Rapid Manufacturing (RM) - neuartige Produktionstechnologien für die Medizinalbranche und für den OP

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1 Rapid Manufacturing (RM) - neuartige Produktionstechnologien für die Medizinalbranche und für den OP Ralf Schindel Stefan Buob, Gideon Levy, Adriaan Spierings inspire irpd ein Gemeinschaftsprojekt mit der FHS St.Gallen 1 1

2 Inhalt inspire irpd Generative Verfahren heute/morgen Prozess am Bsp. SLS / SLM Materialien und Qualität Anwendung RP und RM Rapid Manufacturing Generative Fertigung Rapid Manufacturing in der Medizin Medizinaltechnik Klinischer Einsatz inspire irpd ein Gemeinschaftsprojekt mit der FHS St.Gallen 2 2

3 inspire AG irpd institute for rapid product development irpd inspire irpd ein Gemeinschaftsprojekt mit der FHS St.Gallen 3 3

4 Geschäftsfelder Rapid Prototyping Rapid Manufacturing Reverse Engineering Medical Manufactuing Prozess- und Materialentwicklung inspire irpd ein Gemeinschaftsprojekt mit der FHS St.Gallen 4 4

5 Generative Verfahren inspire irpd ein Gemeinschaftsprojekt mit der FHS St.Gallen 5 5

6 Generative Fertigung Selective Laser Sintering Kunststoff (PA12, ) CO 2 Laser (100 W) LaserCusing Metalle (Edelstahl, Titan, ) Faser Laser (200 W) inspire irpd ein Gemeinschaftsprojekt mit der FHS St.Gallen 6 6

7 Inhalt inspire irpd Generative Verfahren heute/morgen Prozess am Bsp. SLS / SLM Materialien und Qualität Anwendung RP und RM Rapid Manufacturing Generative Fertigung Rapid Manufacturing in der Medizin Medizinaltechnik Klinischer Einsatz inspire irpd ein Gemeinschaftsprojekt mit der FHS St.Gallen 7 7

8 Von RP zu RM früher Laserhärtendes Epoxyharz - Einsatz Rapid Prototyping - spröde - nachhärtend, hydrophil inspire irpd ein Gemeinschaftsprojekt mit der FHS St.Gallen 8 8

9 heute Grip in Edelstahl, dicht lasergesintert inspire irpd ein Gemeinschaftsprojekt mit der FHS St.Gallen 9 9

10 LaserCusing Anwendungen Medical device in Grip Edelstahl: , Warmarbeitsstahl: Titan: TiAl6V4 Alu: AlSi12 demnächst (AlSi10Mg) inspire irpd ein Gemeinschaftsprojekt mit der FHS St.Gallen 10 10

11 Selective Laser Sintering (SLS), Materialien Datenblatt DF und DF-GF DF DF-GF inspire irpd ein Gemeinschaftsprojekt mit der FHS St.Gallen 11 11

12 DuraForm HST hitzebeständiges PA12 Property* DF DF-M* HST 3D PA 3D GF 3D AF Tensile strength* (MPa) Tensile elongation* % 5.00% 14.00% 1.50% 1.50% Tensile Modulus* (MPa) HDT A ** [1.82 MPa] D GF DF HST inspire irpd ein Gemeinschaftsprojekt mit der FHS St.Gallen 12 12

13 Inhalt inspire irpd Generative Verfahren heute/morgen Prozess am Bsp. SLS / SLM Materialien und Qualität Anwendung RP und RM Rapid Manufacturing Generative Fertigung Rapid Manufacturing in der Medizin Medizinaltechnik Klinischer Einsatz inspire irpd ein Gemeinschaftsprojekt mit der FHS St.Gallen 13 13

14 Automobilindustrie inspire irpd ein Gemeinschaftsprojekt mit der FHS St.Gallen 14 14

15 Reverse Engineering Reverse Engineering (und Rapid Manufacturing) inspire irpd ein Gemeinschaftsprojekt mit der FHS St.Gallen 15 15

