Die 3D-Revolution der Produktherstellung

Die additiv-generative Fertigung, auch 3D-Druck genannt, ist ein extrem wirtschaftlicher Herstellungsprozess, der innovative funktionsangepasste Produkte hervorbringt. Dresdner Forscher nähern sich auf verschiedenen Wegen dieser Schlüsseltechnologie.

Ein Zahnimplantat aus dem 3D-Drucker? Das künstliche Kniegelenk im additiv-generativen Fertigungsverfahren hergestellt? Nichts ist unmöglich. Der 3D-Druck in all seinen Facetten offenbart diverse Möglichkeiten, Bauteile für verschiedenste Einsatzgebiete wie etwa in der Medizin oder in der Luft- und Raumfahrt zu optimieren. Das Bündnis „Agent-3D – Additiv-generative Fertigung“ agiert als ein Vorreiter der 3D-Revolution in der Produktherstellung. Das vom Dresdner Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) koordinierte Bündnis aus Wissenschaft und Industrie gehört zu den Zwanzig20-Konsortien, die seit 2013 vom Bundesforschungsministerium gefördert werden.

3D-gedruckte Bauteile für die Kieferorthopädie

Die patientenspezifischen Instrumente mit individualisierten knochenanliegenden Komponenten zum Spreizen des Unterkiefers wurden im 3D-Druck gefertigt.

Fraunhofer IWS

Insgesamt wurden und werden vom Agent-3D-Konsortium 36 Projekte umgesetzt oder befinden sich in der Endphase. Die Forschungs- und Entwicklungsthemen reichen von neuen Werkzeugen Technologien und Materialien über den Aufbau industrienaher Prozessketten bis zur Herstellung innovativer Produkte. Im Mittelpunkt stehen Druckverfahren sowie laser- und elektronenstrahlunterstützte Fertigungsverfahren.

Anwendungen in Chirurgie und Weltraum

Das Technologievorhaben „MultiBeAM“ zeigt beispielhaft, wie sich auch in etablierten Wertschöpfungsketten Anwendungsfelder für die neue Schlüsseltechnologie erschließen lassen; am sinnvollsten dort, wo es Probleme mit bislang eingesetzten Materialien gibt – etwa in der Brennkammer eines Flugzeugtriebwerkes. Dort herrschen sehr große Temperaturdifferenzen, die zu Materialermüdung führen. In der additiv-generativen Fertigung wird ein Materialverbund erzeugt, der den hohen thermischen Spannungen gewachsen ist und die Lebensdauer der Bauteile verlängert. Das MultiBeAM-Bündnis hat mit dem Aufbau einer digitalen industrienahen Prozesskette deutschlandweit einen technologischen Vorsprung: Mehrere Materialien sollen in einem Prozess in einer Maschine gemischt werden.

Kommt es Flugzeug- und Autoherstellern unter anderem auf hitzebeständige Materialstrukturen an, so braucht die optische Industrie leichtgewichtige und hochpräzise Metall-Keramik-Komposite etwa für Weltraumanwendungen; konkret für Spiegelhalter an Beobachtungssatelliten. Für Instrumente in der minimalinvasiven Chirurgie wiederum ist die Kombination von Härte und Dehnbarkeit, von elektrischer wie thermischer Leitfähigkeit gefragt. Da Greifer, Endoskope oder elektrische Kontakte formstabil und sterilisierbar sein müssen, haben sich auch hier Mischmaterialien aus Metall und Keramik als vorteilhaft erwiesen. Auch Zahnimplantate können unter Einsatz von UV-Lasern als 3D-Objekte hergestellt werden. Die mit Keramikpulver hochgefüllten Kunststoffe sind dem echten Zahn in Struktur und Farbgebung täuschend ähnlich.

Knie-Endoprothese

Die Komponente einer Knie-Endoprothese wurde der additiv-generativ hergestellt.

FIT AG

Schlüsseltechnologie für personalisierte Medizin

Etliche Agent-3D-Projekte machen deutlich: In der personalisierten Medizin ist die additive Fertigung eine Schlüsseltechnologie. Gerade im Dentalbereich und auf dem Gebiet der Kieferorthopädie werden hohe Anforderungen an die mechanische sowie thermische Beständigkeit und Belastbarkeit, nicht zuletzt an die Bioverträglichkeit der hybriden Bauteile gestellt. Das „MikroDent“-Projekt entwickelt eine Prozesskette zur additiv-generativen Herstellung von Kunststoff-Metall-Hybridbauteilen etwa für festsitzende Zahnspangen (Brackets).

Das „MediSlice“-Projekt erforscht das Laser-Strahlschmelzen als additives Fertigungsverfahren zur Herstellung zellularer Strukturen insbesondere für die Integration von Implantaten in einen Knochen. Die Möglichkeit, Hohlraumgeometrien herzustellen, verbessert das Einwachsen.

Das Technologievorhaben „EXPERTEB“ hat das Design und die Fertigung von Endoprothesen mittels Elektronenstrahlschmelzen im Blick. Basierend auf computergestützten und intelligenten Verfahren lässt sich das dem Knochen des Patienten angepasste Individual-Implantat schnell wie auch preiswert herstellen und in die klinische Routine integrieren. 

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