Additive Fertigung in der Medizintechnik: Anwendungspotentiale des metallischen Laser-Strahlschmelzens (LPBF)

(1)

ADDITIVE FERTIGUNG IN DER MEDIZINTECHNIK:

ANWENDUNGSPOTENTIALE DES METALLISCHEN LASER- STRAHLSCHMELZENS (LPBF)

11.05.2021 // Felix Gebhardt

Source(s): Forschungsprojekt „Aneurysms“; BostonScientific

(2)

AGENDA

01 02 03

04 Zusammenfassung

Wer? Das Fraunhofer IWU im Profil

Was? Additive Fertigung erklärt – Fokus LPBF

Wofür? MedTech: Potentiale + Anwendungen

(3)

AGENDA

01 02 03

04 Zusammenfassung

Wer? Das Fraunhofer IWU im Profil

Was? Additive Fertigung erklärt – Fokus LPBF

Wofür? MedTech: Potentiale + Anwendungen

(4)

Das Fraunhofer IWU im Profil

Forschung unter dem Leitthema »Ressourceneffiziente Produktion«

 Gründung am 1. Juli 1991

 Aktuell ca. 690 MitarbeiterInnen

 Ca. 45 Mio. Euro Forschungsvolumen

 Standorte: Chemnitz (Hauptsitz), Dresden, Zittau, Wolfsburg, Leipzig

 3 Wissenschaftsbereiche:

Prozesstechnologie Produktionssysteme und

Fabrikautomatisierung

Funktions- und Systemintegration

(5)

Chemnitz Dresden

Zittau Wolfsburg

Leipzig

Das Fraunhofer IWU im Profil Forschungsstandorte

Chemnitz

 74 Institute und Forschungseinrichtungen an Standorten in ganz Deutschland

Stellenbosch University (South Africa)

since 2006 University of Naples

Federico II (Italy) since 2010

Leipzig Dresden

Zittau

Wolfsburg

(6)

Das Fraunhofer IWU im Profil Organisationsstruktur

Wissenschaftsbereich Funktions- und Systemintegration

Prof. Dr.-Ing. W.-G. Drossel

Mechatronik Additive

Fertigungstechnik Fügen

Leichtbau- und

Textiltechnologien

Adaptronik Drahtbasierte Additive

Verfahren Thermisches Fügen STEX

Medizintechnik Laser Powder

Bed Fusion Mechanisches Fügen Funktionsintegrierter Leichtbau

Projekthaus smart³

Angewandte

Kunststoff-

technologien

Technische Akustik

(7)

Werkstoffe

Geometrische Funktionalisierung

Pulveranalytik (REM-Aufnahme)

Parametrisch skalierbare Wärmeübertrager

Auswertung Parameterstudie

Filigrane Strukturen (NiTi) mit minimierten Strukturquerschnitten

Das Fraunhofer IWU im Profil

LPBF Forschungsschwerpunkte

(8)

Verfahrenskombinationen & hybride Fertigung Funktionsintegration

Aggregateträger (Druckguss) mit additiv gefertigten (LPBF) Einlegern

Sensorintegriertes Presshärt- werkzeug (konturnaher

Temperatursensor)

Das Fraunhofer IWU im Profil

LPBF Forschungsschwerpunkte

(9)

Concept Laser M2 Cusing

 250x250x250 mm³

 400 W

 100 µm Fokus

Trumpf TruPrint 1000

 D100x100 mm³

 200 W

 55 µm Fokus Realizer SLM 100

 D125x60 mm³

 100 W

 200 °C

Plattformheizung

 Integrierter

Roboterarm z.B.

für

Multimaterial- dispensen

 D140x150 mm³

 400 W

 80 µm Fokus

 800 °C

Plattformheizung

Aconity3D Aconity Mini

Source(s): Concept Laser/ GE; Trumpf; Realizer/ DMG Mori; Aconity

DMG Mori Lasertec 12 SLM

 125x125x200 mm³

 400 W

 35 µm Fokus

 D300x400 mm³

 3x500 W

 100 – 500 µm Fokus

 500 °C

Plattformheizung

Trumpf TruPrint 5000

Das Fraunhofer IWU im Profil

LPBF Anlagenpark

(10)

Das Fraunhofer IWU im Profil Werkstoffe

Titan

- Ti6Al4V - Reintitan

Sonderwerkstoffe - NdFeB

- NiTi

Aluminium - AlSi10Mg - AlSi12 - AlSi12x Nickel-Basis

- Inconel 718 - Hastelloy X

Stahlwerkstoffe - 1.2709

- 16MnCr5

- 20MnCr5

- 1.2764

- 42CrMo4

- 1.2343

- 17-4PH

- 316L

- Corrax®

(11)

