Ant on green Chessboard - Bild: Protolabs

Ant on green Chessboard: Microfine Green mit seiner mikrofeinen Auflösung im Vergleich mit einer Ameise - Bild: Protolabs

Ganz gleich ob in der Schwermetallindustrie oder beim Bau von Düsentriebwerken: Einzelteile aus industriellen 3D-Druckern kommen mittlerweile in Einsatzgebieten zur Anwendung, die gar nichts mehr mit den konturlosen Anfängen der eigentlichen Technologie zu tun haben. Dementsprechend ist es auch kein Wunder, dass die additive Fertigung – von der Prototypenfertigung über einzelne Ersatzteile bis hin zu Kleinserien – konventionelle Produktionsverfahren zunehmend verdrängt.

Einer der Wirtschaftszweige für den die Additive Fertigung in Zukunft noch weiter an Interesse gewinnen wird, ist die Herstellung von medizinischen Geräten, Anwendungen und Forschungsobjekten. Dies liegt vor allem an der breiten Streuung von möglichen Einsatzgebieten, der immer vielfältigeren Auswahl an Materialien und nicht zuletzt der neuen innovativen Methoden.

Microfine Green: Schichtdicke von 0,025 mm erreichbar

Wenn es um neue Materialen für die additive Fertigung geht, dann hat nicht zuletzt ein Material in letzter Zeit im Fokus der Industrie gestanden: MicroFine Green. Das Material, das seinen Namen der leuchtend grünen Farbe verdankt, in der die daraus hergestellten Produkte schlussendlich erstrahlen, findet seine Anwendung in einer Nische, für die der 3D-Druck bislang nicht über die Maßen bekannt war. Seine Stärken spielt MicroFine Green nämlich dann aus, wenn es um mikroskopische Strukturen geht, die mit dem bloßen Auge kaum noch wahrnehmbar sind.

Besonders interessant ist hierbei, wie detailliert die Möglichkeiten des Drucks sind. Mit dem neuen Material lassen sich Strukturen fertigen, die in ihren Abmessungen so winzig sind, dass daneben eine handelsübliche Ameise gigantisch wirkt. Handwerklich handelt es sich bei der Herstellung von Teilen mit MikroFine Green auch um ein Verfahren der Additiven Fertigung, bei dem allerdings im Unterschied zu anderen Anwendungen eine Schichtdicke von 0,025 mm dünnen Schichten erreicht werden kann. Eine Schicht ist damit in etwa so hoch, wie ein besonders feines Haar dick ist. Durch diese geringe Größe lässt sich im Umkehrschluss eine extrem hohe Teilegenauigkeit erreichen, bei der einzelne Merkmale nur 0,07 mm klein sein können.

Die hohe Teilegenauigkeit und die besonders mikroskopischen Strukturen stellen dabei allerdings nur eine Dimension der Vorteile dar, die das Material mit sich bringt. Auch die physikalischen Eigenschaften, die das grüne Material auszeichnen, überzeugen durch die vielfältigen Anwendungsbereiche. So ähnelt das Material in seinen Eigenschaften – vor allem bei der Steifigkeit – ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol) und eignet sich dadurch für Anwendungen in der Medizin ebenso wie in der Unterhaltungsindustrie.

3D-Druck: Materialbehandlung mit UV-Laser

Green micro res parts on pencil - Bild: Protolabs
Green micro res parts on pencil: Microfine Green mit seiner mikrofeinen Auflösung im Vergleich mit einem Bleistiftradiergummi - Bild: Protolabs

Beim Stichwort 3D-Druck denken die meisten Anwender nach wie vor an die schichtweise Auftragung von Material auf eine Platte, bei der sich nach und nach aus einem langen Materialschlauch ein erhabenes Muster und schlussendlich ein fertiges Werkstück ergibt. Dieses Verfahren ist im semiprofessionellen 3D-Druck nach wie vor gebräuchlich, allerdings hat sich durch die rasante technologische Entwicklung auch hier eine differenzierte Palette an verschiedenen Fertigungsverfahren ergeben.

