Der Zeit voraus durch generative Fertigungsverfahren

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1 Autor Redaktion Status Aktuell Kategorie Laborkonzept Der Zeit voraus durch generative Fertigungsverfahren LAC Laser Add Center Redaktion Die oberfränkische Kreisstadt Selb, am Rande des Fichtelgebirges an der Grenze zu Tschechien gelegen, erlangte vor allem als Zentrum der deutschen Porzellanindustrie überregionale Bekanntheit. Zahlreiche Besucher werden nicht nur von Werksverkäufen ansässiger Hersteller wie beispielsweise Rosenthal angelockt. Auch die drei Museen der Stadt, die sich ganz dem Thema Porzellan und technische Keramik widmen, sind jederzeit einen Besuch wert. Gezeigt werden hier sowohl traditionelle Herstellungsprozesse als auch moderne Einsatzgebiete der Keramik. Der Werkstoff Keramik stand auch zunächst im Mittelpunkt des Interesses bei den Laborinhabern der Handrich-Gruppe (Abb. 1), als diese vor circa fünf Jahren begannen, Pläne für die Gründung eines gemeinsamen Fertigungszentrums in Selb zu schmieden. Die fünf Dentallabore beschäftigen heute insgesamt rund 120 Mitarbeiter und sind im Gebiet Nordbayern und Süd- / West-Sachsen angesiedelt. Innovative Fertigungstechnologien Sie verglichen die verfügbaren Technologien für die Herstellung von Zahnersatz und kamen schnell zu der Erkenntnis, dass subtraktive Verfahren wie die Frästechnologie zwar die Bearbeitung von Keramik ermöglichen, aber auch deutliche Nachteile aufweisen: Zum einen ist das Fräsen von Restaurationen mit einer erheblichen Materialvergeudung verbunden, da stets Überschüsse abgetragen werden, die nicht wiederverwertbar sind. Dieser Abtrag resultiert zudem in der Regel in einem hohen Werkzeugverschleiß. Zum anderen ist es technisch unmöglich, alle in der Zahntechnik geforderten Geometrien mit Fräsmaschinen zu fertigen. Mit generativen Fertigungsverfahren, z. B. dem Laserschmelzen von Metallen, sind hingegen Geometrien aller Art realisierbar. Bei diesem Verfahren wird ein Werkstück schichtweise aufgebaut, indem Metallpulver auf eine Bauplattform gegeben und an vorgegebenen Stellen mit einem Laser aufgeschmolzen wird (Abb. 2). Unmittelbar nach dem Aufschmelzen härtet das Metall aus, die Plattform senkt sich ab und eine neue, gleichmäßige Schicht Pulver wird aufgetragen QR-Code scannen und den Beitrag auf Ihr Smartphone oder Tablet herunterladen! Abb. 1: Die Laborinhaber der Handrich-Gruppe und Gesellschafter des LAC Laser Add Center: ZTM Reinhard Stegert, ZTM Tanja Grötsch, ZT Rolf Ebert, B.A. (Betriebsleiter LAC), ZTM Ralf Handrich, ZTM Alexandros Lagaris und ZTM Werner Ebert (v. l. n. r.). Abb. 2: Mithilfe von Laserstrahlen wird Metallpulver punktuell aufgeschmolzen. 44

2 und anschließend wiederum softwaregesteuert mit Laserlicht bestrahlt. Somit bestehen keinerlei verfahrensbedingte Grenzen hinsichtlich der Werkstückgestaltung. Auch Retentionsperlen für die Verblendung lassen sich problemlos auf ein Gerüst auftragen und selbst feinste Gitterstrukturen sind realisierbar. Investitionsentscheidung Um sich eingehend über die Praxistauglichkeit des Laserschmelzverfahrens, die Homogenität und Qualität der gefertigten Materialstrukturen sowie deren Genauigkeit zu informieren, intensivierten die Laborinhaber der Handrich-Gruppe ihre