Heilung in 3-D

© Foto | Laserzentrum Hannover e.V.

Ob irgendwann 3-D-Drucker in jedem Hobbykeller stehen, ist offen. Sicher ist aber, dass generative Verfahren beginnen, Gesundheit und Leben zu retten.

Die breite Öffentlichkeit träumt vom 3-D-Laserdrucker: Das Allzweckgerät, das von der Kaffeetasse bis zum Kleinwagen jeden beliebigen Alltagsgegenstand aus etwas Staub und Licht herbeizaubert. Dass die Industrie längst nicht mehr träumt, sondern handfeste Ergebnisse schafft, geht dabei fast etwas unter.

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Das LZH

Das Laserzentrum Hannover verknüpft physikalischen und ingenieurtechnischen Bereichen. In enger Zusammenarbeit von Ingenieuren, Werkstoffwissenschaftlern und Physikern erarbeitet es fachübergreifende Lösungen für alle Bereiche der Lasertechnik.

Der Autor

Christian_Noelke_LZH

Christian Nölke ist Leiter der Gruppe Oberflächentechnik am Laser Zentrum Hannover e.V., sitzt unter anderem im Technischen Komitee FA13 „Generative Verfahren“ des Deutschen Verbands  für Schweißen DVS und arbeitet zum gleichen Thema im Normenausschuss  des Deutschen Instituts für Normung (DIN) am Entwurf der  DIN ISO/TC 261 mit. Kontakt: c.noelke@lhz.de

Die Forschungsprojekte

Die Arbeiten zum Laserschmelzen von Magnesiumlegierungen werden von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) mit dem Kennzeichen HA 1213/77-1 gefördert.

Die Arbeiten zum Laserschmelzen von NiTi-Formgedächtnislegierungen werden vom Bundesministerium
für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen des Projektes GentleCI mit dem Kennzeichen 16SV3944 gefördert.

Die Arbeiten zum SLµM werden im REMEDIS-Verbundprojekt durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen des Förderprogramms „Spitzenforschung und Innovation in den Neuen Ländern“ gefördert (FKZ: 03IS2081).

Denn die Industrie verfolgt ganz andere Ziele als das oben skizzierte. Sie will nicht das eine Gerät, das viele Dinge ein bisschen kann, sondern arbeitet an Verfahren, Werkstoffen und Anlagen, die ganz bestimmte Dinge prozesssicher, perfekt, programmier- und reproduzierbar und in industriellem Maßstab leisten.

Rapid Manufacturing bis Rapid Prototyping

Von der Öffentlichkeit fast unbemerkt, hat die laseradditive Fertigung (LAM) dabei in den letzten Jahren große Fortschritte erzielt. Ausgehend vom Rapid Prototyping hat die Fertigung in Schichten mit ihrer hohen Geometriefreiheit auch bei der Umsetzung von Kleinserien und im Werkzeugbau Fuß gefasst.

Die Stichworte sind hier Rapid Manufacturing und Rapid Tooling und es sind vor allem Luft- und Raumfahrt sowie die Automobilindustrie, die hart daran arbeiten, aus Verfahrensideen industrielle Prozesse zu entwickeln. Am anderen Ende der Skala wiederum ist es die Medizintechnik, die intensiv daran forscht, die Grenzen des Machbaren zu verschieben.

Wundermittel für die Medizintechnik?

Zu den Aufgaben der Medizintechnik gehört es, technische Komponenten auf eine gewachsene biologische Umgebung abzustimmen. Bereits heute werden vor komplizierten Operationen mithilfe der Computertomografie hochaufgelöste, patientenspezifische 3-D-Daten gesammelt.

Diese präzisen Scans von Knochen, Organen oder Gliedmaßen ermöglichen es, extrem passgenaue, patientenindividuelle Operationshilfen und Implantate herzustellen. Und das ist keine Zukunftsmusik: Solche Operationshilfen werden heute schon in Form von Bohrschablonen im OP oder auch als Hilfsmittel bei der Eingriffsplanung und Anpassung von Implantaten eingesetzt.

Individuelles Implantate in industrieller Großserie

Eines der ersten additiv hergestellten orthopädischen Serienimplantate ist die von Lima Corporate S.p.A. gefertigte Hüftpfanne. Sie soll mit ihrer porösen Oberflächenstruktur ein verbessertes Einwachsverhalten ermöglichen. Allerdings werden diese Implantate mithilfe einer elektronenstrahlbasierten Anlage produziert. Darüber hinaus wird in der Literatur immer wieder von eingesetzten patientenindividuellen LAM-Implantaten etwa in der Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie berichtet. Bereits fest etabliert hat sich dagegen die industrielle Produktion von Zahnimplantaten.

Aber noch stehen dem weitverbreiteten Einsatz von LAM-Implantaten die erforderliche und aufwendige Softwareinfrastruktur, die notwendige Zertifizierung der Produktionsprozesse sowie die klinische Zulassung entsprechend der EU-Richtlinie 93/42/EEC entgegen. Industrie und Forschung arbeiten jedoch intensiv daran, Lücken hinsichtlich Produktionstechnik, Software und Zulassungsfähigkeit zu schließen.

Grundlagenforschung an Schweißwerkstoffen

Dabei treibt die Medizintechnik nicht nur die sehr umsetzungsnahen Entwicklungsarbeiten voran. Ihr Bedarf initiiert auch einen großen Teil der Grundlagenforschung. Hier geht es um Untersuchungen zur Verarbeitung schwer schweißbarer, bioresorbierbarer oder auch funktionaler Werkstoffe.