16 SLS Geberit inspire irpd ein Gemeinschaftsprojekt mit der FHS St.Gallen 16 16

17 Inhalt inspire irpd Generative Verfahren heute/morgen Prozess am Bsp. SLS / SLM Materialien und Qualität Anwendung RP und RM Rapid Manufacturing Generative Fertigung Rapid Manufacturing in der Medizin Medizinaltechnik Klinischer Einsatz inspire irpd ein Gemeinschaftsprojekt mit der FHS St.Gallen 17 17

18 RPD Umfeld Anwendungsüberblick RP Use 2006, worldwide Rapid manufacturing; 9.60% Tooling components; 7.50% Other; 4.00% Visual aids for engineering; 13.50% Visual aids for toolmakers; 2.70% Requesting quotes; 1.10% Pattern for cast metal; 10.90% Presentation models; 9.00% Patterns for prototype tooling; 11.10% Functional models; 17.00% (Quelle: Wohlers Associates Inc.) Ergonomic studies; 3.30% Fit and assembly; 10.30% inspire irpd ein Gemeinschaftsprojekt mit der FHS St.Gallen 18 18

19 irpd Umfeld Anwendungs-Trends (Quelle: Wohlers Associates Inc.) inspire irpd ein Gemeinschaftsprojekt mit der FHS St.Gallen 19 19

20 Was ist Rapid Manufacturing? Generative Fertigung von Endteilen in in Kleinserien inspire irpd ein Gemeinschaftsprojekt mit der FHS St.Gallen 20 20

21 Haupteinflussgrössen auf die Produktivität von RM Scanngeschwindigkeit Layerthickness Bauteilhöhe Das zu sinternde Volumen Effiziente Volumenausnützung (Stapelung) Der Einfluss der Geometriekomplexität ist sehr gering Einsatz Einsatz von von RM RM Komplexe Komplexe Geometrie Geometrie (funktions- (funktions-nicht nicht produktionsoptimiert) kleinere kleinere Dimensionen Dimensionen kleine kleine bis bis mittelgrosse mittelgrosse Serien Serien inspire irpd ein Gemeinschaftsprojekt mit der FHS St.Gallen 21 21

22 Wann wird RM eingesetzt? Kosten in Abhängigkeit der Geometrie - Komplexität complexity for free Kosten (bei Kleinserien von 1 bis 3 000, stark dimensionsund prozessabhängig) konventionelle Fertigung complexity for free Gleiche Kosten, grösserer Nutzen Rapid Manufacturing herkömmliches Design Konstruktionen für konventionelle Fertigung Design for RAPID MANUFACTURING funktionsoptimiertes Design Komplexität Quelle: irpd inspire irpd ein Gemeinschaftsprojekt mit der FHS St.Gallen 22 22

23 Inhalt inspire irpd Generative Verfahren heute/morgen Prozess am Bsp. SLS / SLM Materialien und Qualität Anwendung RP und RM Rapid Manufacturing Generative Fertigung Rapid Manufacturing in der Medizin Medizinaltechnik Klinischer Einsatz inspire irpd ein Gemeinschaftsprojekt mit der FHS St.Gallen 23 23

24 Medizinische Anwendungen von Layer Manufacturing Technologien Rapid Prototyping Es werden Prototypen für Funktionstests und u.a. Cadaver Tests in verschiedenen Materialien hergestellt (z.b. in Edelstahl , in Titan, in Polyamid, in einer spez. Metallsystem LaserForm, u.a.). inspire irpd ein Gemeinschaftsprojekt mit der FHS St.Gallen 24 24

25 Entwicklung einer Trochanter Platte unter Verwendung von manuellem Design, CAD, Simulation, Rapid Prototyping Variante 1 Variante 2 inspire irpd ein Gemeinschaftsprojekt mit der FHS St.Gallen 25 25

