3D-Druck Sitzt, passt, wackelt und hat Luft

Autor Kathrin Schäfer

Ob in der Forschung, der industriellen Fertigung oder im Krankenhaus: Der 3D-Druck revolutioniert die Medizintechnik. Denn mit ihm lassen sich Medizinprodukte passgenau fertigen. Welche Chancen bietet der Markt? Und welche Technik ist dafür bereits verfügbar?

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Michael Rönnau, Bereichsleiter Prototypenbau bei Pöppelmann: „Mit Hilfe des 3D-Drucks mache ich aus Ideen realistische Prototypen.“
Michael Rönnau, Bereichsleiter Prototypenbau bei Pöppelmann: „Mit Hilfe des 3D-Drucks mache ich aus Ideen realistische Prototypen.“
(Bild: Pöppelmann)

Es sind häufig Forschungsprojekte, die zeigen, wie viel Potenzial in einer Technologie steckt – und welche Möglichkeiten sie bereits heute eröffnet. So auch beim Thema 3D-Druck. Medizinische Prothesen in einer Kombination aus 3D-Druck und Faserverbund-Technologie herstellen, so lautet beispielsweise der Arbeitsauftrag des BMBF-geförderten Forschungsprojekts Light-Flex. Während der 3D-Druck hier Flexibilität bei der Form und Funktion des Bauteils gewährleistet, sorgt der Faserverbundkunststoff für Stabilität.

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Beispiel Nummer zwei: eine 3D-gedruckte Arzneimittelfabrik neben dem Patientenbett, die nicht größer ist als ein Zwei-Euro-Stück. Ihre Leitungen und Kanäle sind nur wenige hundert Mikrometer groß. Sie mischt verschiedene Medikamente wie Schmerzmittel, Blutverdünner und Antibiotikum – kontinuierlich und exakt abgestimmt auf den aktuellen Gesundheitszustand des Patienten.

3D-Druck eröffnet der Medizin eine Vielzahl neuer Möglichkeiten

Ein Zukunftsszenario moderner Mikroreaktionstechnik, das es heute so in Krankenhäusern noch nicht gibt. Das Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS in Dresden arbeitet jedoch daran, dass sich das in naher Zukunft ändert. Die Forscher haben ein flexibles additives Fertigungsverfahren entwickelt, mit dem sich solche Mikroreaktoren, aber auch Knochenimplantate, Zahnersatz oder chirurgische Werkzeuge in nahezu beliebigem Design herstellen lassen.

Forscher, Ärzte und Ingenieure, sie alle haben an die generative Fertigung immense Erwartungen. Dementsprechend beachtlich ist das Marktpotenzial: Seit 2004 ist der Markt für Additive Manufacturing jährlich um durchschnittlich rund 20 Prozent gewachsen. Die Technologie hat in der Medizintechnik, aber auch in Luft- und Raumfahrt sowie im Turbinenbau Serienreife erreicht.

Für die kommenden Jahre ist sogar ein jährliches Branchenwachstum von mehr als 30 Prozent zu erwarten. Einer der Gründe liegt im technologischen Innovationspotenzial, so das Ergebnis der neuen Studie Additive Manufacturing – Next Generation, für die Experten von Roland Berger vor allem die Technologieentwicklung sowie Innovationsaktivitäten verschiedenster Marktakteure analysiert haben.

„Als vor gut zwei Jahren der Medienhype um den 3D-Druck innerhalb kurzer Zeit abebbte, konnte man den Eindruck haben, dass die Technologie ihren Zenit bereits überschritten hat“, blickt Bernhard Langefeld, Partner von Roland Berger und Experte für Additive Manufacturing, zurück. „Doch das Gegenteil ist der Fall.“

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Die Arbeit in den Entwicklungs-abteilungen wird sich ändern

Vor allem das Thema Software für die Konstruktion von komplexen 3D-Bauteilen wird immer wichtiger. Hierauf reagiert ein Joint Venture, das die SLM Solutions Group AG, ein Anbieter metallbasierter additiver Fertigungstechnologie, die CADS GmbH und die CADS Medical GmbH, Hersteller von Softwarelösungen für den Bereich der 3D-Visualisierung, für die Entwicklung einer Datenvorbereitungssoftware im Bereich der additiven Fertigungstechnologien Anfang dieses Jahres gegründet haben. Henner Schöneborn, Vorstandsmitglied von SLM Solutions im Ressort Corporate Development and Innovation, erklärt: „Wir sehen in einer Software-Eigenentwicklung mittelfristig eine große Chance, um den spezifischen Anforderungen unserer Kunden bereits in der Konstruktionsphase besser gerecht zu werden und additiv zu denken.“