So wird bei modernen Verfahren weitestgehend darauf verzichtet, das Material aus einem sogenannten Extruder aufzutragen. Stattdessen konzentriert man sich darauf, das Material an der Stelle zu verfestigen, an der es benötigt wird.

Besonders anschaulich lässt sich dieses Prinzip am direkten Metall-Laser-Sintern (DMLS) erklären. Durch dieses Verfahren lassen sich komplexeste Strukturen aus Metallen fertigen. Mittels eines Lasers wird das Metallpulver, das sich auf der Arbeitsfläche befindet, zum Schmelzen und so in die gewünschte Form gebracht. Im nächsten Schritt wird die Arbeitsfläche um einen exakt definierten Abstand abgelassen und eine neue Schicht Metallpulver aufgetragen. Der Vorgang beginnt dann von Neuem. Dies geschieht so lange bis zum Schluss das gewünschte Werkstück in einer Wanne aus nicht geschmolzenem Metallpulver liegt. Nachdem dieses entsprechend abgetragen wurde, kommt die Struktur zum Vorschein.

Ganz ähnliche Verfahren werden auch zur Bearbeitung von MicroFine Green eingesetzt. Nachdem es sich hier aber nicht um ein Metall handelt, sondern in der Ursprungsform ein eher flüssiges Material vorliegt, dass am ehesten an Honig erinnert, wird zur Bearbeitung ein UV-Laser angewandt. Im Stereolithographie-Verfahren wird dieser genutzt, um die Ausgangsstoffe – flüssige Duroplastische Harze – auszuhärten und so zu einer stabilen nachhaltigen Konstruktion zu führen. Auch hier wird schichtweise das Material mit dem UV-Laser behandelt und am Grundprinzip der additiven Fertigung ändert sich nichts. Im Nachgang zur Fertigstellung des Rohdrucks wird in einem Reinigungsprozess zunächst überschüssiges Duroplastisches Harz entfernt. Hierbei werden die Teile von Supportstrukturen, die bei der additiven Fertigung zur Herstellung von komplexen Strukturen nötig sind, befreit. Durch eine weitere Behandlung unter UV-Licht härtet das Baustück dann schlussendlich aus und erlangt seine endgültigen physischen Eigenschaften. Eine Oberflächenbehandlung rundet den Prozess ab.

3D-Druck mit Microfine Green: Ungeahnte Anwendungsmöglichkeiten

Nicht nur bezogen auf den neuen Werkstoff und neue Herstellungsmethoden sind im medizinischen Spektrum vielfältige Anwendungsmöglichkeiten denkbar. Bereits heute werden Einzelteile, wie Knochenimplantate mittels DMLS gefertigt. Sie sind in der Medizin gefragt und werden aufgrund ihrer einfachen Verfügbarkeit und ihres Prototypencharakters (ein Schädelknochenimplantat ist zwangsweise ein Unikat) gerne verwendet.

Durch MicroFine Green und dessen Vorteile, ergeben sich allerdings ganz neue Anwendungsgebiete, die für die Medizin entscheidend sind. Da sich mit dem Material auch kleinste Strukturen genau drucken und realisieren lassen, ist das Spektrum an Anwendungsgebieten um ein Vielfaches größer als bei den aktuellen Fällen, die beispielhaft für die Additive Fertigung in der Medizin sind. Von mikroskopischen Einzelteilen für Herzschrittmacher über miniaturisierte Katheter und minimalinvasive Werkzeuge bis hin zu Flüssigkeits- oder Gasinjektoren für medizinische Anwendungen lassen sich eine Vielzahl an Projekten realisieren, die bislang nicht möglich gewesen sind. Praktisch alles, bei dem es auf eine geringe Größe ankommt ist mit MicroFine Green nun schneller, einfacher und kostengünstiger möglich. Hinzu kommt, dass sich das Material auch für erste Prototypisierungen eignet, um Funktionsweisen neuer medizinischer Anwendungen zu testen, bevor Investitionen in andere Materialen getätigt werden müssen.