Magnesium Selective Laser Melting Samples

Auftragsschweißen mit Magnesium. Bei Überdruck lässt sich der medizinisch hoch interessante Werkstoff deutlich besser verarbeiten.

Die Gruppe Oberflächentechnik des Laser Zentrum Hannover e. V. beispielsweise forscht aktuell an der laseradditiven Verarbeitung von Magnesiumpulvern. Die Untersuchungen sind Teil eines gemeinsamen Projekts der Deutschen Forschungsgemeinschaft mit der Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie der Medizinischen Hochschule Hannover und der Tiermedizinischen Hochschule Hannover. Ziel ist, die Fertigung von kontrolliert bioresorbierbaren Hybridimplantaten für die biologisch adäquate Rekonstruktion von Gesichtsschädeldefekten zu ermöglichen.

Ein Implantat, das von selbst verschwindet

Ein solches Implantat könnte bei der Rekonstruktion zunächst verletzte Knochenpartien ersetzen und anstelle der Knochen das darüber rekonstruierte Gewebe stützen. Über den Heilungsverlauf zersetzt sich dieses Implantat und weicht den nachwachsenden Knochenzellen. Das bedeutet auch, dass die Verteilung der auftretenden Kräft e mit fortschreitender Einheilung zunehmend auf das nachwachsende Knochenmaterial übertragen wird.

Die Absicht ist, den resorbierbaren Magnesiumgrundkörper laseradditiv zu fertigen. Dieser erhält anschließend eine Polymerbeschichtung und, sofern notwendig, wird der Verbund mit einer Titankomponente verstärkt. Zur Beschleunigung und Verbesserung des Einwachsverhaltens wird das hybride Implantat bereits im Vorhinein im Labor mit Knochenzellen besiedelt.

Schweißen mit Magnesium 

Die große Herausforderung beim laseradditiven Erstellen dreidimensionaler Bauteile aus Magnesiumwerkstoffen bildet die geringe Differenz von Schmelztemperatur und Verdampfungspunkt. Unter normalen Umgebungsbedingungen lässt sich Magnesiumpulver durch selektives Laserschmelzen (SLM) nur zu einfachen Schweißspuren verarbeiten und neigt darüber hinaus zu starken Agglomerationen („Balling“).

Magnesium Phase Diagram

Die im Projekt angesetzte Strategie sieht eine Prozessdurchführung unter Überdruckbedingungen vor, die die Temperaturdifferenz zwischen Schmelz- und Verdampfungspunkt vergrößern. Mithilfe der Firma SLM-Solutions wurde dazu eine kommerzielle Laserschmelzanlage modifiziert und mit einer auf zwei Bar Überdruck ausgelegten Prozesskammer ausgestattet. Erste dreidimensionale Versuchsstrukturen konnten bereits erstellt werden — ein großer Schritt in Richtung des Projektziels.

Mikroimplantate und Drug-Delivery-Systeme

Die laserbasierte additive Mikrobearbeitung wie das selektive Laser-Mikroschmelzen (SLµM) und das Laser-Mikroauftragschweißen (µLMD) ist ebenfalls ein Schwerpunkt der Gruppe Oberflächentechnik. Hier bietet sich die Möglichkeit, medizinische Mikroimplantate aufzubauen oder Oberflächen funktional zu strukturieren.

Ein Schwerpunktbereich sind hier „Drug-Delivery-Systeme“ aus medizinischem Stahl zur direkten Abgabe von Medikamenten ins Zielgewebe sowie die Verarbeitung der Formgedächtnislegierung Nitinol beispielsweise für funktionale Mikroaktoren.

Die Applikation entscheidet dabei über das Verfahren:

Entweder kommt das zweistufige pulverbettbasierte SLµM oder das einstufige µLMD zum Einsatz. Beide Verfahrensweisen erzeugen Objekte ohne Poren und Fehlstellen mit Strukturbreiten im Bereich von 30 bis 40 Mikrometer. Im Gegensatz zum SLM benötigt µLMD kein Pulverbett, da es den pulverförmigen Zusatzwerkstoff direkt in die Prozesszone einbringt.

Für Oberflächenstrukturen auf komplexen Freiformflächen oder größeren Bauteilen eignet sich das µLMD besser. Zur Erstellung von mehreren Bauteilen und komplexen 3-D-Strukturen mit Hinterschneidungen weist der SLµM-Prozess deutliche Vorteile auf.

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Auf dem Weg zur industriellen Applikation

Folgt man den aktuellen Veröffentlichungen und Ereignissen, erreicht die laseradditive Fertigung langsam einen Status, der den Weg zu industriellen Applikationen eröffnet: sei es als Alternative für konventionelle Verfahrensweisen oder sei es, weil LAM Türen zu neuen Möglichkeiten aufstößt, die sich nur mit ihr verwirklichen lassen.

Der Reifegrad und die Durchdringungstiefe einzelner Prozessvarianten weichen zwar deutlich voneinander ab — SLµM und µLMD etwa stehen noch am Anfang ihrer Karriere. Doch im Rahmen der laufenden Entwicklungen nimmt die Interaktion zwischen Anwendern und Forschung stetig zu, sodass die Anforderungen der Industrie verstärkt aufgezeigt und neuer Forschungsbedarf ermittelt wird. Dementsprechend ist auch in den kommenden Jahren ein weiterer signifikanter Fortschritt bei der laseradditiven Fertigung zu erwarten.

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