen zerlegt. Diese hat dann das EOS-System nacheinander wieder aufgebaut. Dazu wurde eine dünne Schicht Metallpulver aufgetragen, ein fokussierter Laserstrahl fuhr die erste Querschnittschicht des Fußes ab und verschmolz das Titanpulver.

Danach senkte sich die Bauplattform ab, abermals erfolgte ein Pulverauftrag und anschließendes Verschmelzen des Materials mit der darunter liegenden Schicht. Dieser Prozess wiederholte sich fortlaufend, wobei die Prothese jedes Mal um etwa 20 µm wuchs. Eine Schichtstärke, die etwa der Dicke von fünf menschlichen Haaren entspricht. Nach Abschluss des vollautomatischen Bauprozesses wurde überschüssiges Pulver entfernt, und es folgte ein Entspannungsbrand, um das Metall zu härten und die Materialfestigkeit sicherzustellen.

Herstellung in 40 Stunden

Die Herstellung des glattkantigen Fußes mit einer Größe von 15 x 7,5 x 5 cm nahm um die vierzig Stunden in Anspruch. Die fertige Prothese wiegt etwa 2,3 kg. Um ihr Gewicht gering zu halten, wurde sie hohl gefertigt. Außerdem kommt sie ohne Nähte oder Befestigungsmittel aus. Nachträglich wurde das Fußteil mit einem Gummi beschichtet, der auch für die Sohlen von Kletterschuhen verwendet wird. Das dazugehörige Bein – eine Stange aus solidem Titan – wird über einen Schaft am Oberschenkel befestigt.

Potenzial erkennen

Die Ingenieure von Morris Technologies verwendeten ein kommerziell erhältliches Titan (Ti64), das sich durch eine überragende Festigkeit und ein geringes Gewicht auszeichnet. Obwohl das die erste Prothese war, die das Unternehmen gefertigt hatte, erkannte Tim Warden, stellvertretender Leiter der Vertriebs- und Marketingabteilung, schnell das Potenzial der EOS-Technologie: „Eine Prothese sollte an die Anatomie des Patienten angepasst sein. Falls sie nicht auf Anhieb sitzt oder nicht richtig funktioniert, kann einfach die CAD-Datei bearbeitet werden. Zum Beispiel, indem an den entscheidenden Stellen ein bisschen mehr Material eingebracht wird.“

Was das Design angeht, war Howards Kletterprothese recht einfach. Warden weist aber darauf hin, dass sich das DMLS-Verfahren auch für die Herstellung von medizinischen Produkten mit viel komplexerer Geometrie eignen würde.

Implantate herstellen

So ließen sich beispielsweise orthopädische Implantate für Hüft-, Knie-, Schulter- und Sprunggelenke oder sogar Wirbelsäulenimplantate sowie die dazugehörigen patientenspezifischen chirurgischen Instrumente fertigen. Morris Technologies nutzt dieses generative Verfahren bereits für ein breites Branchenspektrum: von der Luft- und Raumfahrt über den Automobilbau bis hin zu anderen industriellen Anwendungen.

„Wir entscheiden uns immer dann für DMLS und gegen die herkömmliche Fertigung, wenn sich dadurch sowohl der zeitliche als auch der finanzielle Produktentwicklungsaufwand reduzieren lassen“, berichtet der Morris-Mitarbeiter. Die Liste an verarbeitbaren Materialien – einschließlich biokompatibler Kunststoffe und Metalle – wächst, was es dem Unternehmen ermöglicht, auch lasergesinterte Lösungen für medizinische Anwendungen anzubieten.

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