Anwendungen der Carbon DLS in der Medizinbranche

Sie interessieren sich für Anwendungen des Carbon 3D-Drucks in der Medizinbranche? Hier finden Sie einen umfassenden Leitfaden darüber, wie Carbon DLS in der Medizintechnik zum Einsatz kommt.
Carbon DLS 3D print

Die Medizintechnik stößt häufig an die Grenzen der modernen Fertigungsmöglichkeiten. Daher sind Spitzentechnologien erforderlich, um lebensverändernde Designs in gebrauchsfertige Produkte umzusetzen. Eine dieser Technologien ist Carbon Digital Light Synthesis (DLS), die die Fertigung von Bauteilen aus technischen Elastomeren ermöglicht, welche den konkurrierende Materialien im Bereich der Stereolithographie (SLA) oder Digital Light Processing (DLP) deutlich überlegen sind. In diesem Artikel werden die Vorteile einer Umstellung auf den Carbon 3D-Druck in der Medizintechnikbranche erläutert.

Was ist Carbon DLS?

Carbon DLS macht sich das CLIP-Verfahren (Continunous Liquid Interface Production) zu Nutze. CLIP besteht aus den folgenden 2 Schritten:

Schritt 1 – Druck

Ähnlich wie beim SLA Druck wird auch bei Carbon DLS ein mit einem flüssigen Polymer gefüllter Behälter und ein Lichtprojektor verwendet, um feste Bauteile herzustellen. Hier enden jedoch bereits die Gemeinsamkeiten, denn Carbon DLS verwendet eine spezielle permeable Membran, die das Harz im Reservoir hält, aber gleichzeitig Sauerstoffmoleküle durchlässt. Dieser Sauerstoff erzeugt zwischen der Flüssigkeit und der Membran eine mikroskopische Grenzschicht, die sogenannte „dead zone“. Diese Schicht verhindert, dass das Harz direkt an dieser Oberfläche aushärtet und sorgt dafür, dass kontinuierlich neues Material in die „dead zone“ nachfließen kann. So erhalten die mit der Carbon DLS Technologie gedruckten Teile ihre einzigartigen isotropen Eigenschaften.

Schritt 2 – Aushärtung

Teile, die aus den modernen angebotenen Materialien hergestellt werden sind nicht vollständig ausgehärtet wenn Sie aus der Maschine kommen. Sie müssen in einem Ofen thermisch ausgehärtet werden, damit sie ihr volles mechanisches Potential entfalten können. Das Erhitzen beschleunigt den Vernetzungsvorgang der Polymerketten und erzeugt so extrem widerstandsfähige und beständige Teile.

View of Carbon DLS particles in the process
Ansicht der Kohlenstoff-DLS-Partikel im Prozess

Carbon DLS Materialien

Um die Vorteile des Carbon 3D-Drucks für die Medizintechnik zu verstehen, muss zunächst der Unterschied zwischen isotropen und anisotropen Materialien deutlich gemacht werden.

Anisotrop

Mit konventionellen 3D-Druck-Verfahren hergestellte Bauteile sind typischerweise anisotrop. Das bedeutet, dass das Werkstück richtungsabhängige mechanische Eigenschaften besitzt. Betrachten wir zum Beispiel ein auf einer FDM-Maschine gedrucktes Werkstück: Das Werkstück wird Schicht für Schicht entlang der Z-Achse aufgetragen. Diese Schichtstruktur erzeugt Schwachstellen an der Schnittstelle zwischen den einzelnen Lagen –  hier können Risse und letztendlich Ausfälle entstehen. Das bedeutet, dass die gefertigten Teile bei einer Belastung entlang der Z-Achse mechanisch schwächer sind im Vergleich mit Belastungen entlang der X- oder Y-Achse.

Anisotropie ist eine suboptimale Materialeigenschaft für die Entwicklung von Bauteilen für die Medizintechnik, da diese Komponenten häufig komplexen Belastungen ausgesetzt sind, die in nahezu beliebige Richtungen auftreten können.

Microscopic comparison of anisotropic and isotropic materials
Mikroskopischer Vergleich von anisotropen und isotropen Materialien. Bildquelle: Carbon 3D

Isotrop

Im Gegensatz dazu besitzen isotrope Materialien gleichmäßige Eigenschaften, die unabhängig von der Richtung der Belastung sind. Ein gutes Beispiel anisotroper Materialien sind Metalle wie Stahl oder Aluminium. Hier sind die mechanischen Eigenschaften normalweise unabhängig davon, in welcher Richtung eine Kraft auf sie wirkt. Diese Materialeigenschaft ist entscheidend für Produkte, die komplexe Belastungen aus unterschiedlichen Richtungen erfahren. Nur sehr wenige 3D-Druckverfahren können isotrope Teile herstellen. Das einzigartige Druckverfahren des Carbon DLS ermöglicht jedoch die Fertigung dieser entscheidenden isotropen Materialien.

Welche Materialien sind verfügbar?

