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LOSGRÖSSE 1 IM SINNE DES PATIENTEN

Prof. Jürgen Fleischer und Jörg Dittus realisieren mit ARBURG die additive Fertigung von faserverstärkten Kunststoffen mit Endlosfasern. Die neue Produktionstechnik könnte in Zukunft die Maßanfertigung von Prothesen erleichtern.



Die ersten Versuche, fehlende Körperteile durch körperfremde Komponenten zu ersetzen und so die Funktionalität zu erhalten, machten bereits die Etrusker in der Antike. Sie fixierten verlorengegangene Zähne mit Golddrähten, um störende Zahnlücken zu überbrücken. Viel komplexere und funktionellere Prothesen und Implantate sind dank der voranschreitenden Entwicklung in der Medizintechnik heute keine Seltenheit mehr: Sie ersetzen Körperteile, beispielsweise durch Beinprothesen, oder übernehmen eigenständig lebenswichtige Funktionen innerhalb des Körpers, wie etwa Herzklappenimplantate.

Stahl und Titan sind bis dato das Material der Wahl, wenn es um die Belastbarkeit und Biokompatibilität der künstlichen Ersatzkomponenten geht. Bedingt durch die Forderung nach einer wirtschaftlichen Fertigung werden metallische Prothesen meist in großen Stückzahlen in einer massenkompatiblen Geometrie produziert. Sonderanfertigungen sind mit erheblichen Mehrkosten verbunden.

Mit einer richtungsweisenden additiven Fertigungstechnik für faserverstärkte Kunststoffe (FVK) schaffen die Forscher Prof. Jürgen Fleischer und Jörg Dittus vom wbk Institut für Produktionstechnik des KIT mit Unterstützung der Spezialisten des Maschinenbauers ARBURG GmbH + Co KG die besten Voraussetzungen für maßgefertigte, medizinische Prothesen und Medizinprodukte aus druckbaren Faserverbundwerkstoffen.

„Additiv gefertigte Kunststoffe mit Faserverstärkung bringen durch ihre Materialeigenschaften Vorteile in der Flexibilität und Individualisierung. Wir erreichen im Vergleich zu Metallbauteilen eine hohe gewichtsspezifische Festigkeit und Performance“, erklärt Dittus, der im Rahmen seiner Promotion an der additiven Fertigung von Faserverbundbauteilen für den Leichtbau forscht. Auf der Grundlage des geschützten Verfahrens ARBURG Kunststoff-Freiformen (AKF) und einer speziell entwickelten Fadenzuführeinheit für die Verstärkungsfaser ist es den Projektpartnern im ARBURG Innovation Center am KIT gelungen, FVK-Teile aus Kunststoff mit sogenannten Endlosfasern, beispielsweise aus Glas oder Kohlenstoff, additiv herzustellen – sozusagen den 3D-Druck für faserverstärkte Kunststoffteile.

„Die Endlosfasern werden mithilfe einer Fadenzuführeinheit direkt beim schichtweisen Auftragen des Kunststoffs in das Bauteil implementiert. Bisher gibt es eine industrietaugliche Prozessierung nur für Kurzfasern“, so Dittus. „Die additive Fertigung mit Endlosfasern ist ein wenig bespieltes Feld. Wir haben das prozesstechnische Know-how aufgebaut und in die Prototypenentwicklung einfließen lassen.“ Der Prototyp der Fadenzuführeinheit wurde in den „freeformer“, das additive Fertigungssystem von ARBURG, integriert und durchläuft aktuell eine Testphase zur Prozesssicherheit. Mit dem starken Partner ARBURG und der Anwendungsbreite des AKF-Verfahrens stehen zahlreiche Kunststoffe und Spezialkunststoffe, insbesondere für die Medizintechnik, bereits als Standardgranulat zur Verfügung.

Die additive Fertigung spielt ihre Vorteile vor allem aus, wenn Komponenten individuell in Einzelanfertigung oder Kleinserie profitabel angefertigt werden sollen. „Wir sehen großes Potenzial im Bereich der Medizintechnik. Hier ist das Ziel, genau eine maßgefertigte und robuste Prothese in Losgröße 1 herzustellen, die optimal an den Patienten angepasst ist“, konkretisiert Prof. Fleischer. Mit FVK seien feste Funktionsbauteile herstellbar, aus denen hochbelastbare Prothesen mit geringem Gewicht gefertigt werden könnten. Davon würden aber nicht nur die Medizintechnikhersteller profitieren, sondern vor allem die Patienten: Passgenaue Prothesen erhöhen den Tragekomfort und sichern eine einwandfreie Funktionalität.

Martin Neff, Abteilungsleiter für Kunststoff-Freiformen bei ARBURG berichtet: „Wir haben einige Kunden, die im Spritzgießen faserverstärkte Materialen einsetzen und mit der additiven Fertigung einen Mehrwert bieten wollen. Denn diese ersetzt nicht etablierte subtraktive oder Spritzgießverfahren, sondern ist eine sinnvolle Ergänzung dazu.“ Ob das Verfahren zukünftig in Werkstätten den Prototypentest für Prothesen erleichtert oder sogar verkaufsfähige Prothesen für den Patienten gefertigt werden, wird sich in Zukunft zeigen.

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Bilder: Apple‘s Eyes Studio / Shutterstock, bearbeitet von DER PUNKT · Patrick Langer / KIT

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