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CONCEPT Laser GmbH
  • Patientenspezifisches 3D-Metalldruck Schädelimplantat
    LaserCUSING®
    Source: Fraunhofer IWU
  • 3D Metalldrucker für die Medizintechnik
    LaserCUSING®
    Source: Concept Laser GmbH
  • Passgenaues 3D-Metalldruck Hüftgelenk Medizintechnik
    LaserCUSING®
    Source: Fraunhofer IWU
  • Passgenaue Hüftpfanne Additive Medizintechnik
    LaserCUSING®
    Source: Concept Laser GmbH
  • Patientenspezifisches Wirbelsäulenimplantat Additive Medizintechnik
    LaserCUSING®
    Source: Concept Laser GmbH
  • Endoskopie Röhrchen 3D Printing Concept Laser
    LaserCUSING®
    Source: Concept Laser GmbH
  • Knöchelimplantate 3D Printing Concept Laser
    LaserCUSING®
    Source: Trilliant Surgical Ltd.

Additive Fertigung in der Medizintechnik

 
Der Mensch und seine Lebensqualität stehen im Mittelpunkt der Medizin. Medizintechnik ist hierbei ein wichtiges Instrument. Die Produkte der Branche sollen Patienten wirkungsvoll im Heilungsprozess unterstützen, die Mobilität erhalten und wieder mehr Lebensqualität vermitteln.

Eine optimale Patientenversorgung in der Orthopädie, Implantologie oder auch der Zahnmedizin setzt hochpräzise und passgenaue Medizinprodukte voraus. In der Medizin- und Dentaltechnik werden einzelne oder in Kleinserie gefertigte Komponenten, deren Material und Verarbeitung extrem hohen Qualitätsansprüchen genügen, nachgefragt.

Die Medizintechnik zählt zu den wichtigen Pionierbranchen der additiven Fertigung (Additive Manufacturing). Charakteristisch sind hier kleine Losgrößen, herstellerspezifische Anpassungen und auf den Patienten individuell zugeschnittene Implantate bis Losgröße 1, die zahlreich parallel in einem Bauraum entstehen können. Aber auch in der Serienfertigung von Standardimplantaten hat die additive Fertigung mittlerweile Einzug in der Medizintechnik erhalten.

Individualisierung bzw. Passgenauigkeit der Produkte, Geometriefreiheit bei der Herstellung und eine lange Lebensdauer dieser spielen eine entscheidende Rolle. Aber auch hohe mechanische Belastungen, spezifische Elastizitäten und Biokompatibilität zählen zu den weiteren Anforderungen an die Produkte.

 

 

Generelles Spektrum und Potenziale der Medizintechnik


Die Branche besteht aus Herstellern von Implantaten und Prothesen, medizinischen Instrumenten oder auch der Zahnmedizin. Die Branche gilt als Innovationstreiber und kontinuierlicher Wachstumsmarkt der additiven Fertigung. Durch eine generative Fertigung können bisher klassisch gegossene oder gefräste Metallteile, aber auch Bauteile aus polymeren Werkstoffen, häufig durch metallische und langlebige 3D-Bauteile substituiert werden. Perspektivisch schätzen Branchenexperten und Chirurgen das Wachstumspotenzial dieser Industrie als sehr hoch ein.

 

Anwendungen und Materialien in der Medizintechnik


Zu den Anwendungen der Medizintechnik zählen u.a. Implantate des Schädels, der Hüfte, der Wirbelsäule, des Fußes, Kniegelenke sowie sonstige Prothesen bedingt durch Frakturen, Deformitäten, degenerative Instabilität, Tumorerkrankungen, etc. Chirurgische Instrumente und medizinische Geräte sind weitere typische Anwendungen des 3D-Metalldrucks genauso wie z.B. Kronen und Brücken, Modellgüsse oder auch Abutments aus dem Bereich der Zahnmedizin.