AGENDA

01 02 03

04 Zusammenfassung

Wer? Das Fraunhofer IWU im Profil

Was? Additive Fertigung erklärt – Fokus LPBF

Wofür? MedTech: Potentiale + Anwendungen

(12)

Additive Fertigung erklärt – Fokus LPBF Marktentwicklung

Source(s): Wohlers Associates; Grand View Research

 1,34 Mrd. $ Globaler AM*-Markt im Gesundheitswesen (2020)

 21,8 % geschätztes jährliches Durchschnittswachstum

* Additive Manufacturing

(13)

Additive Fertigung erklärt – Fokus LPBF Übersicht additiver Verfahren

Source(s): 3D Hubs

(14)

Additive Fertigung erklärt – Fokus LPBF Übersicht additiver Verfahren (Metall)

Source(s): AM-Power

> 18 verschiedene AM-Technologien (Metall)

(15)

CAD Position + Support

Slicing

LPBF Post-Processing

Finished Part

Additive Fertigung erklärt – Fokus LPBF

Prozesskette

(16)

Additive Fertigung erklärt – Fokus LPBF

Funktionsweise LPBF

(17)

Additive Fertigung erklärt – Fokus LPBF Individualisierung am Beispiel Stent

Source(s): Forschungsprojekt „Aneurysms“

(18)

Additive Fertigung erklärt – Fokus LPBF Sensor-/ Aktorintegration

NiTi-Aktor LPBF-Bauteil

Stoffschlüssige Verbindung

 RFID

 Thermoelemente

 Drahtlose Sensor-/

Aktorsysteme

 Magnete

 …

(19)

cost-effective

Conventional manufacturing

LPBF

Co st per part

Complexity

Source(s): W. Meiners

Co st per part

Quantity

Conventional manufacturing

LPBF

cost-effective

Additive Fertigung erklärt – Fokus LPBF

Filigrane Strukturen

(20)

Ti 6 Al 4 V AlSi 10 Mg

200 µm

NiTi Konventionelle Belichtung Angepas s te Belichtung

Additive Fertigung erklärt – Fokus LPBF Filigrane Strukturen

Source(s): Forschungsprojekte „GIHSL“ und „ProgMat“

(21)

Konventionelle Belichtung Angepas s te Belichtung

Additive Fertigung erklärt – Fokus LPBF Zellulare Strukturen

Source(s): Forschungsprojekte „FunGeoS“ und „MediSlice“

(22)

150 µm

Additive Fertigung erklärt – Fokus LPBF Filigrane Strukturen

Source(s): Forschungsprojekte „Aneurysms“, „GIHSL“ und „ProgMat“

(23)

 Funktionseigenschaften

 Superelastizität

 Formgedächtniseffekt (Ein-/ Zweiweg)

 Biokompatibilität

 Etablierter Werkstoff in der Medizintechnik

 z.B. Stents

x Schwierige, kostenintensive Verarbeitung mittels konventioneller Verfahren

x Limitierte Geometriefreiheit der fertigbaren Bauteile/ Halbzeuge

Source(s): Boston Scientific; Mwangi et al.: https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2019.01.003

Additive Fertigung erklärt – Fokus LPBF

Verarbeitung von NiTi

(24)

Influence of process parameters and scanning strategy

CT-image (2D-cut)

 Variation of strut diameter (d) via energy input and vector length (adaptive scanning)

 Pronounced tailoring of strut diameter possible irrespective of focal spot (d << 200 µm)

100 µm

20 µm

Additive Fertigung erklärt – Fokus LPBF Verarbeitung von NiTi

Source(s): Forschungsprojekt „ProgMat“

(25)

I. as-built

I. II. III. IV. V.

II. Gleitschleifen mit Glasperlen

III. Mikro-Strahlen mit CO ₂

IV. Mikrostrahlen mit Glasperlen

V. Plasmapolieren

Additive Fertigung erklärt – Fokus LPBF Verarbeitung von NiTi

Source(s): Forschungsprojekt „ProgMat“

(26)

AGENDA

01 02 03

04 Zusammenfassung

Wer? Das Fraunhofer IWU im Profil

Was? Additive Fertigung erklärt – Fokus LPBF

Wofür? MedTech: Potentiale + Anwendungen

(27)

MedTech: Potentiale + Anwendungen Beispiele (Kunststoff)

Source(s): Schiner 3D Repro; Phoenix Children’s Hospital; Next 3D; Invisalign; 3D Systems; Kumovis

Modell einer Hirnbasis (präoperative Planung)

Modell eines Kinderherzens (Patientenaufklärung)

