Additive Fertigung Magnesium goes 3D-Druck - medizin&technik - Ingenieurwissen für die Medizintechnik

Additive Fertigung

Magnesium goes 3D-Druck

Dieses Implantat (Scaffold) verfügt über eine definierte Porenstruktur aus einer biodegradierbaren Magnesiumlegierung (WE43). Die Abmessungen sind 10x10x7,5 mm3 bei etwa 400 μm Strebendicke (Bild: Fraunhofer ILT)
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Additive Fertigung | Das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT entwickelt aktuell eine Prozesstechnik für das Selektive Laserstrahlschmelzen (Laser Beam Melting, LBM) mit Magnesiumlegierungen für resorbierbare Implantate.

Fachjournalistin in Böblingen

In den nächsten fünf Jahren wird es mehr Implantate aus resorbierbaren Werkstoffen geben, die auch aus dem 3D-Drucker kommen“, ist sich Lucas Jauer vom Fraunhofer ILT sicher. Das Institut in Aachen entwickelt Prozesstechnik für additive Fertigungsverfahren wie Selektives Lasersintern (SLS) und LBM. Neu beim LBM-Verfahren ist das Einbeziehen resorbierbarer Magnesiumlegierungen in die Forschungsarbeiten.
„Mit den beiden Verfahren sind bioresorbierbare Implantate erstmals patientenspezifisch und passgenau mit sehr großer Geometriefreiheit herstellbar“, so Jauer. Ein Beispiel für ein solches Sonderimplantat ist ein Jochbein. Ausgangsmaterial dafür ist ein pulverförmiger Verbundwerkstoff aus dem bioresorbierbaren Polymer PLA und der Keramik Beta-Tricalciumphosphat. Der Aufbau erfolgt schichtweise, indem ein fokussierter Laserstrahl selektiv über die Pulveroberfläche bewegt wird und dabei die Polymer-Komponente des Pulvermaterials aufschmilzt. „Knochenersatz, individuelle Platten mit Bohrungen, aber auch Gelenkersatz für Hüfte und Knie sind damit denkbar“, so Jauer.
Da der Trend derzeit zu resorbierbaren Implantaten auf Basis von Magnesiumlegierungen geht, adaptiert das Fraunhofer ILT die Verfahren derzeit auf diese neuen Werkstoffe.
„Der Prozess muss dabei jeweils auf den speziellen Werkstoff zugeschnitten werden“, erklärt Jauer. Das heißt, er und seine Kollegen passen Parameter wie zum Beispiel Laserleistung, Verfahrgeschwindigkeit, Belichtungsstrategie oder Spurabstand (wie eng sind zwei Laserbahnen nebeneinander) an den Werkstoff an. Zum Teil werden aufgrund der Versuche Veränderungen an der Anlagentechnik vorgenommen.
Prozesstechnik wird angepasst
Für Magnesiumlegierungen wurde zum Beispiel in Kooperation mit dem ILT-Spin-off Aconity3D eine neue Prozesskammer mit einer optimierten Schutzgasführung entwickelt, um der starken Rauchentwicklung Herr zu werden. Während man am Fraunhofer ILT weiter neue Materialien und Prozesse erforscht, ist die Ausrüstung für das LBM von Magnesiumlegierungen bei Aconity3D bereits erhältlich.
Steht dieser Prozess, geht es anschließend um die Effizienz und Robustheit des Fertigungsprozesses einschließlich Inline-und nachgeschalteter Kontrolle. „Wir sehen uns manchmal als Schnittstelle zwischen Werkstoffhersteller und Anlagenhersteller, indem wir die LBM-Prozessführung optimal auf Werkstoff und Anlagentechnik abstimmen und bei der Standardisierung des Prozesses unterstützen“, so Jauer.
Kompakte Implantate auf Basis von Magnesiumwerkstoffen werden bereits eingesetzt, man verspricht sich aber weitere Vorteile von Implantaten mit Porenstruktur. Die Idee hierbei ist, dass neue Knochensubstanz in das Implantat einwächst und gleichzeitig die Metallstruktur vom Körper resorbiert wird. Für solche Implantate aus Magnesiumlegierungen wurde am Fraunhofer ILT ein LBM-Prozess entwickelt, bei dem nicht nur die Form des Implantats, sondern auch die Porengröße genau gewählt werden kann. Die Biokompatibilität entsprechender Prototypen wurde in vitro bereits nachgewiesen.
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