Software – ihr kommt nicht nur in der Konstruktion industrieller Produkte, sondern auch im Krankenhaus selbst eine zentrale Rolle zu. Deshalb hat Materialise eine Software- und Service-Plattform speziell für den 3D-Druck in Kliniken im Portfolio. Die offene Plattform Materialise Mimics Care Suite unterstützt Ärzte in der patientenspezifischen Planung, Vorbereitung und Durchführung von komplexen Eingriffen in Bereichen wie der Orthopädie und der Kardiologie. Die Software fügt sich dabei in die bestehende IT-Infrastruktur von Krankenhäusern ein, vereinfacht die Arbeitsabläufe und ermöglicht eine verbesserte Patientenversorgung.

„Wir sehen ein enormes Potenzial und eine rapide steigende Nachfrage für den 3D-Druck in Krankenhäusern“, erklärt Martin Herzmann, Sales Manager bei Materialise. Professor Dr. Christian Hendrich, Ärztlicher Direktor am Orthopädischen Krankenhaus Schloss Werneck, hat bereits zahlreiche Gelenkersatzoperationen mit Hilfe der 3D-Druck-Technologie von Materialise durchgeführt: „Bei einer patientenspezifischen 3D-gedruckten Prothese kann die Formgebung des Knochens bis ins kleinste Detail nachgearbeitet werden. Dadurch muss weniger vorhandener Knochen entfernt werden, was für die Patienten schonender ist. 3D-Druck eignet sich deshalb insbesondere für extreme anatomische Fälle oder Revisionseingriffe.“

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Rapides Wachstum beim Druck von Hüft- und Knieimplantaten

Ein rapides Wachstum verzeichnet der 3D-Druck auch bei Hüft- und Knieimplantaten: Studien haben gezeigt, dass die Heilung beim Einsatz patientenspezifischer Prothesen schneller erfolgt, die Patienten danach beweglicher sind und die Erfolgsquote bei komplexen Eingriffen höher liegt. Das Marktforschungsunternehmen Gartner prognostiziert deshalb, dass sich 3D-gedruckte künstliche Gelenke in den nächsten zwei bis fünf Jahren in der Hüft- und Knie-Endoprothetik etablieren werden, die derzeit einen Umsatz von 15 Millionen Dollar jährlich macht.

Doch nicht nur bei Implantaten kann der 3D-Druck mit Passgenauigkeit punkten, wie die additiv gefertigte Wadenprothese einer russischen Extremsportlerin beweist: Can-Touch, ein russischer Online-Dienstanbieter für industriellen 3D-Druck, scannte beide Unterschenkel der jungen Frau ein. Hierfür setzte das Unternehmen den handgeführten 3D-Scanner Artec Eva ein. Für das Scannen von organischen Formen und menschlichen Körpern entwickelt, erzeugt Artec Eva in Echtzeit ein hoch aufgelöstes 3D-Modell des Objektes. Im Anschluss an die Erstellung des 3D-Modells des Wadenmuskels wurde eine kosmetische Prothese mit einem 3D-Drucker erzeugt. Dafür setzte Can Touch den beständigen und leichten weißen Kunststoff PA 2200 ein. Aus dem pulverförmigen Grundstoff wurde im Selektiven-Lasersinterverfahren ein 3-dimensionales Objekt erstellt.

So weit die Medizin. Zurück zur Industrie, wo es nicht nur um die Fertigung von Medizinprodukten, sondern auch um die Herstellung der Werkzeuge für diese Medizinprodukte geht. Welche Prozesse in der additiven Metallverarbeitung heute schon industrialisiert und damit zugänglich sind, zeigte die diesjährige Metav in Düsseldorf. Aussteller beziehungsweise Firmen, die hier für die Medizintechnik relevant sind: Concept Laser, SLM Solutions oder Trumpf Laser- und Systemtechnik. Des Weiteren gibt es mittlerweile zahlreiche Hersteller von Hybridmaschinen, die sowohl das Auftragen von Material als auch die spanende Bearbeitung ermöglichen. Dazu gehören das Bielefelder Unternehmen DMG Mori mit seinem vollwertigen 5-Achs-Bearbeitungszentrum Lasertec 3D sowie die japanische Matsuura Machinery mit deutschem Firmensitz in Wiesbaden.

