ADDITIVE FERTIGUNG: NEUE WEGE IN DER MEDIZINTECHNIK

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1 ADDITIVE FERTIGUNG: NEUE WEGE IN DER MEDIZINTECHNIK Dipl.-Ing. Matthias Gieseke Laser Zentrum Hannover, Germany Technologietag Laserlicht für die Medizintechnik Hamburg,14. Februar 2013

2 AGENDA Additive Fertigung Materialien und Verfahren Laser Additive Fertigung Themenschwerpunkte Situation und Anwendung in der Medizintechnik Zulassung von Medizinprodukten Forschungsschwerpunkte am LZH Lasermikroauftragschweißen Laserschmelzen von Magnesiumlegierungen Lasermikroschmelzen Zusammenfassung und Ausblick

3 ADDITIVE FERTIGUNG Schichtweise Herstellung von Bauteilen Prototypenbau: Rapid Prototyping Fertigung: Rapid Manufacturing Werkzeugbau: Rapid Tooling Medizinische Anwendungen Modelle Operationsplanung Modellierung von Implantaten Operationshilfen Bohrschablonen Werkzeuge Individuelle Prothesen und Implantate Quelle: Quelle:

4 MATERIALIEN UND VERFAHREN Kunststoffe Fused Deposition Modeling (FDM) Stereolithografie Lasersintern Mineralische Werkstoffe 3D-Druck Quelle: Keramische Werkstoffe Lasersintern (in Entwicklung) Metallische Werkstoffe Elektronenstrahlschmelzen Laser Additive Fertigung Quelle:

5 LASER ADDITIVE FERTIGUNG Laserauftragschweißen Direct Metal Deposition (DMD) Laserschmelzen Selective Laser Melting (SLM)

6 AKTUELLE THEMENSCHWERPUNKTE VON LAM Strukturoptimierung Bionische Strukturen Leichtbau Funktionsintegrierte Bauteile Neue Materialien Bioresorbierbare Materialien Intelligente Materialien Quelle: Laser Zentrum Nord GmbH Fertigungsprozess Verbesserung der Auflösung, Oberflächenqualität Datenaufbereitung Fertigungszeiten Prozesskontrolle, Prozessüberwachung Quelle: Marcam Engineering GmbH

7 AKTUELLE SITUATION IN DER MEDIZIN Klinische Situation Digitale 3D-Daten sind verfügbar (CT-Aufnahme) Zunehmender Einsatz von LAM-Produkten LAM-Fertigung Etablierung und Zulassung von Werkstoffen für Medizinprodukte Schneller Günstiger Kritische Punkte Verantwortung/Haftung CE/FDA-Zulassung Quelle:

8 AKTUELLE ANWENDUNGEN IN DER MEDIZINTECHNIK Individuelle Implantate Zahnimplantate Hüftpfanne Operationshilfen Bohrschablonen Werkzeuge Fertigungsablauf Erstellung von 3D-Daten Modellierung Fertigung Nachbearbeitung Klinischer Einsatz Zahnimplantat Quelle: LAC Laser Add Center GmbH, Germany Hüftpfanne Quelle: Lima Corporate s.p.a.

9 ZULASSUNG VON MEDIZINPRODUKTEN 1) Entwicklung des Designs und Produktionsprozesses 2) Validierung, klinische Studien 3) Zulassung Zulassung EU-Richtlinie 93/42/EEC Artikel 4 Produkte für spezielle Anwendungen Individuelle Produkte Keine CE-Kennzeichnung Artikel 11 Erklärung der Konformität Anhang VIII Aussagen über Produkte für spezielle Anwendungen Individuelle Nutzung Verwendung durch geeignete Personen Konformität mit generellen Anforderungen (Anhang 1)

10 FORSCHUNGSSCHWERPUNKTE AM LZH Laserauftragschweißen Einkristallines Laserauftragschweißen Lasermikroauftragschweißen Mikrostrukturaufbau Hybridaufbau Laserschmelzen Prozess- und Anlagentechnik Biodegradierbare Werkstoffe Lasermikroschmelzen Mikrostrukturaufbau Formgedächtnislegierungen