26 Entwicklung einer Trochanter Platte Konstruktion der 1. Variante mit nachträglichen manuellen skizzierten Optimierungen SLS - Funktionsmodell, lasergesintert in Elastomer 1. Aussagen bezgl. - des Sitzes, der Radien, etc. - der Zugängigkeit, der Implantierbarkeit inspire irpd ein Gemeinschaftsprojekt mit der FHS St.Gallen 26 26

27 Entwicklung einer Trochanter Platte Laser gesinterte Trochanterplatte in Edelstahl, inspire irpd ein Gemeinschaftsprojekt mit der FHS St.Gallen 27 27

28 Inhalt inspire irpd Generative Verfahren heute/morgen Prozess am Bsp. SLS / SLM Materialien und Qualität Anwendung RP und RM Rapid Manufacturing Generative Fertigung Rapid Manufacturing in der Medizin Medizinaltechnik Klinischer Einsatz inspire irpd ein Gemeinschaftsprojekt mit der FHS St.Gallen 28 28

29 Klinischer Einsatz Visualisation - OP Methoden - Gewebeanalysen - Wandstärkenanalysen - Knochendichten -etc. inspire irpd ein Gemeinschaftsprojekt mit der FHS St.Gallen 29 29

30 Modelle für präoperative Planung Rapid Prototyping Es werden direkt ab Computer Tomographie (CT) oder Magnet Resonanz Tomographie (MRT) Daten das Gewebe von Interesse separiert und zu einem physischen Modell in Kunststoff oder Metall verarbeitet. Diese Modelle werden meist verwendet, einen komplexen Eingriff optimal zu planen und Implantate patientenspezifisch passgenau vor dem Eingriff zu formen. inspire irpd ein Gemeinschaftsprojekt mit der FHS St.Gallen 30 30

31 Medizinische Anwendungen von Layer Manufacturing Technologien Non resorbable materials Über den Feinguss Prozess (SLS - Wachsling) wurden bis heute 3 patientenspezifische Talus Implantate auf der Basis von CT Daten (DICOM) in einer CoCr Legierung produziert. Über Ti könnten custom made implants direkt aufgebaut werden. Materialien wie PEHD sind prinzipiell generativ aufbaubar. Resorbable materials Bekannte resorbierbare Materialien wie PLLA, HAp s, TCP s, Bioglass oder PHB/PHV könnten zu Scaffolds in spongioser Ausführung (interconnecting pores) oder zu Implantaten / Platten mit komplexer Geometrie verarbeitet werden. Dazu haben wir erste positive Versuche durchgeführt. Biomaterialien inspire irpd ein Gemeinschaftsprojekt mit der FHS St.Gallen 31 31

32 Vom CT zum Talus - Implantat CT, DICOM SLS Wachs Modell CoCr-Talus implantiert Medical Manufacturing inspire irpd ein Gemeinschaftsprojekt mit der FHS St.Gallen 32 32

33 Tumor befallenes Sprungbein (Talus) inspire irpd ein Gemeinschaftsprojekt mit der FHS St.Gallen 33 33

34 region growing / editing STL File inspire irpd ein Gemeinschaftsprojekt mit der FHS St.Gallen 34 34

35 Datenaufbereitung Gespiegelt und in Polystyrol/Wachs gesinterter Talus, bereit für den Feinguss inspire irpd ein Gemeinschaftsprojekt mit der FHS St.Gallen 35 35

36 Talus Implantat Talus in CoCr ISO 5832/4, mit Anguss Registrierter und polierter Talus Sterilisierter Talus, verpackt inspire irpd ein Gemeinschaftsprojekt mit der FHS St.Gallen 36 36

37 Talus Implantation inspire irpd ein Gemeinschaftsprojekt mit der FHS St.Gallen 37 37

38 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit inspire irpd ein Gemeinschaftsprojekt mit der FHS St.Gallen 38 38

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