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In Sachen Bearbeitungszeit besteht noch Optimierungsbedarf

In der Medizintechnik, wo der Trend zur personalisierten Medizin kaum aufzuhalten ist, halten 3D-Drucker immer öfter Einzug. Sie werden an ihrer Wirtschaftlichkeit gemessen, und sie müssen die Herausforderung Bearbeitungszeit meistern. So ist das noch eher langsame Druckverfahren häufig nicht wirtschaftlich, insbesondere bei größeren Teilen, deren Produktion mitunter 100 Stunden oder mehr dauert. Besser kann das schon der Delta-Tower Big-Foot L2016 Simultan, vertrieben durch Picco’s 3D World, bei dem die Druckzeit halbiert wurde, allerdings erst ab Losgröße 2: Der 3D-Drucker verfügt über zwei Extruder, die parallel geführt werden und so in einem Durchgang zwei gleiche Bauteile gleichzeitig herstellen. Gedruckt wird im Fused-Deposition-Modeling-Verfahren (FDM) nach dreidimensionalen Vorlagen im STL-Format.

Produktivitätssteigerung ist auch der Anspruch eines neuen 3D-Druckers der Firma 3D Systems, der unter anderem für anspruchsvolle Medizintechnik-Anwendungen konzipiert ist. Der Metall-3D-Drucker Pro-X DMP 320 verspricht hohe Präzision bei hohem Durchsatz. Die Baureihe wurde für die Verarbeitung von Titan, Edelstahl oder Nickelsuperlegierungen optimiert.

Eine Firma, die 2015 den Innovationspreis der Medtec Europe in Stuttgart gewonnen hat und 3D-Drucksysteme für Desktopanwendungen anbietet, ist Formlabs. Nicht Metall, sondern Kunstharz verarbeitet der Form 1+ beziehungsweise sein Nachfolgemodell Form 2, dessen Besonderheit darin besteht, dass er sehr kompakt ist und problemlos auf jeden Schreibtisch passt. Eingesetzt wird er von Medizintechnikfirmen und Ärzten, um Prototypen im Stereolithografieverfahren herzustellen.

Im April hat die Firma Formlabs jetzt ihr erstes biokompatibles Kunstharz für den Desktop-3D-Druck auf den Markt gebracht. Dental SG ist ein zertifiziertes biokompatibles Material der Klasse 1, das für Anwendungen im Bereich chirurgischer Dentalschablonen entwickelt wurde. Es soll der digitalen Zahnmedizin neue Möglichkeiten eröffnen wie zum Beispiel: hochpräzise, auf digitalen Scandaten basierende Bohrschablonen für die Implantatchirurgie. Zahntechnische Fachkräfte sollen in die Lage versetzt werden, 3D-Modelle schnell und kostengünstig direkt in gedruckte Bohrschablonen umsetzen. Gerade in der Zahntechnik hat der 3D-Druck in den letzten Jahren an Bedeutung gewonnen, sei es für die chirurgische Planung und Praxis oder die Erstellung von Modellen für Anschauungs- und Lehrzwecke beziehungsweise die Fertigung von Zahnspangen und -schienen.

Ein weiterer Anbieter von 3D-Druckern, der bereits seit Langem die Medizintechnik beliefert und bei zahlreichen Medizintechnik-Unternehmen im Einsatz ist, ist Stratasys. Auf der diesjährigen Hannover Messe hat Stratasys seinen neuen 3D-Drucker J750 erstmals der breiten Öffentlichkeit vorgestellt. Er verarbeitet in einem einzigen Druckvorgang bis zu sechs unterschiedliche Materialien und kombiniert diese mit einem Farbspektrum aus 360.000 Tönen. Konzipiert ist dieser Drucker für Produktentwickler, Ingenieure, fertigende Betriebe und Serviceunternehmen. Dazu gehören beispielsweise Universitäten und Ausbildungsstätten, Medizintechnikanbieter, Krankenhäuser oder medizinische Forschungseinrichtungen.

Was die verwendeten Materialien angeht, so wird deutlich. Die Bandbreite reicht von Metallen über Kunststoffe mittlerweile bis hin zu Keramik: Für letztere hatdie Detmolder Firma Steinbach auf der Rapidtech in Erfurt ein neues Herstellungsverfahren mit technischer Keramik präsentiert. Im LCM-Herstellungsverfahren baut ein Hochleistungsdrucker aus einer Keramikpulver-Monomer-Suspension anhand der CAD-Daten einen Grünkörper Schicht für Schicht auf. Anschließend wird der Grünkörper einer thermischen Behandlung bis 1.600 °C unterzogen.

Das Ergebnis sind Produkte, die durch glatte und glänzende Oberflächen, Säure- und Hitzebeständigkeit, Lebensmittel-Echtheit und Biokompatibilität überzeugen, darunter zum Beispiel Messer, Pinzetten und Skalpelle.

