SLM: Generative Fertigung individueller Implantate

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1 Kamilla Urban SLM: Generative Fertigung individueller Implantate Agenda Selective Laser Melting (SLM) Implantatfertigung mittels SLM

2 Selective Laser Melting (SLM)

3 Selective Laser Melting Maschinentechnik SLM - Anlage SLM 250 HL der Fa. MTT» Generative Schichtbauverfahren, für metallische Legierung» Bauraum : 250 mm x 250 mm x 350 mm» Bauraumverkleinerung: 150 mm x 150 mm x 90 mm» Laser (cw): 400 W» Fokusdurchmesser: µm» Schichtdicken: µm» Korngröße: µm» Baugeschwindigkeit: 5 20 cm³/h» Porosität: max. 0,03 %» Toleranzen: ± 50 µm (x, y, z)» Oberflächengüte: Rz Horizontal = 40 µm, Rz Vertikal = 62 µm

4 Selective Laser Melting Qualifizierte Materialien Edelstahl : , Werkzeugstahl: , Titan: TiAl6V4, TiAl6Nb7 CoCr-Legierung: Co212f Aluminium: AlSi10Mg, AlSi12Mg Nickelbasislegierung: Inconel 625, Inconel 718, Inconel HX Neuqualifizierung mittels systematischer Prozessuntersuchungen» Variable Prozessparameter: Spurabstand, Strahldurchmesser, Belichtungsgeschwindigkeit» Teilvariable Parameter: Laserleistung, Belichtungsstrategie, Plattformtemperatur, Schichtdicke

5 Selective Laser Melting Verfahrensschritte Laser Verfahren Drei sich wiederholende Verfahrensschritte Verfahren» Absenken der Bauplattform um Schichtdicke Laser 6 7 Belichten 1. Substratplatte 2. Bauplattform 3. Hubspindel 4. Beschichter mit Pulvervorrar 5. Pulverbett 6. Laserquelle 7. Spiegel 8. Bauteil im Aufbau 4 Beschichten Laser 2. Beschichten» Auftragen einer Metallpulverschicht 3. Belichten» Selektives Aufschmelzen der Pulverschicht 8 5 mittels Laser Fraunhofer IPK

6 Fraunhofer IPK Fraunhofer IPK Selective Laser Melting Vorteile Laserbasiertes urformendes Fertigungsverfahren Herstellung von Bauteilen direkt aus CAD-Daten und Metallpulver Hohe Gestaltungsfreiheit der Bauteilgeometrie Erzeugung einsatzfähiger Produkte Stückkosten volumen- nicht geometrieabhängig Keine kostenintensiven Abformwerkzeuge Wirtschaftliche Fertigung individueller Produkte ab Losgröße 1 Fertigung unterschiedlicher Bauteile in einem Bauprozess möglich Generierung von Bauteilen aus schwer zerspanbaren Werkstoffen Integration verschiedener Funktionen in einem Bauteil Relative Dichten von nahezu 100 %

7 Implantatfertigung Eignung des SLM

8 Fraunhofer IPK Implantate Heutige Fertigungsverfahren Urformende Verfahren Feingießen im Wachsausschmelzverfahren Umformende Verfahren Unterteilung in Formprozesse und Schmiedeprozesse Spanende Verfahren Drehen, Fräsen, Bohren, Sägen, Schleifen Generative Verfahren Verfahren mit lokaler Werkstoffzufuhr, z. B. LPA Pulverbettbasierte Verfahren, z. B. SLM, SLS

9 Implantate Verkürzung von Prozessketten durch SLM Konventionelle Fertigung Bauteilkonstruktion Werkzeugkonstruktion Werkzeugfertigung Bauteilfertigung Finishprozesse Einsatzfähiges Bauteil Fertigung mittels Selective Laser Melting (SLM) Erzeugung des CAD-Modells Export von STL Slicen Hatchen Generative Fertigung SLM-Prozess Verfahren Beschichten Belichten Reinigen Zerspanen Abtragen Stoffeigenschaften ändern Bauteil Produkt Bauteilkonstruktion Werkzeugkonstruktion Werkzeugfertigung Finishprozesse Einsatzfähiges Bauteil

10 Fraunhofer IPK Fraunhofer IPK Implantate Stärken des SLM für die Medizintechnik Flexibles Verfahren mit breitem Einsatzspektrum Hohe Medienreinheit Erstellung von Geometriedaten auf Grundlage des CT Beliebig gestaltete innere und äußere Geometrie möglich Belichtung einer Bauteilschicht Gitter- und Hohlstrukturen in Bauteilen implementierbar Herstellung poröser Oberflächen für ein optimiertes Einwachsverhalten möglich Turbine und Knochenplatte in einem Prozess