Recherchen. Sie besuchten gemeinsam Ausstellungen und Messen und nahmen schließlich Kontakt zu Concept Laser (D-Lichtenfels) auf. Im Jahr 2009 fiel die Entscheidung, ein Fertigungszentrum mit einer Laserschmelzanlage des Typs M2 cusing (Concept Laser) (Abb. 3) in Selb zu gründen: Das LAC Laser Add Center (Abb. 4). innerhalb der Unternehmensgruppe eingesetzt. In enger Zusammenarbeit mit den Dentallaboren auf der einen und dem Maschinenhersteller auf der anderen Seite wurden die Produktionsprozesse optimiert. Von Beginn an bestand jedoch der Wunsch, nicht nur für die eigenen Dentallabore, sondern auch für externe Unternehmen zu fertigen und die Technologie zudem für andere Branchen, wie beispielsweise die Medizintechnik und den Prototypenbau, einzusetzen. Anfang 2010 wurde das junge Unternehmen gleich mit dem Mittelstandslöwen, einem Innovationspreis der Sparkasse Hochfranken und der Frankenpost, ausgezeichnet (Abb. 5). Abb. 5: Auszeichnung kurz nach Unternehmensgründung. Eingesetzte Materialien Abb. 3: Die Laserschmelzanlage M2 cusing. Abb. 4: Unternehmenssitz des Laser Add Centers. In den ersten Monaten nach der Gründung wurde die Maschine von ZT Rolf Ebert, B.A. bedient und ausschließlich für die Produktion von Zahnersatz Im Fertigungszentrum in Selb werden seit 2009 zwei unterschiedliche Legierungen verwendet: Die CoCrW-Legierung remanium star CL und das Titan Grade V rematitan CL (beides Dentaurum, D-Ispringen). Titan ist ein Werkstoff, der für die Zahnheilkunde hervorragende Eigenschaften aufweist: Er ist biokompatibel und sehr leicht. Aus diesem Grund wird Titan bereits seit langer Zeit in der Medizintechnik sowie der dentalen Implantologie eingesetzt. Problematisch für den zahntechnischen Einsatz des Materials war bisher, dass bei der Gusstechnik aufgrund des schnellen Abkühlens in der Muffel Inhomogenitäten wie Lunker im Material entstanden, die von außen nicht sichtbar waren. Diese führten zu einer geringeren Stabilität und Langlebigkeit der gefertigten Gerüste. Mittels Laserschmelztechnologie lässt sich Titan jedoch problemlos verarbeiten und 45

3 schnell in die gewünschte Form bringen. Das Resultat ist ein Objekt höchster Homogenität und Dichte im gesamten Volumen. Wachstum Seit Dezember 2011 steht dem nach ISO zertifizierten Fertigungszentrum zusätzlich zu der M2 cusing eine zweite Maschine, Mlab cusing (Concept Laser), zur Verfügung, die für die Bearbeitung der CoCrW-Legierung eingesetzt wird. Seitdem wird die erste Maschine ausschließlich für Titan verwendet die strikte Trennung hat den Vorteil, dass keine Maschinenreinigung aufgrund eines Materialwechsels notwendig ist. Dieser Vorgang ist aufwendig und erfordert bis zu eineinhalb Stunden Zeit, da jegliche Metallstäube entfernt werden müssen. Nun erfolgt eine Reinigung einmal wöchentlich mit einem staubexplosionsgeschützten Sauger, um ein Entzünden des Titans auszuschließen. Da die Anzahl der Aufträge im Zentrum stetig steigt und auch innovative Projekte mit unterschiedlichen Partnern verfolgt werden, wurde im März 2012 die Mitarbeiterzahl auf fünf erhöht. (3Shape, DK-Kopenhagen) übertragen wurden in die Software CAMbridge (3Shape) importiert. Dort erfolgt automatisch die Anordnung der virtuellen Gerüste auf einer Bauplattform. Die Gerüste werden außerdem mit