Apropos Rapidtech: Die Kongressmesse in Erfurt hat die Medizin- und Zahntechnik als Anwender- und Abnehmerbranche für 3D-Druck schon lange im Blick. 2016 hat sie die Themen Prozess- und Qualitätskontrolle, Zulassung sowie Risikomanagement stärker in den Fokus gerückt. „In den letzten Jahren haben sich die verschiedenen Verfahren des industriellen 3D-Drucks für die Herstellung von Implantaten durchgesetzt. Jetzt werden zunehmend Themen wie Risikomanagement, Prozess- und Qualitätskontrolle diskutiert“, berichtet Ralf Schumacher, Leiter Labor Medical Additive Manufacturing an der FH Nordwestschweiz und auf der Rapidtech verantwortlich für das Fachforum Medizintechnik.

Nach Metav und Hannover Messe ist die Rapidtech nicht die einzige Veranstaltung, die sich in diesem Jahr mit additiver Fertigung beschäftigt – wohl aber eine derjenigen, die sich des Themas am intensivsten und ausführlichsten annimmt. Für die Medizin hat dies der 1. Internationale 3D-Print Kongress in der Medizin in Mainz geleistet. Seine These: Bereits heute kommt der 3D-Druck in nahezu allen medizinischen Disziplinen zur Anwendung, in denen es darum geht, verloren gegangenes Gewebe durch Transplantate zu ersetzen. So setzen Orthopäden, Mund-Kiefer-Gesichtschirurgen, Gefäßchirurgen, Augenärzte, Urologen, Dermatologen und Hals-Nasen-Ohren-Ärzte auf 3D-Implantate.

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Besonders bei den Gelenkprothesen gewinnt AM an Bedeutung

Während die Studie von Roland Berger über das Marktpotenzial des 3D-Drucks allgemein Auskunft gibt, liefert eine Studie der Unternehmensberatung A.T. Kearney die Zahlen für den Medizinischen Bereich. Konkret prognostiziert sie bis 2020 eine Zuwachsrate von 20 bis 25 Prozent. Besonders bei den Gelenkprothesen, das heißt Hüft-, Schulter-, Knie- und Kiefergelenk, gewinnt die Herstellung individualisierter Transplantate an Bedeutung.

Für Medizintechnikunternehmen, die die (Prototypen-)Fertigung ihrer Produkte heute vielfach outsourcen, stellt sich damit die Frage: Welche Dienstleister stehen für additive Fertigungsverfahren zur Verfügung?

Einige repräsentative Beispiele seien hier genannt: Die Popp Group etwa konstruiert häufig Prototypen für medizintechnische Geräte. Während das Endprodukt im Spritzgussverfahren gefertigt werden wird, erfolgt das Prototyping mit Hilfe eines 3D-Druckers von German Rep-Rap. „Erst wenn sicher ist, dass keine Anpassungen mehr nötig sind, wird ein teures Spritzgusswerkzeug erstellt“, erläutert der Projektverantwortliche Rene Schneider die Vorteile.

Die Firma Proto Labs, Anbieter von Digital Manufacturing Services für schnelles Prototyping sowie Vor- und Kleinserien, stellt neben der Stereolithographie die industriellen 3D-Druckverfahren Direktes Metall-Lasersintern und selektives Lasersintern zur Verfügung. Mithilfe von 3D-Druck, CNC-Bearbeitung und Spritzguss können Projekte von der Prototypenherstellung bis hin zum Bridge-Tooling und zur Kleinserienproduktion vollständig umgesetzt werden.

Pöppelmann aus Lohne entwickelt und produziert technische Funktionsteile und Verpackungen für die Medizintechnik. „Am Anfang hat der Kunde eine Idee und die möchte er natürlich schnell in Serie herausbringen“, sagt Michael Rönnau, Bereichsleiter Prototypenbau bei Pöppelmann. „Ich mache aus dieser Idee mit Hilfe der CAD-Daten und dem 3D-Druck einen realistischen Prototyp.“

Ob also Metall, Kunststoff oder Keramik, ob Prototyp oder Kleinserie, ob Kieferchirurgie oder Orthopädie, ob Werkzeug für die Fertigung, Implantat oder medizinisches Modell – der 3D-Druck ist eine echte technische Revolution. Weder Formen- und Prototypenbauer noch Medizintechnikunternehmen, Ärzte oder Patienten kommen langfristig an der Technologie vorbei. Sie beschleunigt die Entwicklung und Fertigung und generiert dabei noch bessere Werkzeuge und Medizinprodukte. ks

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