Schnittschablone für CMF-OP (intraoperativ)

PEEK-Schädel-Implantat Notfall-Beatmungsgerät

Formenherstellung für Aligner

(28)

MedTech: Potentiale + Anwendungen Beispiele (Metall)

Source(s): Renishaw; CSIRO; Trumpf; Stryker; Lima Corporate; Plenum

Strykers Tritanium PL Posterior Lumbar

Cage (Serienfertigung mittels LPBF) Plenums Dentalimplantate

(Serienproduktion mittels LPBF) Lima Corporates Hüftimplantate

(Serienproduktion mittels EBM)

CMF-Implantate (Use Case von Trumpf) Brustbein-/ Rippenimplantat (Use Case

von Renishaw)

Arterielle Stents aus NiTi (CSIRO

Forschungsprojekt)

(29)

Hüftimplantat mit Formgedächtnis- Aktoren (NiTi)

MUGETO

^®

- Hüftimplantat mit funktionalen Gitter- und makroporösen Strukturen sowie

Kanälen und Kavitäten

Patientenspezifisches Orbita- Implantat

(Produkt im Markt)

Wundspreizer mit Sensorik zur Messung

der Sauerstoffsättigung im Gewebe Patientenspezifisches Schädel-Implantat

MedTech: Potentiale + Anwendungen Beispiele (IWU)

Hüftimplantat mit eingebetteter und drahtlos funktionierender

Aktorik für gezielte Schwingungsanregung

Schwingungsanregung bei 2,135 Hz

(30)

1D Barcode, Pharmacode [456]

2D UDI Barcode, Datamatrix [658942]

 Wirbelstrom

 CT-Scan

 Ultraschall

Source(s): Forschungsprojekt „FutureAM“; Shutterstock; IconBros

MedTech: Potentiale + Anwendungen

Beispiele (IWU)

(31)

 Individuelle Vorrichtung zur stereotaktischen Hirnbiopsie bei Hunden

MedTech: Potentiale + Anwendungen Beispiele (IWU)

Source(s): Forschungsprojekt „Gehirnbiopsie, Entwicklung eines Systems zur Durchführung von Gehirnbiopsien für die Human- und die Veterinärmedizin“

(32)

 Kombination von Metall + Keramik für individualisierte Implantatanwendungen

 Reintitan Grade 2 (LPBF)

 ATZ Keramik (LCM)

MedTech: Potentiale + Anwendungen Beispiele (IWU)

Source(s): Forschungsprojekt „HybrAM“; Lithoz; Nedopil et al.: Kinematische Knieendoprothetik

Lithography-based Ceramic Manufacturing (LCM)

+

(33)

MedTech: Potentiale + Anwendungen Beispiele (IWU)

 Optimierung der Herstellbarkeit zellularer Strukturen

 Besseres Einwachsverhalten

 Verzicht auf z.B. CaP-Beschichtung

Source(s): Forschungsprojekte „FunGeoS“ und „MediSlice“

(34)

MedTech: Potentiale + Anwendungen Beispiele (IWU)

Source(s): Forschungsprojekt „Aneurysms“

 Individualisierte Stents zur Behandlung von Hirnaneurysmen

 Werkstoff: NiTi

(35)

AGENDA

01 02 03

04 Zusammenfassung

Wer? Das Fraunhofer IWU im Profil

Was? Additive Fertigung erklärt – Fokus LPBF

Wofür? MedTech: Potentiale + Anwendungen

(36)

Zusammenfassung

 Hohes Potential für additive Fertigungsverfahren in der Medizintechnik

 Implantate, Instrumente, Modelle, Schablonen,…

 Mehrwert durch Individualisierung, Funktionalisierung und Schnelligkeit

 Point-of-Care Herstellung

 Prozessautomatisierung (Software/ Hardware)  höhere Stückzahlen

 Neue Werkstoffe (Formgedächtnislegierungen, bioresorbierbare Werkstoffe, Hochleistungspolymere,…)

 Wirtschaftlichkeit ist stark anwendungsabhängig

Source(s): Shutterstock

 Genaue regulatorische Anforderungen (MDR bzw. MDD, ISO 13485, ISO 10993,…) teils noch im Entstehen

(37)

Vielen Dank für Ihre Zeit und Aufmerksamkeit.

(38)

Felix Gebhardt

Dipl.-Ing. (FH)

Abteilung Laser Powder Bed Fusion

Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU Nöthnitzer Straße 44 | 01187 Dresden | Deutschland

Telefon +49 351 4772 2164

felix.gebhardt@iwu.fraunhofer.de www.iwu.fraunhofer.de

Source(s): IconBros