11 Fraunhofer IPK Fraunhofer IPK Implantate Zahnimplantat aus einer CoCr-Legierung Metallisches Gerüst einer Vollprothese vor der keramischen Verblendung Einsatzbereich Implantate für zementfreie und zementierte Fixation Zahnprothesen, Knochenplatten und Schrauben Herzklappenersatz / Drähte Eigenschaften und Vorteile Biotoleriert: Implantat wird von Bindegewebe umschlossen Verkürzung der Lieferzeit von Zahlrestaurationen von einer Woche auf 3 Tage [1] 75 % Kostensenkung gegenüber konventioneller Fertigung [1] Teilprothese Zugfestigkeit R m [MPa] Dehngrenze R p0,2 % [MPa] Bruchdehnung A [%] CoCr-Legierungen, konventionell [2] CoCr-Legierungen, strahlgeschmolzen [3] [1] AUMUND-KOPP, C.; PETZOLDT, F.; UCKELMANN, I.: Rapid Manufacturing am Markt umgesetzte Verfahren und Prozessketten [2] WINTERMANTEL, E.; HA, S.: Biokompatible Werkstoffe und Bauweisen ; 2. Auflage; Springer Verlag; Berlin; 1998 [3] Eos GMBH (Hrsg.): Materialdatenblatt

12 Fraunhofer IPK Implantate Hüftimplantat aus Reintitan oder Titanlegierung Einsatzbereich Implantate mit direktem Knochenkontakt Beschichtungen von Implantaten Eigenschaften und Vorteile Bioinert: Positive Interaktion mit menschlichem Gewebe durch stabile Oxidschicht Verbessertes Einwachsverhalten durch Gitterstrukturen Hüftpfanne Zugfestigkeit R m [MPa] Dehngrenze R p0,2 % [MPa] Bruchdehnung A [%] Rein-Titan, konventionell [2] Rein-Titan, strahlgeschmolzen [3] Ti6AlV4, konventionell [2] Ti6AlV4, strahlgeschmolzen [3] [2] WINTERMANTEL, E.; Ha, S.: Biokompatible Werkstoffe und Bauweisen ; 2. Auflage; Springer Verlag; Berlin; 1998 [3] Eos GMBH (Hrsg.): Materialdatenblatt ; München; 2010 Firmenschrift

13 Implantate Individuelle Knochenplatte aus FeCrNi-Stahllegierung Einsatzbereich: Implantate für zementfreie und zementierte Fixation Knochenplatten und Schrauben Drähte Eigenschaften und Vorteile Biotoleriert: Implantat wird von Bindegewebe umschlossen Verbesserte Heilung durch patientenindividuelle Geometrie Knochenplatte Zugfestigkeit R m [MPa] Dehngrenze R p0,2 % [MPa] Bruchdehnung A [%] FeCrNi-Legierungen, konventionell [2] FeCrNi-Legierungen, strahlgeschmolzen [3] [2] WINTERMANTEL, E.; Ha, S.: Biokompatible Werkstoffe und Bauweisen ; 2. Auflage; Springer Verlag; Berlin; 1998 [3] Eos GMBH (Hrsg.): Materialdatenblatt ; München; 2010 Firmenschrift

14 Fraunhofer IPK Instrumente Hybride Greiferteile Herstellung hybrider Bauteile aus zwei Edelstählen [4] Eingesetzte Werkstoffe: und Breite Anwendung von in der Medizintechnik Kombination der Vorteile spanender und generativer Fertigungsverfahren Konstruktion und Fertigung von Freiformflächen möglich Hybride Zugproben Kein Versagen der Zugproben an der Fügestellen Einstellung mechanischer Eigenschaften nach Maß Gerade Greiferteilpaare [4] [4] SEHRT, J.,T.; SCHÖLER, U.: Rapid Manufacturing im Instrumentenbau ; Rapid.Tech, Erfurt, 2010.

15 Fraunhofer IWU Fraunhofer IWU Implantate Innere Funktionshohlräume Stetige und gleichmäßige Abgabe von Medikamenten über Kanäle ans umliegende Knochengewebe [5] Gezielte Förderung von Wundheilung und Einwachsverhalten Lokale Zugabe von Knochenzement bzw. bioresorbierbarem Füllstoff Möglichkeit der Arzneimittelzugabe zur Schmerzlinderung Einbringung von infektionshemmenden Substanzen Endoskopisierung des Kontaktbereichs möglich Hüftschaftprothesen mit funktionalen Kanälen [5] TÖPPEL, T.; GEBAUER, M.; MÜLLER, B.; NEUGEBAUER, R.: Neue Funktionen in Endoprothesen durch generative Fertigung mit Strahlschmelzen ; Rapid.Tech, Erfurt, 2011.

16 Selective Laser Melting Daten und Fakten Erstimplantationen, in Ers tim plantationen v on Hüft- und Kniegelenken Jahr 2009 Aktueller Trend Steigende Anzahl der Erstimplantationen» Zunehmend alternde Gesellschaft mit erhöhter Lebenserwartung Mehr als künstliche Hüftgelenke jährlich weltweit [6] Kosten aller Implantationen 1800 Mio Kos ten der Hüft- und Kniegelenk-Ers tim plantationen Jahr 2009 Hüftgelenk Datenquelle: Barmer GEK Kniegelenk Mehr als künstliche Kniegelenke jährlich weltweit [6] Vorteile durch Implantatherstellung mit neuer Technologien [6] GRADINGER, R.; GOLLWITZER, H.: Ossäre Integration ; 1. Auflage; Springer Medizin Verlag; Heidelberg; 2006

17 IPK Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Kamilla Urban Wissenschaftliche Mitarbeiterin Fertigungstechnologien Fraunhofer IPK Pascalstraße Berlin Fon:

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