11 LASERMIKROAUFTRAGSCHWEIßEN Mikrostrukturaufbau Strukturbreiten < 30 µm Aspektverhältnis 70:1 Keine Poren und Fehlstellen Aufbau von Hybridbauteilen Anlage Industrieller Prototyp Pulverförderer für nanophasige Pulver Integrierte Analytik

12 LASERSCHMELZEN VON MAGNESIUM (I) Hybridimplantate für Rekonstruktion von Gesichtsschädeldefekten Ersatz von Gesichtsschädeldefekten durch individuelle, resorbierbare Implantate Hybrider Aufbau Magnesium-Scaffold Polymerbeschichtung Ggf. Titan-Komponente Previtalisierung mit humanen Zellen Herausforderungen SLM von Magnesium-Legierungen Steuerung der Degradation Previtalisierung Knochenersatz mit Titan-Mesh Hybridimplantat für Gesichtsschädeldefekte Gefördert im Rahmen des DFG-Projektes Entwicklung prävitalisierter metallischer Hybridimplantate mit Biopolymerbeschichtung zur biologisch adäquaten patientenspezifischen Rekonstruktion von Gesichtsschädeldefekten

13 LASERSCHMELZEN VON MAGNESIUM (II) Herausforderungen Geringer Verdampfungspunkt (1.093 C) Geringe Verdampfungswärme (5,272 kj/kg) Geringe Viskosität der Schmelze (1,5 Pa s) Erschwerte Ausbildung von Schweißbahnen Laserschmelzanlage für die Magnesiumverarbeitung Modifiziertes kommerzielles System Überdruckfähige Prozesskammer (2 bar) Angepasste Sicherheitstechnik Bauteilgröße reduziert auf 50x50x50 mm³ Max. 500 g Pulverwerkstoff Gefördert im Rahmen des DFG-Projektes Entwicklung prävitalisierter metallischer Hybridimplantate mit Biopolymerbeschichtung zur biologisch adäquaten patientenspezifischen Rekonstruktion von Gesichtsschädeldefekten

14 LASERMIKROSCHMELZEN (I) Drug Delivery Systeme Applizierung von Medikamenten im Zielgewebe Injektion über eine Mikrokanüle Integration in (Mikro-)Implantate Mikroimplantate Funktionsmuster Neuartige Mikrosysteme Verbesserung der Strukturauflösung Oberflächenbearbeitung Ermittlung mechanischer Kennwerte Gefördert im Rahmen des BMBF Spitzenclusters REMEDIS (FKZ: 03IS2081).

15 LASERMIKROSCHMELZEN (II) Selektive Laser Micro Melting (SLµM) Modularer SLµM-Laboraufbau 25 W und 50 W Faserlaser Laserspotdurchmessser bis 19 µm Pulverauftragmechanismus Steuerungssoftware Bauteilabmessungen max. Ø51 mm x 40 mm Strukturbreiten < 30 µm Geringer Pulververbrauch Werkstoffe Edelstahl Nickel-Titan-Formgedächtnislegierungen Sonderwerkstoffe

16 LASERMIKROSCHMELZEN (BEISPIELE)

17 LASERMIKROSCHMELZEN VON NICKEL-TITAN- FORMGEDÄCHTNISLEGIERUNGEN Fertigung von Aktoren für Cochlear-Implantate Anpassung der Form über FG-Effekt Verbessertes Hörvermögen Minimalinvasive Insertion Herausforderung Reproduzierbarkeit Einstellung des FG-Effektes Gefördert im Rahmen des BMBF-Projektes GentleCI (FKZ: 16SV3944)

18 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK Additive Fertigung Schichtweise Herstellung von Bauteilen Medizintechnik: individuelle Produkte Komplexe Zulassung Laser Additive Fertigung Laserauftragschweißen Laserschmelzen Anwendung: Individuelle, komplexe Implantate Forschungsschwerpunkte Verbesserung der Auflösung Prozesskontrolle und überwachung Neue Werkstoffe 2 mm

19 VIELE DANK FÜR DIE AUFMERKSAMKEIT. Matthias Gieseke Tel.: Fax: Laser Zentrum Hannover e.v. Hollerithallee 8 D Hannover Germany