Additive Fertigung Individuelle Einzelstücke aus dem 3D-Drucker

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Für Einzelstücke oder Kleinserien ist die konventionelle Fertigung oft nicht rentabel. Gerade für Prothesen oder Prototypen für chirurgische Instrumente eignet sich der 3D-Druck. Neben Schnelligkeit und Effizienz bietet die additive Fertigung noch weitere Vorteile.

Die Geschichte des 3D-Drucks begann Anfang der 1980er-Jahre. In den ersten Jahren wurde er hauptsächlich für die Herstellung von Konzeptmodellen, später auch für Funktionsprototypen genutzt. Inzwischen gibt es eine Vielzahl an unterschiedlichen Anwendungsbereichen. Die Preise für Druckmaschinen und Rohstoffe sind gesunken und nach Auslaufen einiger Patente erschienen sogar Geräte für den Heimgebrauch. Doch der 3D-Druck wird auch im großen Maßstab in der Industrie eingesetzt, u. a. in der Medizintechnik.

Das 3D-Drucken wird auch additive Fertigung oder Additive Manufacturing genannt, da es die Objekte aufbaut und nicht aus einem Rohling „herausschneidet“. 3D-Druck eignet sich für Teile aus Metall, Kunststoff und Komposit-Werkstoffen. Ein häufig genutztes Verfahren, das sich auch für die Herstellung von Implantaten, Prothesen und medizinischen Instrumenten eignet, ist das selektive Laserschmelzen (SLM, Selective Laser Melting) von Metall. Dabei wird auf einer Grundplatte eine dünne Schicht aus Metallpulver aufgetragen. Ein Laser schmilzt anhand der Konstruktionsdaten Teile der Pulverschicht ein. Anschließend wird die Grundplatte abgesenkt, eine weitere Pulverschicht aufgetragen und erneut an definierten Stellen eingeschmolzen. Auf diese Weise entsteht Schicht für Schicht ein dreidimensionales Objekt.

Neben SLM ist das Druckverfahren FDM (Fused Deposition Modeling) verbreitet. Die Drucker rollen Thermoplaste wie Polyethylen (PE) oder Polypropylen (PP) als Endlosfaden von einer Spule ab, erhitzen sie und bauen daraus schichtweise ein Objekt auf. Sie können zur Fertigung von Prototypen genutzt werden, sind aber auch in der Lage, kleine bis mittelgroße Ersatzteile für PE/PP-Konstruktionen herzustellen.

Fertigung mit additiven Verfahren

Das FDM-Prinzip gibt es auch für Metalle und wird dann zur Unterscheidung oft FFF (Fused Filament Fabrication) genannt. Die entsprechenden Drucker sind gegenüber Geräten mit Pulverbett für SLM kleiner, leichter und etwas unkomplizierter einzusetzen. Dadurch eignen sie sich auch für Kleinteile, die SLM-Drucker nicht effizient herstellen können.

Einige 3D-Drucker verarbeiten auch Verbundwerkstoffe, wie mit Mikrokohlefasern gefülltes Nylon. Es wird zusammen mit anderen Endlosfasern wie Glas- und Carbonfaser oder Kevlar zu Komposit-Bauteilen zusammengefügt. Diese besitzen hohe Widerstandsfähigkeit, Schlagfestigkeit oder Temperaturbeständigkeit – je nach der verwendeten Materialkombination.

