implantcast Additive Fertigung

Vom Pulver zum Implantat / 3D Drucken mit Metall / Wie aus Pulver durch additive Fertigung Implantate werden
 
Prozesskette der additiven Fertigung
 
            EBM prozess d kl                           
3D-CAD
Das zu produzierende Bauteil wird dreidimensional am PC konstruiert und stellt die Ausgangsbasis der Fertigung dar.
 
Slicen
Das Modell wird virtuell am PC in einzelne Scheiben geschnitten, die jeweils in ihrer Höhe der Schichtstärke der additiven Fertigung entsprechen.
Pulverauftrag
Im ersten Schritt wird eine gleichmäßige Pulverschicht durch ein Rakelsystem aufgebraucht. Die Höhe der Pulverschicht entspricht hierbei der zuvor am PC generierten Scheibendicke und liegt im Bereich 50 µm.

Schmelzen
Unter Einsatz einer Strahlquelle wird das Pulver in im Voraus berechneten Bahnen lokal belichtet und vollständig aufgeschmolzen. Die Schmelze erstarrt und geht mit der darunterliegenden Schicht eine feste schmelzmetallurgische Verbindung ein.

Absenken
Im Anschluss an die Belichtung der Geometrie einer Schicht erfolgt die Absenkung der Arbeitsplattform um die Schichthöhe. Der zyklische Prozess beginnt erneut: Es wird eine Pulverschicht aufgetragen und entsprechend den Geometriedaten selektiv belichtet.

Entnahme
Das Bauteil wird entnommen. Nicht belichtetes Pulver wird recycelt und vollständig wiederverwendet.                              

Einleitung

Dritte industrielle Revolution, disruptive Technologie, Paradigmenwechsel. Das sind die Schlagwörter mit der das Drucken in der dritten Dimension in den Medien beschrieben wird. Nüchterner betrachtet stellt die additive Fertigung (engl. Additive Manufacturing - AM) ein urformendes Verfahren dar, bei dem Werkstoff lokal und schichtweise aneinandergefügt wird und ein Bauteil so sukzessive in die Höhe wächst. Der Clou ist hierbei, dass lediglich ein virtuelles, dreidimensionales Modell des Bauteils für die Fertigung benötigt wird. Im Gegensatz zur konventionellen Fertigung, wie etwa dem Spanen oder Gießen, existieren zudem fast keine Grenzen der Gestaltungsfreiheit, wodurch sich bisher unmögliche Konzepte oder geringste Stückzahlen in einem einstufigen und werkzeuglosen Verfahren wirtschaftlich in die Realität überführen lassen.

Ein hohes Interesse hat zu intensiver Forschung und der Entwicklung einer Vielzahl von AM-Verfahren geführt, mit der sich unterschiedliche Werkstoffsysteme verarbeiten lassen, wie z. B. Harze, Kunststoffe oder Keramiken. Eine Ausprägung, die sich für die Herstellung metallischer Gelenkendoprothesen und weiterer Produkte der Implantologie eignet, sind die Pulverbett basierten Verfahren, bei denen eine gezielte Energieeinbringung durch eine elektromagnetische Strahlquelle zur Formgestaltung führt. Findet hierbei ein Laserstrahl Verwendung, hat sich der Begriff Selective Laser Melting (SLM) etabliert, für den Einsatz eines Elektronenstrahls Electron Beam Melting (EBM).

Mit diesen Verfahren lassen sich Implantate produzieren, die über eine komplexe anatomische Gestalt oder funktionale Oberflächen verfügen und damit das Potential besitzen, die Patientensituation weiter zu verbessern. Durch eine hohe Integration in die digitale Prozesskette sind heute hochkomplexe und patientenindividuelle Endoprothesen technologisch und wirtschaftlich in kurzer Zeit herstellbar.


Ausgangswerkstoff Pulver

Generell sind alle metallischen Legierungen mit guter Schweißbarkeit für die additive Fertigung geeignet, wie z. B. die biokompatiblen Implantatwerkstoffe CoCr oder Ti-6Al-4V. Zur Herstellung des Pulvers wird die Schmelze des Ausgangsmaterials unter Schutzgas verdüst, so dass sphärische Partikel mit einem Durchmesser im Bereich von 20 bis 80 µm entstehen. Die chemische Zusammensetzung verändert sich dabei nicht.

Prozesskette der additiven Fertigung

Die additive Fertigung mit Pulverbett basierten Verfahren, wie z. B. SLM oder EBM, erfolgt in einem zyklischen und vollautomatisierten Prozess (siehe Abblidung oben).

 

Mechanische Eigenschaften

Die mechanischen Eigenschaften additiv gefertigter Bauteile entsprechen den werkstofftypischen Kennwerten und erfüllen die regulatorischen Anforderungen für chirurgische Implantate. Für den dynamischen Lastfall bewegen sich additiv gefertigte Bauteile auf dem Niveau von gewalztem Material und sind Gussteilen deutlich überlegen. Durch eine nachgelagerte Wärmebehandlung im Anschluss an die Fertigung lassen sich die Eigenschaften bei Bedarf noch gezielt einstellen.

 
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