Zum Einsatz kommen biokompatible Hochleistungswerkstoffe, wie z. B. Titan und Titanlegierungen, daneben Kobalt-Chrom-Legierungen und Edelstähle. An diese unterschiedlichen Werkstoffgruppen werden besondere Anforderungen in Bezug auf Geometrie, Losgrößen (patientenspezifische Unikatfertigung on-demand), Oberflächenstrukturen und Elastizitäten (E-Modul) gestellt. Die Verwendung zertifizierter Originalwerkstoffe, wie sie bisher auch für gegossene oder gefräste Teile eingesetzt werden, ermöglicht es Herstellern sehr schnell, die additive Fertigungsoption auf Basis von Pulverwerkstoffen zu wählen.

 

Individualisierung  und Geometriefreiheit in der Medizintechnik


Die Vorteile der additiven Fertigung in der Medizintechnik zeigen sich insbesondere in der hohen Flexibilität des Fertigungsverfahrens: Mittels des Laserschmelzens können komplexeste Geometrien aufbaut werden, welche die menschliche Knochenstruktur nachahmen und es ermöglichen, ein geringes Gewicht der Bauteile mit hoher mechanischer Belastungsfähigkeit zu vereinen. Möglich sind poröse mikrozelluläre Oberflächen, die ein gutes Verwachsen des Implantats mit der Umgebung ermöglichen und den Heilungsverlauf beschleunigen. Darüber hinaus können die Implantate auf die individuellen Anforderungen zugeschnitten werden, so dass eine optimale Passgenauigkeit erreicht wird. Gleichzeitig kann durch „selektive Dichten“ eine gewünschte Elastizität (E-Modul) in einem Bauteil unterschiedlich ausgelegt werden. Für Implantate des Bewegungsapparates, wie bei Hüftimplantaten erforderlich, kann ein Titanbauteil, ausreichend steif, leicht und elastisch gefertigt werden. Darüber hinaus können Hohlstrukturen und Hinterschnitte gefertigt werden, die es erlauben, dem Produkt zusätzliche Funktionen zukommen zu lassen, wie z.B. Medikamentendepots anzulegen, oder das Bauteil bezogen auf das Gewicht leichter auszulegen. Durch diese Möglichkeiten entstehen teilweise auch ganz neue Produkte und Produktdesigns, die mit den bisherigen konventionellen Fertigungsmethoden nicht zu realisieren waren. Auch die Umsetzung hochkomplexer Lösungen aus der Natur lasen sich mit dem additiven Fertigungsverfahren für die Medizintechnik abbilden. 

 

Kosten- /Zeitersparnisse in der Produktion medizinischer Produkte durch additive Fertigung


Auch in wirtschaftlicher Hinsicht überzeugt das 3D-Druckverfahren in der Medizintechnik gegenüber konventionellen Methoden des Formens und Zerspanens. So können Bauteile in einem Stück bzw. Schuss (one shot) hergestellt werden, die zuvor aus mehreren Teilen zusammengefügt werden mussten. Die Anpassungsmöglichkeiten von Dimensionen und Geometrie, bis Losgröße 1, sorgen für eine maximale Ausrichtung an den Bedürfnissen der Patienten und deren Lebensqualität. Zudem lassen sich mehrere individuelle Teile auf einer Bauplattform herstellen, was letztendlich zu Zeit- und Kostenersparnissen führt. Auch kleine und mittlere Serien können sehr flexibel und hoch wirtschaftlich produziert werden.
Da gegenüber dem Gießen von Metallen keine Vorlaufzeiten und Kosten für die Erstellung und den langfristigen Betrieb von Werkzeugen entstehen zeigen sich die Kostenstruktur und die Verfügbarkeit von Teilen einer werkzeuglosen Fertigung ungleich günstiger. Dies wird auch durch die vollautomatisierte additive Fertigung 24/ Tag möglich. Gegenüber gefrästen Teilen fällt die Abfallreduktion, d.h, weniger Materialeinsatz und geringerer Abfall, für Hersteller ins Gewicht. „Production on demand“ sorgt für eine zeitnahe Verfügbarkeit im OP-Saal.