Haltepins für den Produktionsprozess versehen und mit einem Fähnchen mit Nummer ausgestattet, um eine eindeutige Zuordnung zu gewährleisten (Abb. 7). Der von der Software generierte Vorschlag wird durch einen Mitarbeiter überprüft, gegebenenfalls manuell modifiziert und anschließend bestätigt. Es folgt das Slicing d. h. das Zerlegen des Datensatzes in einzelne Schichten. Für nicht dentale Produkte kommt die Software Magics (Materialise, BE-Leuven) zum Einsatz. Die Schichtdicke beträgt dabei in der Laserschmelzanlage exakt 25 µm, da sich diese in Tests als vorteilhaft hinsichtlich der Genauigkeit der zu fertigenden Objekte herausgestellt hat. Sie lässt sich bei Bedarf jedoch auch verändern. Workflow Die digital über eine verschlüsselte Datenverbindung eingehenden Aufträge werden von einem Mitarbeiter heruntergeladen und auf Vollständigkeit geprüft (Abb. 6). Abb. 7: ZT Rolf Ebert, B.A. bei der Überprüfung zu fertigender Gerüste auf der virtuellen Bauplattform. Abb. 6: Dateneingang: Hier werden Konstruktionsdaten empfangen und Aufträge geprüft. CAM-Software Anschließend werden die Konstruktionsdaten sofern sie nicht gleich über den DentalManager Fertigung Die Daten werden nun je nach gewähltem Material an eine der beiden Maschinen gesendet und der Fertigungsprozess wird gestartet (Abb. 8 und 9). Beide Maschinen sind so gebaut, dass der Anwender die Prozesskammer im Rahmen des Produktionsprozesses nie direkt öffnen muss: Bei der M2 cusing erfolgt das Pulverhandling in einer separaten Kammer (Abb. 10) und der Arbeitstisch wird mit Luftdruck zwischen den Kammern verfahren. Um sicherzustellen, dass das Pulver zu keiner Zeit mit Luft in Berührung kommt, ist die gesamte Maschine mit Schutzgas Argon geflutet. So wird eine Reaktion mit Sauerstoff verhindert und einer Entzündung des Titans sowie einer Oxidation der Gerüstoberflächen vorge- 46

4 beugt. Auch in der Anlage Mlab cusing wird Argon als Schutzgas eingesetzt. Während der Produktion liegt der Sauerstoffgehalt in der Maschine ständig bei unter einem Prozent. In der Regel wird für die Bearbeitung von Chrom-Kobalt Stickstoff verwendet, dieser verhindert jedoch ein Oxidieren an der Bauteiloberfläche nicht vollständig, was durch einen gelblichen Schimmer auf den Gerüsten zu erkennen ist. Durch die Verhinderung einer Oxidation wird die Ionenabgabe des Materials nach der Fertigung verringert, somit sinkt auch das Risiko von Allergien. Für zahntechnische Restaurationen beträgt die Fertigungszeit mit der Mlab cusing Anlage circa 12 Stunden bei 60 bis 80 Einheiten, für medizinische Bauteile ist die Maschine M2 cusing je nach Größe vier bis fünf Tage in Betrieb. Pulveraufbereitung Während das zu fertigende Objekt Schicht für Schicht aufgebaut wird, wird überschüssiges Titanpulver in einem Behälter aufgefangen. Das Restpulver durchläuft nach dem Herstellungsprozess eine separate Siebstation mit einer Siebweite von 45 µm (Abb. 11). Ebenfalls unter Schutzgas wird hier nur das Pulver herausgefiltert, das keine Verklumpungen aufweist, sodass eine gleichbleibende Pulvergüte auch bei erneuter Verwendung des Materials gewährleistet wird. Abb. 8: Bedienung der Anlage Mlab cusing. Abb. 11: Die Siebstation zur Aufbereitung des überschüssigen Materialpulvers. Abb. 9: Steuerung der Maschine M2 