Wie ein Unternehmen den Fortschritt im 3D-Druck hart vorantreibt

„Wir haben die Zeit seit der letzten Rapid.Tech 3D genutzt, um viele Wünsche unserer Kunden noch direkter umzusetzen und damit den Fortschritt weiter voranzutreiben. Prozesse verbessern und stabilisieren, in Ruhe Neues ausprobieren und an vielen kleinen Stellschrauben drehen, um einerseits die Qualität der etablierten Verfahren wie Selektives Lasersintern SLS (PBF-LB/P), Stereolithografie und Laserschmelzen (PBF-LB/M) zu erhöhen und andererseits unseren Kunden einen noch ‚reibungsloseren‘ Service bieten zu können“, beschreibt Firmengründer Carl Fruth die aktuellen Entwicklungen und fügt schmunzelnd hinzu: „Aber wir wären nicht die FIT, wenn wir nicht auch wieder an neuen Verfahren getüftelt hätten.“

Die Medizintechnik, insbesondere die Implantologie, ist sicherlich eine der Anwendungen, für die die additive Fertigung wie geschaffen ist. Die Geometriefreiheit kommt der Forderung nach Anpassung an die patientenspezifische Anatomie ideal entgegen und die schnelle Verfügbarkeit durch werkzeuglose Fertigung ist ein weiterer wichtiger Pluspunkt in der Humanmedizin.

Ein Schwerpunkt der Forschung, an der das FIT gemeinsam mit der Ostbayerischen Technischen Hochschule Regensburg und dem Universitätsklinikum Regensburg arbeitet, ist die Entwicklung neuartiger Stents. Diese reichen von Aortenstents mit bis zu 4 cm Durchmesser bis hin zu feinsten Koronarstents mit Wandstärken im µ-Bereich. „Die Herausforderung lautet: Wie kann man Koronarstents so fein und stabil bauen, dass sie sich z.B. durch Crimpen mehrfach plastisch verformen lassen, nach der Expansion aber formstabil im Gefäß verbleiben? Das erfordert eine veränderte Stentgeometrie, die wir am FIT mit dem Micro-SLM realisieren können“, erläutert Carl Fruth den Forschungsansatz.

Micro-SLM basiert auf dem Laserschmelzverfahren (PBF-LB/M), für das eine Laserschmelzanlage mit speziell modifizierter Optik für die Entwicklung feiner Koronarstents optimiert wurde. Damit werden nun neu entwickelte Designs aus chirurgischem Edelstahl 316L als Basis für weitere experimentelle und biologische Tests mit dem Ziel der medizinischen Zulassung hergestellt.

Die Anwendungsfälle für Schaumteile sind vielfältig, der Bedarf enorm. Doch 3D-Druck mit Schaum ist nicht möglich. Was liegt also näher, als sich genau dieser Herausforderung zu stellen? Mit dem leistungsfähigen Maschinenpark von FIT ist die Kombination von 3D-Druck und Schäumen gelungen: Am Beispiel einer klassischen Armlehne werden die Vorteile eines eng verzahnten Hybridverfahrens demonstriert.

Im SLS-Verfahren wird ein Rohling als Kern der Armlehne aus PA12 mit speziellen Innenstrukturen hergestellt. Parallel dazu wird im neuartigen, harzbasierten MSLA-Verfahren eine Einwegform als formgebende Außenschale hergestellt.

Bei MSLA, dem Masken-Stereolithographie-Verfahren, wird die Druckplatte von oben in das Harzbecken eingehängt und von unten durch LCD-Displays mit UV-Strahlen belichtet, die die Lichtdurchlässigkeit schichtweise wie eine Schattenmaske verändern. An den belichteten Stellen polymerisiert das Harz. Mit jeder Harzschicht wird die Bauplattform angehoben, so dass die fertigen Teile kontinuierlich nach oben aus dem Harzbad gezogen werden. Da die gesamte Schicht auf einmal belichtet wird, muss die Querschnittsfläche nicht mit einem einzelnen Laserpunkt abgefahren werden, was höhere Druckgeschwindigkeiten als bei der Stereolithographie ermöglicht.

Für die Armlehne wird der passgenaue SLS-Kern in die MSLA-Form eingelegt und der entstandene Hohlraum mit PU-Schaum ausgefüllt. Nach dem Aushärten des Schaums wird die sehr spröde Einwegform durch einen einfachen Quetschvorgang entfernt. Die geometrische Freiheit des Rohlings ermöglicht einerseits eine stabile Verbindung des geschäumten Kissens mit dem Kern, dient aber gleichzeitig als Angusskanal, um das flüssige Material schnell an schwer zugängliche Stellen zu transportieren.

„Diese Verfahrenskombination hat gegenüber dem Spritzgießen klare Vorteile: Zum einen den Faktor Zeit. Da die Fertigung werkzeuglos erfolgt, kann deutlich schneller und damit kostengünstiger produziert werden. Zum anderen der Faktor Qualität. Gegenüber dem Spritzguss hat Mold 1 Flex den Vorteil rundum sauberer Oberflächen ohne Angüsse und Grate“, erläutert Carl Fruth die Vorteile des Hybridverfahrens. Individuelle Beschriftungen und Tracking-Codes lassen sich mit der 3D-gedruckten Einwegform problemlos auf jedes Bauteil aufbringen, die Einschränkungen des Spritzgießens durch Hinterschneidungen und Sacklöcher entfallen.

„Und der Gewinner ist ... der Kunde! Möchte man beim Anblick dieser Trophäe verkünden“, freut sich Carl Fruth über ein kühn geschwungenes Freiformteil, das scheinbar aus Kupfer besteht. Tatsächlich handelt es sich um eine organisch inspirierte Kunststoffskulptur mit vielen filigranen Details, die zu Demonstrationszwecken mit Kupfer galvanisiert wurde.

Metal Coating ist eine clevere Fertigungsalternative, um kostengünstigen Kunststoffteilen echte Metalleigenschaften zu verleihen: Neben einer ansprechenden Metallästhetik sind dies u.a. Dichtigkeit, EMV-Abschirmung, thermische und elektrische Leitfähigkeit, Gewichtseinsparung sowie eine deutlich erhöhte Steifigkeit und Zugfestigkeit. Dazu werden Metallschichten von 10 my bis 1.000 my aus Nickel, Kupfer oder einer Kombination davon auf ein Substrat aufgebracht. Die einfachste Anwendung ist die Herstellung eines einfachen Blech- oder Gussteilersatzes. Durch die werkzeuglose Fertigung rechnet sich Metal Coating bereits ab Stückzahl 1, wie bei der abstrakten Skulptur auf dem Messestand. Die Kosten für die Stereolithographie mit anschließendem Metal Coating liegen um 80 % unter denen der Vollmetallausführung im Laserschmelzverfahren.