 

Ressourcenschonende additive Fertigung in der Medizintechnik


LaserCUSING® ist ein ressourcenschonendes Herstellungsverfahren. Hauptargument für die additive Fertigung (Additives Manufacturing) sind, neben einer mannlosen Fertigung (24h/7T-Option) und einem geringerern energetischer Prozessaufwand als bei konventionellen Herstellungsmethoden, ein signifikante Ressourcenschonung des eingesetzten Materials. So kommt beim Laserschmelzen nahezu nur das Material zum Einsatz, welches für den Aufbau des Endproduktes benötigt wird. Insofern ergibt sich, im Vergleich zum Fräsverfahren, ein deutlicher geringerer Materialeinsatz. Auch der Materiallabfall beim 3D-Metalldrucken beschränkt sich dabei, im Vergleich zu zerspanenden Verfahren, auf ein Minimum. Neben der Schonung natürlicher Ressourcen, spielt dieser Aspekt natürlich auch beim Thema Wirtschaftlichkeit eine tragende Rolle.

 

Concept Laser: Kompetenter Partner der Medizintechnik


Funktionsfähige Bauteile mit anspruchsvoller Geometrie und definierten medizinischen Eigenschaften auf Basis zertifizierter Materialien lassen sich mit den leistungsfähigen Laserschmelzanlagen von Concept Laser sehr schnell und kosteneffizient fertigen. Die pulverbettbasierten Anlagen von Concept Laser bieten zudem adäquate Tools für die Qualitätssicherung und -überwachung, die während der Entstehung des Bauteils die validen Daten gleich mitliefern.

Zudem kennzeichnen sich die Maschinen durch den Einsatz qualitativ hochwertigster Komponenten und einem robusten Maschinenbau aus. Sehr viel Wert wird dabei auf die Sicherheit, insbesondere im Umgang mit reaktiven Materialien wie z.B. Titan, und die Bedienerfreundlichkeit der Anlagen gelegt. Neben der Auslegung der Konstruktion nach ATEX-Richtlinien, zeichnen sich die Maschinenlösungen von Concept Laser durch eine räumliche Trennung dem Prozess- und dem Handhabungsbereich aus. Neben dem Faktor der Sicherheit für den Maschinenbediener ermöglicht dies auch ein leichtes Be- und Entladen sowie einen optimalen Zugang zu allen Komponenten in der Maschine.

Das Bauraumspektrum der LaserCUSING®-Anlagen bietet den Herstellern das derzeit umfassendste Anlagenspektrum weltweit. Concept Laser bietet aber weit mehr als nur die notwendigen Materialien und Systeme für die additive Fertigung hinsichtlich der Medizintechnik: Mit einem hohen Marktverständnis und genauer Kenntnis der spezifischen Entwicklungsabläufe arbeitet Concept Laser eng mit einem starken Partnernetzwerk zusammen. Concept Laser berät Partner in der Medizintechnik kompetent und begleitet diese anspruchsvolle Zielgruppe während des gesamten Entwicklungs- und Produktionsprozesses.

 

Generelle Vorteile der additiven Fertigung in der Medizintechnik


Zu den Pluspunkten einer additiven Fertigung in der Medizintechnik zählen generell:

  • Uneingeschränkte Geometriefreiheit bei der Herstellung der Produkte 
  • Patientenspezifische, passgenaue Produktlösungen bis Losgröße 1,
  • Exakte Einstellung von Oberflächenrauheiten oder Gitterstrukturen für schnelles Einwachsen im Gewebe,
  • Exakte Einstellung von gewünschten Elastizitäten (E-Modul),
  • Hohe Biokompatibilität (Titan beispielweise ist auch für Allergiker geeignet),
  • Time-to-market: kürzere Bauzeiten und Verfügbarkeit für den Patienten
  • Herstellung der Bauteile in einem Stück (one shot), d. h. Reduzierung von Montageaufwand und Schwachstellen
  • Kostenersparnis und Ressourcenschonung durch deutlich weniger Abfall wie bei klassischen Zerspanungsmethoden bei geringerem Materialeinsatz zeitnahe, werkzeuglose Fertigung (keine Vorlauf- und Werkzeugkosten für Werkzeuge, wie im Metallguss),
  • Vollautomatische digitalisierte Fertigung 24h/Tag,
  • Insgesamt verbesserte Kostenstruktur und „Economies of scale“.

 

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