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Stark im Kommen: additiv gefertigte Medizinprodukte aus Keramik

| Autor/ Redakteur: Avi Cohen / Kathrin Schäfer

Im Vergleich zu additiven Fertigungsverfahren mit Kunststoffen oder Metallen ist die additive Fertigung (AM) mit Keramik noch jung. Und sie ist auf dem besten Weg, die Produktion in der Gesundheitsbranche zu revolutionieren.

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Diese kleinen Clips für medizinische Geräte werden mit X-Jet-Technologie aus Zirkonoxid hergestellt.
Diese kleinen Clips für medizinische Geräte werden mit X-Jet-Technologie aus Zirkonoxid hergestellt.
(Bild: X-Jet)
  • Medizinprodukte aus Keramik additiv fertigen
  • Aluminiumoxid und Zirkonoxidkeramik verfügen über ideale Materialeigenschaften für die Medizintechnik
  • Nano-Particle-Jetting-Technologie (NPJ) von X-Jet

Keramische Materialien werden heute bereits für Bohrschablonen, Implantate, Prothesen sowie medizinische Werkzeuge und Geräte verwendet. Und fast jede medizinische Einrichtung sowie jedes Labor hat Laborprodukte aus Keramik und Glas für chemische Analysen und elektronische Komponenten im Einsatz. Auch die Verwendungsmöglichkeiten für die additive Fertigung mit Keramik sind im Gesundheitswesen enorm. Sie gestaltet sich als ideales Verfahren für Anwendungen wie

  • Hörimplantate,
  • CAT-Scans,
  • Schrittmacher,
  • Komponenten für die Kardiologie,
  • Implantate für die Neurologie,
  • Hüftkopfimplantate für Hüftprothesen,
  • Handwerkzeuge,
  • Ventile und Filter,
  • Drucksensoren, Röntgenröhren,
  • Anwendungen in der Laserchirurgie und natürlich die
  • Zahnmedizin.

Doch obgleich es unzählige potenzielle Anwendungen gibt, ist der Einsatz der additiven Fertigung mit Keramik besonders bei der Herstellung von Implantaten wie Aluminiumoxid-Hüftprothesen noch immer besonders. Aluminiumoxid wird aufgrund seiner geringen Reaktivität als bioinerter Keramikwerkstoff eingestuft. Das Material besitzt eine lange funktionale Lebensdauer. Durch seine große Härte wird die Stabilisierung eines Implantats optimal unterstützt.

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In den vergangenen zehn Jahren hat die Verwendung von Zirkonoxid im Gesundheitswesen aufgrund seiner physischen, biologischen und ästhetischen Eigenschaften und seiner Korrosionsbeständigkeit stark zugenommen. Zirkonoxidkeramik zeichnet sich durch eine extrem große Härte aus, die jene anderer fortschrittlicher Keramikmaterialien wie Aluminiumoxid noch übersteigt. Das Material hat eine hervorragende Beständigkeit gegenüber Chemikalien und Korrosion, doch ohne die Sprödigkeit, die technische Keramiken oft zu eigen ist. Weitere zentrale Materialeigenschaften sind seine hohe Bruchzähigkeit und Dichte, seine große Härte und Verschleißfestigkeit sowie seine Temperaturbeständigkeit bis 2.400 ºC; außerdem die nichtmagnetische, niedrige Wärmeleitfähigkeit und gute elektrische Isolierung, der Wärmeausdehnungskoeffizient (ähnlich wie bei Eisen) und das Elastizitätsmodul (ähnlich wie bei Stahl). Dank dieser Eigenschaften hat Zirkonoxid im Laufe der Jahre sogar einen neuen Namen erhalten – Keramikstahl.

Keramikteile zeichnen sich durch eine besondere Härte aus

Aufgrund seiner hohen Belastbarkeit wird Zirkonoxid für medizinische Teile verwendet, die besonders verschleißanfällig sind, wie individuell angefertigte Teile für Hüftprothesen. Orthopädische Hüftprothesen mit Zirkonoxid zeichnen sich gegenüber anderen Systemen durch eine bessere Verschleißfestigkeit aus. Zirkonoxid wird auch häufig für enossale Implantate, Implantat-Abutments und Keramikkronen und -brücken verwendet. Durch die steigende Nachfrage nach ästhetisch ansprechenden Dentalrestaurationen sind auf Zirkonoxid basierende Keramikrestaurationen oft das Mittel der Wahl.

Beide Beispiele belegen, dass die additive Fertigung mit Keramik in der Medizintechnik enorme Spielräume eröffnet. Sie bringt außerdem neue Technologien mti sich, die derartige Verfahren unterstützen. Eine dieser Technologien ist die von X-Jet entwickelte Nano-Particle-Jetting-Technologie (NPJ). Diese Technologie, die sich von anderen additiven Fertigungsverfahren wie etwa Stereolithografie, Digital Light Processing (DLP) und Binder Jetting unterscheidet, liefert hochwertige Zirkonoxid-Bauteile mit glatten Oberflächen, sehr feinen Details, hoher Dichte und einer ausgezeichneten Maßtoleranz. Erreicht wird dies durch die Dispersion von Keramikpartikeln in Nanogröße, die in einer Flüssigrezeptur suspendiert sind und aus Tintenstrahldüsen gespritzt werden, wodurch sehr dünne Schichten aufgebaut werden. Die verschiedenen Formen und Größen dieser Nanopartikel ermöglichen eine natürliche Ablagerung und eine hohe Dichte, was feste, robuste und harte Keramikbauteile hervorbringt. Durch die Verwendung eines separaten Materials für die Stützstrukturen (ein Material, das nach der Bauteilherstellung entfernt wird) ist die Herstellung sehr komplexer Geometrien mit Hohlräumen, überhängenden Vorsprüngen und sehr feinen Formen und Details möglich.

Buchtipp „Additive Fertigung“ In dem neuen Grundlagenwerk „Additive Fertigung“ erläutern bekannte Experten der ETH Zürich die zahlreichen Möglichkeiten der industriellen Entwicklung und Konstruktion additiv gefertigter Serien- und Endkundenteile. Neben erfolgreichen Produktbeispielen aus der Industrie werden neue Methoden und Vorgehensweisen vorgestellt, die dem Leser als praxisnaher Leitfaden dienen. „Additive Fertigung“ kann hier versandkostenfrei oder als eBook bestellt werden.

Die durch NPJ-Technologie erreichte Präzision bringt Bauteile mit ausgezeichneter Form- und Maßtoleranz hervor. Dadurch ist in den Grünphasen eine geringere Nachbearbeitung erforderlich, was Kosten und Zeitskalen reduziert. Die von X-Jet entwickelte NPJ-Technologie kommt auch bei zwei AM-Systemen zum Einsatz, die das Unternehmen vor Kurzem für Hersteller von Keramikteilen eingeführt hat – dem Carmel 1400 und dem Carmel 700. Beide Maschinen ermöglichen effiziente, sichere und einfache Produktionsprozesse.

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* Der Autor: Avi Cohen ist Vice President Healthcare & Education bei der israelischen Firma X-Jet.

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