Der 3D-Druck (auch bekannt als additive Fertigung) wird heute in zahlreichen Anwendungen und in vielen Industrie- und Verbraucherbereichen eingesetzt. Dieses Verfahren hat sich von einer kleinen, innovativen Technik zum Drucken von Kunststoffteilen zu einer der vielseitigsten Fertigungsmethoden entwickelt. Einfache Anwendungen lassen sich zwar nach wie vor auch von Privatpersonen mit kleinen Druckern herstellen, aber die Entwicklung hat einen riesigen Sprung gemacht. Heutzutage werden 3D-gedruckte Teile auf kommerzieller Ebene in einer Reihe von High-Tech-Bereichen eingesetzt, darunter auch in Flugzeugtriebwerken.

Doch wie sieht die Nutzung dieser Technologie im medizinischen Bereich aus? Die Medizintechnik ist stark reguliert. Teile, Komponenten und Geräte müssen medizinische Standards erfüllen. Zudem müssen viele Prozesse, Materialien und Produkte zertifiziert werden, bevor sie in einem klinischen Umfeld eingesetzt werden dürfen. Doch obwohl der 3D-Druck medizinischer Teile eine relativ neue Entwicklung ist, werden viele der im 3D-Druckverfahren hergestellten medizinischen Geräte bereits erfolgreich im klinischen Umfeld für individualisierte Medizintechnik eingesetzt, bei der ein bestimmtes Teil oder Gerät an den Patienten angepasst werden muss.

Auswahl eines 3D-Druckverfahrens für Medizintechnik

Es gibt mehrere 3D-Druckverfahren, die sich je nach Art des zu druckenden medizinischen Geräts und der verwendeten Materialien unterscheiden. Einige 3D-Druckverfahren eignen sich speziell für den Druck von Polymerteilen, während andere ausschließlich für Metallteile geeignet sind. Es gibt aber auch Verfahren, die beide Materialien drucken können. Dabei haben die Verfahren jeweils unterschiedliche Vor- und Nachteile, je nachdem, was gedruckt werden soll.

In manchen Fällen sind die Kosten für das Material und für das Verfahren ausschlaggebend für eine Entscheidung. In anderen Fällen kommt es darauf an, wie gut sich mit dem jeweiligen Verfahren bestimmte Geometrien oder Eigenschaften des gedruckten Objektes realisieren lassen. Auch die letztendliche Leistungsfähigkeit des gedruckten Teils selbst und die Frage, welches Verfahren die besten Eigenschaften und das beste Oberflächenfinish bietet, spielen eine Rolle. Jedes Verfahren bietet hierbei eigene Vorteile, mit denen die Mediziner eines oder mehrere dieser Kriterien erfüllen können.

Je nach dem gewünschten medizinischen Gerät, dem verwendeten Drucker und den verwendeten Ausgangsmaterialien können weitere Aspekte die Entscheidung beeinflussen. Dazu gehören die Kosten sowie Probleme, die durch eine schlechte Oberflächenqualität, schlechte mechanische Eigenschaften (z. B. Porosität und schlechte Mikrostruktur bei Verwendung der falschen Technik) oder einen geringen Durchsatz entstehen. Es gibt jedoch mehrere Spezialverfahren, sodass viele dieser Faktoren vermieden werden können, wenn das Verfahren gewählt wird, das die größten Vorteile und die beste Oberfläche mit dem geringsten Aufwand bietet.

Welche Verfahren werden eingesetzt? Es gibt einige weniger verbreitete Verfahren wie Stereolithographie und Fused Filament Fabrication (FFF). Doch die drei gängigsten Verfahren, bei denen die größten kommerziellen Entwicklungen und die meisten praktischen Anwendungsbereiche erwartet werden, sind folgende:

• Laser-Strahlschmelzen (Laser Powder Bed Fusion, LPBF)
• Freistrahl-Bindemittelauftrag (Binder Jetting)
• Elektronenstrahlschmelzen (Electron Beam Melting, EBM)

Beim Laser-Strahlschmelzen (LPBF) handelt es sich um ein laserbasiertes Verfahren, das in der Regel mit Polymeren eingesetzt wird, aber auch zunehmend mit Metallen und Metalllegierungen sowie mit keramischen Werkstoffen verwendet wird.

Der Freistrahl-Bindemittelauftrag ist ein Verfahren mit beheizten Düsen, das sich gut für Polymere eignet. Dieses Verfahren wurde in letzter Zeit auch auf Metalle und Keramiken ausgeweitet. Es bietet zwar den höchsten Durchsatz von allen Verfahren, aber die Eigenschaften und die Qualität des fertigen Teils sind manchmal nicht so gut wie bei anderen Verfahren. Die Entscheidung über den Einsatz des Binder-Jet-Verfahrens hängt also in der Regel von den Kosten im Vergleich zur Leistung für das vorgesehene medizinische Gerät ab und davon, ob die besondere Oberfläche und/oder die Eigenschaften für das Gerät in Anbetracht der Kosten wirklich einen Vorteil darstellen.

Beim Elektronenstrahlschmelzen (EBM) wird das Pulver mithilfe eines Elektronenstrahls geschmolzen und zu einem Teil verschmolzen. Es wird in der Regel bei Metallen eingesetzt, da es von allen Verfahren die besten Oberflächen- und Materialeigenschaften liefert. Daher ist das Elektronenstrahlschmelzen häufig das bevorzugte Verfahren bei Metallen und Metalllegierungen, insbesondere bei Hochtemperaturlegierungen, auch wenn die anderen Verfahren ebenfalls für Metalle geeignet sind. Medizinische Geräte aus Metalllegierungen sind in der Regel für den Langzeitgebrauch bestimmt und müssen verschleißfest sein. Aus diesem Grund steht bei diesen medizinischen Geräten oft die Leistung im Vordergrund und nicht die Kosten.

Fazit

Der 3D-Druck ist in vielen Industrie- und Verbraucherbereichen auf dem Vormarsch und gewinnt auch in der Medizintechnik immer mehr an Bedeutung. Mit unterschiedlichen 3D-Druckverfahren lassen sich heute medizinische Geräte aus Polymeren, Keramiken und Metallen herstellen, die individuell für die jeweiligen Bedürfnisse eines Patienten angefertigt werden. Für den 3D-Druck von Medizinprodukten eignen sich unter anderem die Verfahren Laser-Strahlschmelzen, der Freistrahl-Bindemittelauftrag und das Elektronenstrahlschmelzen. Jedes dieser Verfahren bietet Vor- und Nachteile, weshalb Mediziner oft mehrere Faktoren gegeneinander abwägen müssen, wenn sie ein medizinisches Gerät mithilfe des 3D-Drucks für einen Patienten anfertigen, darunter beispielsweise:

• die erforderlichen Eigenschaften und die Oberflächenbeschaffenheit für die medizinischen Anforderungen des Patienten
• die Leistungsfähigkeit des 3D-Druckverfahrens zur Herstellung einer bestimmten Geometrie oder bestimmter Merkmale mit einem bestimmten Material
• die Gesamtkosten für die Herstellung des Geräts