Vorteile des 3D-Drucks

Der wichtigste Vorteil des 3D-Drucks und der additiven Fertigung ist zugleich ein Alleinstellungsmerkmal. Denn er ermöglicht Objektgeometrien, die mit subtraktiven Verfahren wie Fräsen, Schleifen oder Bohren, aber auch mit Gusstechniken nicht herstellbar sind. Ein Beispiel sind vollständig innenliegende Hohlräume. Sie bilden Stützstrukturen, die das Objekt leichter machen, aber die gleiche Festigkeit wie eine massive Konstruktion haben. Ein weiterer Vorteil, der vorrangig in der Industrie wichtig ist, ist der Kostenfaktor für die Herstellung von Einzelteilen oder Kleinserien. Vor allem individuell angepasste Objekte können mit herkömmlichen Industrieverfahren nicht kostengünstig hergestellt werden. In der Gesundheitsbranche war deshalb bis vor wenigen Jahren in vielen Bereichen zeitaufwändige und teure Handarbeit verbreitet. Der 3D-Druck bietet hier kostengünstige Fertigung bei kurzen Lieferzeiten. Ein dritter Vorteil ist die Möglichkeit, auch vor Ort zu fertigen und auf eine langgezogene Lieferkette zu verzichten. Zudem sind anders als bei konventionellen Verfahren wie Zerspanen oder Gießen weder Werkzeuge noch Formen notwendig. Die Teile werden via Drucksoftware direkt aus den Konstruktionsdaten gedruckt.

Wie wichtig diese Möglichkeiten werden können, zeigte sich im Frühjahr 2020 während der Frühphase der Corona-Pandemie. Im besonders stark von Covid-19 betroffenen Italien hatten einige Intensivstationen nicht mehr genügend Ventile für Beatmungsgeräte. Leider konnten die Hersteller aufgrund der Produktionseinschränkungen längere Zeit nicht liefern. Ein Dienstleister für 3D-Druck sprang ein und druckte die Ersatzteile einfach aus.

Einsatzgebiete in der Medizin

Neben der Möglichkeit, 3D-Drucker als digitalisiertes Ersatzteillager einzusetzen, gibt es eine Vielzahl an medizintechnischen Anwendungen. Vor allem in der Prothetik spielen die Geräte ihre Möglichkeiten aus. Ob es sich um Kniegelenke, Kreuzbänder oder Teile von Beckenknochen, Brustbeinen und Unterkiefern handelt – die Patienten erhalten passenden Ersatz, der im 3D-Drucker zudem schnell und kostengünstig hergestellt wird. Ähnliches gilt für Skelettstützen oder orthopädische Schuheinlagen. Handgefertigte Orthesen erfordern viele Arbeitsschritte und Anproben. Der 3D-Druck senkt die Kosten und erspart die lange Wartezeit. Auch die Ohrformen von In-Ear-Hörgeräten werden auf speziellen Silikon-Druckern erzeugt. Die Geräte fertigen bis zu 50 Stück in der Stunde.

In der orthopädischen Chirurgie gibt es eine Vielzahl an unterschiedlichen Instrumenten für das Anbringen und Extrahieren orthopädischer Implantate, beispielsweise künstlicher Kniegelenke. Ein Hersteller dieser Instrumente nutzt für Prototypen einen Metalldrucker. Denn in Handarbeit sind diese Prototypen sehr aufwändig herzustellen.

Metall-3D-Druck mit Legierungen wie Inconel oder medizinischem Edelstahl verkürzt den Entwicklungsprozess. Die Ergebnisse des Metalldrucks unterscheiden sich nach dem Entgraten und Schleifen nicht von Produkten aus herkömmlicher Fertigung. Die gedruckten Prototypen entsprechen in Form, Gewicht und Handling den späteren Serienversionen. Sie erlauben den Chirurgen, sich einen genauen Eindruck von dem Instrument zu verschaffen und es zu testen.

Bei der Herstellung von Prothesen und Prototypen sind 3D-Drucker flexibel und innerhalb weniger Minuten von einem Produkt auf das andere umgerüstet. Die Benutzer müssen dafür lediglich neue Konstruktionsdaten in das Gerät laden. Die Medizintechnik profitiert überall dort von der additiven Fertigung, wo es um die Herstellung von individuell angepassten Einzelstücken für Ärzte und Patienten geht.

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* Der Autor: Lutz Feldmann ist Regional Channel Manager Euro-Central bei Markforged.

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