Das Carbon DLS Verfahren ist in der Hinsicht einzigartig, dass es Materialien (Elastomere) mit gummiartiger Festigkeit und Elastizität drucken kann. Ein Auswahl der wichtigsten Materialien finden Sie in der folgenden Liste:

  • UMA 90 (Urethanmethacrylat) – Dieses Material verhält sich ähnlich wie Standard SLA Resin dahingehend, dass es kein thermisches Aushärten in der Nachbearbeitung benötigt.
  • RPU 70 (Starres Polyurethan) – Dieses Material eignet sich aufgrund seiner Festigkeit, Härte und Hitzebeständigkeit für Produktionsteile.
  • FPU 50 (Flexibles Polyurethan) – Diese flexible Variante aus der Gruppe der Polyurethane besitzt eine größere Härte und einen höheren Ermüdungswiderstand. 
  • DLS CE 221 (Cyanatester) – Dieses starre Polymer besitzt eine außergewöhnliche Temperaturbeständigkeit. Außerdem hat es eine hohe Festigkeit und Steifigkeit. 
  • DLS EPX 82 (Epoxy) – Dieses starre Epoxid besitzt exzellente mechanische Eigenschaften und ist ideal für strukturelle Komponenten.
  • SIL 30 (Silikon) – Dieses weiche Silikonurethan besitzt eine beeindruckende Reißfestigkeit und ist biokompatibel bezüglich Anwendungen mit Hautkontakt. 
  • EPU 40 (Elastisches Polyurethan) – Dieses Material ist ideal für die Dämpfung von Vibrationen und Absorption von Stößen.

UMA 90

FPU 50

CE 221 3D printed part

CE 221

Carbon DLS SIL 30

SIL 30

CE 221 3D printed part
Carbon DLS SIL 30

Die oben aufgelisteten Materialien decken ein großes Spektrum an Zähigkeit, Festigkeit, Zugfestigkeit und Abriebfestigkeit ab, so dass nahezu alle Anwendungen von einem oder mehreren dieser Materialien profitieren kann. Alle dieser Eigenschaften sind ideal für medizinische Anwendungen, bei welchen die Teile unter hohen zyklischen Belastungen stehen oder beim Einsatz als Führungen für die OP-Vorbereitung unübertroffene Genauigkeiten liefern. Diese Anwendungen werden nachfolgend genauer aufgelistet.

Carbon 3D Druck in der Medizintechnik

Anwendung #1 – Führungen/Werkzeuge

Mit Carbon DLS lassen sich Bauteile drucken, die Chirurgen bei der Ausrichtung von Bohrern oder anderen chirurgischen Instrumenten unterstützen. Aufgrund der schnellen Produktion und niedrigen Kosten können diese Führungen jeweils an die 3D-Scans oder MRT-Untersuchungen des Patienten angepasst werden, damit jedes Teil genau auf den Körperbau des Patienten zugeschnitten ist. Dies ermöglicht eine Verbesserung der chirurgischen Genauigkeit und verringert so das Risiko.

Anwendung #2 – OP-Vorbereitung

Bei der Vorbereitung komplizierter Operationen analysieren Chirurgen häufig eine Menge Daten wie z.B. MRT oder CT-Scans. Der Moderne Carbon 3D-Druck in der Medizinbranche ermöglicht es Chirurgen seit kurzem, basierend auf diesen Scans, maßstabsgetreue Modelle der Organe eines Patienten zu drucken. Diese Modelle können anschließend bei der Vorbereitung komplizierter chirurgischer Eingriffe eingesetzt werden.

Anwendung #3 – Prothesen

Eine der bekanntesten Anwendungen des Carbon 3D-Drucks in der Medizintechnik ist die Fertigung günstiger Prothesen. Prothesen waren bisher normalerweise sehr teuer, da sie für jeden Patienten speziell angefertigt werden müssen. Mit FDM oder anderen schichtweise druckenden Verfahren gefertigte Prothesen waren in der Regel mechanisch nicht so belastbar wie Prothesen, die mit Gussverfahren herstellt wurden. Mit der Carbon Drucktechnologie können Prothesen nun jedoch aus qualitativ hochwertigen Materialien hergestellt werden, die eine deutlich bessere Festigkeit und Zähigkeit besitzen und so den Nutzen der Prothesen dramatisch verbessern.

Anwendung #4 – Hörgeräte

Hörgeräte sind ein weiteres Beispiel für eine medizinische Technologie, die von der Flexibilität des Carbon DLS Drucks enorm profitiert. Hörgeräte müssen perfekt auf die Form des Hörkanals des Patienten angepasst werden, damit sie effizient funktionieren. Daher ist eine hochaufgelöste Oberfläche notwendig. DLS ist in der Lage extrem genaue gedruckte Teile herzustellen, die bequem in das Ohr des Patienten passen. Außerdem können bequemere Hörgeräte und bequemerer Gehörschutz mit den weicheren Kunststoffen, die nur mit dem Carbon DLS Druckverfahren gedruckt werden können, hergestellt werden.

Anwendung #5 – Prototypen

Die Medizintechnik ist auf einen strengen Forschungs- und Entwicklungszyklus angewiesen. Häufig müssen mehrere Prototypen angefertigt werden, um die Form, den Sitz und die Funktionalität eines Designs zu testen. Mit Carbon DLS können zunächst günstige, weniger spezialisierte Materialien für die Fertigung von Prototypen eingesetzt werden, um anschließend das Material mit minimalem Aufwand zu wechseln und mit dem gleichen Gerät gebrauchsfertige Produkte herzustellen.

Fazit

Mit den Fortschritten und Innovationen in der Medizintechnik wird ebenso fortschrittliches Fertigungsequipment notwendig, um diese Innovationen schnell und günstig auf den Markt bringen zu können, ohne bei der Qualität oder Funktionalität Kompromisse eingehen zu müssen. Wenn Sie mehr darüber erfahren wollen, wie Sie den Carbon 3D-Druck in der Medizintechnik wirkungsvoll einsetzen können, können Sie die Sofortangebot-Plattform von Xometry nutzen, um eine genaue Kostenschätzung für Ihr medizinisches Gerät zu erhalten.

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