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Expertenbeitrag

 Stefan Leonhardt

Stefan Leonhardt

CEO, Kumovis GmbH

Medizintechnik Medizinische Thermoplaste effizient additiv fertigen – ein Überblick

Redakteur: Stefan Guggenberger

Thermoplastische Werkstoffe spielen in der Medizintechnik schon lange eine signifikante Rolle. Kein Wunder also, dass additive Verfahren für die Verarbeitung von Thermoplasten wie PEEK weiterentwickelt wurden – und der Medizin somit völlig neue Möglichkeiten eröffnet.

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Medizinische Thermoplaste werden beispielsweise für die Herstellung von Implantaten benutzt.
Medizinische Thermoplaste werden beispielsweise für die Herstellung von Implantaten benutzt.
(Bild: kumovis)

Um gedruckte Medizinprodukte an den Patienten zu bringen, ist ein optimales Zusammenspiel des Materials und der Maschine unabdingbar. Doch welche Technologien sind bereits etabliert? Und wie verhalten sich die erhältlichen Werkstoffe bei der Verarbeitung. Um deren potentielle Einsatzgebiete zu ergründen, sind industriespezifische Grundvoraussetzungen zu erfüllen. Für den Einsatz in der Medizintechnik ist unter anderem nötig, dass die Werkstoffe – ob in Pulver- oder Filamentform – im Rahmen eines Qualitätsmanagementsystems nach DIN EN ISO 13485 hergestellt werden.

SLS nur bedingt geeignet für PEEK-Verarbeitung

Pulverbasierte Verfahren wie das selektive Lasersintern (SLS) arbeiten zu mehr als 90 Prozent mit Polyamiden. Potentielle Einsatzmöglichkeiten sind hier beispielsweise individualisierte Schnittschablonen für Chirurgen. Deren Verwendung kann Operationszeiten verkürzen und letztlich die Qualität der Patientenversorgung erhöhen. Problematisch bei der Herstellung solcher Medizinprodukte ist die Entfernung anhaftenden Restpulvers, weshalb geeignete Nachbearbeitungsverfahren eingesetzt werden müssen.

SLS ermöglicht auch die Verarbeitung des Hochleistungskunststoffes Polyetheretherketon (PEEK), der bereits für die Verwendung als Implantatwerkstoff zugelassen ist. PEEK kommt unter anderem für Wirbelsäulen- oder kraniomaxillofaziale (CMF) Implantate zum Einsatz. Letztere sind solche, die für die Gesichts- und Kieferchirurgie gebraucht werden. Ein Nachteil der Verarbeitung von PEEK mittels SLS ist die prozessbedingte Veränderung der mechanischen Eigenschaften. Die bekannte Duktilität, also die des Werkstoffs geht verloren und die Bauteile werden spröde. Bei höheren Belastungen kann es vorkommen, dass Produkte zerspringen.

Mit FLM mechanische Eigenschaften erhalten

Neben den pulverbasierten Verfahren hat auch das Fused Layer Modeling (FLM) beziehungsweise Fused Deposition Modeling die Prozessstabilität erreicht, die für die Herstellung von Medizinprodukten geeignet ist. Grundsätzlich ist die FLM-Technologie vor allem in der Anschaffungs- sowie den Betriebskosten günstiger als die SLS-Technologie einzustufen. Qualitativ hochwertige Anlange die sich für die Produktion in der Medizintechnik eignen, sind bereits unter 100.000 € erwerbbar. Weiterhin fällt das aufwendige Pulverhandling bei diesem Verfahren weg, was die Anwendung bedienfreundlicher macht, und beispielsweise auch die Verwendung direkt in einem Krankenhaus erlaubt. So können unter anderem in Anwendungsgebieten wie der Modellerstellung für Operationen, der Herstellung von Schnittschablonen bis hin zur Fertigung von Implantaten gute Ergebnisse erzielt werden. Gleichzeitig müssen jedoch Limitationen hinsichtlich der Oberflächenqualität hingenommen werden. In der Regel können hier nicht die gleichen Qualitäten und Auflösungen wie bei pulverbasierten Verfahren erreicht werden, die mechanischen Eigenschaften bleiben aber vor allem bei Hochleistungskunststoffen größtenteils erhalten. Auch die große Materialauswahl an Werkstoffen, die für die Medizintechnik geeignet und bereits zugelassen ist, spricht hier für FLM als Verfahren der Wahl. Um die Oberflächenqualität noch besser zu gestalten, haben sich ausgefeilte Nachbearbeitungsverfahren bewährt.

Neben Hochleistungskunststoffen für den Knochenersatz gibt es auch noch andere additiv fertigbare Werkstoffe: Polysulfone wie PPSU, die im CMF-Bereich Einsatz finden, sind hier zu nennen. Zudem sind Werkstoffe wie Polyetherimide (PEI) in medizinischer Qualität verfügbar. Sie werden wie für Schnittschablonen oder die Herstellung individualisierter chirurgischer Instrumente eingesetzt. Auch Kunststoffe wie Polyethylene sind mittlerweile für das FLM-Verfahren in medizinischer Qualität auf dem Markt.

Material und Verfahren weiterentwickeln

Eine besondere Klasse, die kurz vor der Markteinführung steht, sind degradierbare Werkstoffe, also solche, die sich über die Zeit im Körper abbauen. Je nach Zusammensetzung können die Abbauraten zwischen einigen Wochen bis hin zu einigen Jahren variieren. Da die Werkstoffe während der Verarbeitung im FLM-Prozess nur geringe thermische Schäden davontragen, eignet dieser sich besonders gut für die Herstellung von Medizinprodukten aus dieser Klasse von Werkstoffen.

Additive Fertigungsverfahren entwickeln sich schneller denn je – und mit ihnen auch die Materialien, die in medizinischer Qualität verarbeitet werden können. Bei diesen Produkten werden so nicht nur neue Geometrien, sondern auch Funktionen möglich, die dem medizinischen Betrieb Ressourcen und Patienten letzten Endes Schmerzen (er)sparen.

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