cusing. Nachbearbeitung und Wärmebehandlung Die Bauplattform wird nach Abschluss der Fertigung entnommen und die einzelnen Objekte werden abgetrennt sowie ihre Oberfläche manuell nachbearbeitet (Abb. 12). Anschließend erfolgt für alle dentalen Res taurationen ab drei Gliedern eine Wärmebehandlung bei C, um Spannungen auszugleichen, die während der Produktion im Bauteil entstehen. Nach diesem Prozess werden die Gerüste versandfertig verpackt und an einen Paketdienst übergeben. Erfolgt der Versand der Konstruktionsdaten an das Laser Add Center bis 15:00 Uhr, werden die bestellten Gerüste am Folgetag bereits versendet. Abb. 10: Handling des Pulvers in einer separaten Kammer der Maschine. Da das Laser Add Center ein reines Produktionsunternehmen ist, werden vor Ort keine Modelle gescannt und Objekte konstruiert, Kunden wird 47

5 dieser Service jedoch angeboten. Aufträge werden dann an eines der Labore der Handrich-Gruppe weitergeleitet und umgehend bearbeitet. Abb. 12: Finishing der Gerüste. Zukunftspläne Während den realisierbaren Indikationen kaum Grenzen gesetzt sind (Abb. 13 und 14), arbeitet das Team des Laser Add Center gemeinsam mit Materialund Maschinenherstellern daran, die Materialvielfalt zu erweitern. Zum Beispiel werden weitere Metalle Abb. 13: Im Laserschmelzverfahren produzierte Bauteile. untersucht, die dank der innovativen Fertigungstechnologie für die Zahntechnik einsetzbar sein könnten. Grundsätzlich lassen sich alle Metalle mit dem Laserschmelzverfahren bearbeiten, die sich schweißen lassen. Sind zusätzlich noch die spezifischen Anforderungen Biokompatibilität, Stabilität, geringes Gewicht etc. erfüllt, werden Testproduktionen initiiert und die Ergebnisse im Team evaluiert. Zudem ist das Laser Add Center ständig daran beteiligt, das Fertigungsverfahren weiterzuentwickeln. Aktuell besteht eine Zusammenarbeit mit einem Hersteller von Fräsmaschinen, um die Möglichkeiten der frästechnischen Nachbearbeitung von im Laserschmelzverfahren produzierten Objekten zu untersuchen. Ziel ist eine Erhöhung der Genauigkeit, um beispielsweise Abutments und Implantate herstellen und auch kleinste Details wie exakte Gewindestrukturen einbringen zu können. Auch im Medizinproduktebereich und in anderen Branchen werden ständig neue Kontakte geknüpft und interessante Entwicklungsprojekte ins Leben gerufen z. B. für die Herstellung von Wirbelsäulenimplantaten oder individuell auf den Nutzer angepassten Fahrrädern mit additiv gefertigten Verbindungselementen. Egal, ob wir Gerüste für die Zahntechnik herstellen, was unser Kerngeschäft darstellt und wo die Kompetenz unseres Teams am stärksten einfließt, oder Medizinprodukte fertigen: Wir gehen stets auf individuelle Kundenwünsche ein und freuen uns über produktive Anregungen. Alle Angestellten im Laser Add Center sind ausgebildete Zahntechniker, die über ihre handwerklichen Fähigkeiten hinaus ein großes Interesse an innovativen Technologien zeigen. Mit Enthusiasmus meistern sie bei der täglichen Arbeit immer wieder neue Herausforderungen. Damit sind wir sicher auf dem richtigen Weg, berichtet ZTM Werner Ebert. Kontakt Abb. 14: Modellguss, der im Laser Add Center hergestellt wurde. LAC Laser Add Center GmbH Längenauer Straße 109 D Selb Tel. +49 (0) / Fax +49 (0) / info@laser-add-center.de 48