Wie Carbon DLS die Medizintechnik-Fertigung revolutioniert

Die technologischen Anforderungen der Medizinalbranche treiben kontinuierlich die Entwicklung von Medizintechnik und modernen Fertigungsfähigkeiten voran. Immer fortschrittlichere Technologien werden eingesetzt, um lebensverändernde Designs in marktreife Produkte zu überführen. Eine dieser Technologien ist Carbon Digital Light Synthesis (DLS) – ein 3D-Druckverfahren, das die Produktion von Teilen aus technischen Elastomeren ermöglicht, die konkurrierende Materialien im Stereolithografie- (SLA) oder Digital Light Processing- (DLP) Bereich weit übertreffen. Dieser Artikel erläutert die Vorteile des Umstiegs auf Carbon 3D-Druck in der Medizintechnik.

Was ist Carbon DLS?

Carbon DLS nutzt den CLIP-Prozess (Continuous Liquid Interface Production), der aus zwei Schritten besteht:

Schritt 1 – Drucken

Carbon DLS-Druck ähnelt SLA: Beide nutzen ein Harzreservoir und ein Lichtprojektionssystem zur Erzeugung fester Teile. Hier enden die Gemeinsamkeiten. Bei Carbon DLS kommt ein permeables Sieb zum Einsatz, das Sauerstoffmoleküle passieren lässt, das flüssige Polymer jedoch im Vat hält. Der Sauerstoff bildet eine mikroskopische Grenzschicht zwischen Sieb und Flüssigkeitsoberfläche – die sogenannte „Dead Zone“. Diese Sauerstoffschicht verhindert, dass das Harz direkt am Sieb aushärtet, ermöglicht kontinuierlichen Harznachfluss in die Dead Zone und verleiht den mit Carbon DLS gedruckten Teilen ihre bekannten isotropen Eigenschaften.

Schritt 2 – Nachhärtung (Curing)

Nach Abschluss des Formgebungsprozesses sind Teile aus bestimmten High-End-Materialien nicht vollständig ausgehärtet. Diese benötigen eine thermische Nachhärtung im Ofen, um ihre vollen mechanischen Eigenschaften zu entfalten. Die Hitze beschleunigt die Vernetzung der Polymerketten, was extrem zähe und widerstandsfähige Teile erzeugt.

Carbon DLS Materialien

Um die Vorteile von Carbon DLS 3D-Druck in der Medizintechnik zu verstehen, muss der Unterschied zwischen Anisotropie und Isotropie geklärt werden.

Anisotropie

Anisotrope Teile/Materialien weisen in verschiedenen Ebenen unterschiedliche mechanische Eigenschaften auf. 3D-gedruckte Teile sind aufgrund ihres schichtweisen Aufbaus typischerweise anisotrop. Beispiel: Ein FDM-Teil, das durch Stapeln von Schichten in der Z-Achse entsteht. Die Grenzflächen zwischen aufeinanderfolgenden Schichten sind Schwachstellen, an denen Risse entstehen und Versagen eintreten kann, wenn das Teil in Z-Richtung belastet wird. In X- und Y-Richtung fehlen diese Schwachstellen – Belastung hier verursacht keine Probleme. Das Teil ist also in Z-Richtung mechanisch schwächer als in X- und Y-Richtung. Anisotropie eignet sich nicht für Medizintechnik-Teile, die in komplexen Anwendungen mit Belastung aus beliebiger Richtung eingesetzt werden.

Isotropie

Isotrope Teile/Materialien besitzen in alle Richtungen identische Eigenschaften – unabhängig von Belastungsrichtung und gemessener Eigenschaft. Dieses Verhalten ist kritisch für Produkte mit komplexer mehrrichtungsweiser Belastung. Wenige 3D-Druckverfahren können isotrope Teile erzeugen. Die einzigartige Technologie hinter Carbon DLS macht es zu einem der sehr wenigen Verfahren, die isotrope Teile produzieren können.

Verfügbare Materialien

Carbon DLS kann elastomere Materialien mit gummiartiger Festigkeit und Zähigkeit drucken. Eine Auswahl:

• Urethane Methacrylate (UMA 90) – Ähnelt Standard-SLA-Harz, benötigt keine thermische Nachhärtung.
• Rigid Polyurethane (RPU 70) – Durch Zähigkeit, Festigkeit und Hitzebeständigkeit ideal für Serienteile.
• Flexible Polyurethane (FPU 50) – Flexible Variante der Polyurethan-Reihe, bietet zusätzliche Ermüdungsfestigkeit und Zähigkeit.
• Cyanate Ester (DLS CE 221) – Steifes Polymer mit hervorragender Hochtemperaturbeständigkeit, hoher Festigkeit und Steifigkeit.
• Epoxy (DLS EPX 82) – Steifes Epoxid mit hervorragenden mechanischen Eigenschaften, geeignet für strukturelle Komponenten.
• Silicone (SIL 30) – Weiches Silikon-Urethan, begehrt in der Medizintechnik durch Biokompatibilität und gute Reißfestigkeit.
• Elastomeric Polyurethane (EPU 40) – Geeignet für Stoßdämpfung und Vibrationsisolation.

Diese Materialien decken ein breites Spektrum an Zugfestigkeit, Zähigkeit, Ermüdungsfestigkeit, Abriebfestigkeit und weiteren wünschenswerten Eigenschaften ab. Für jede Anwendung finden sich passende Optionen. All diese Eigenschaften sind für medizinische Anwendungen wertvoll, bei denen Teile hohen zyklischen Belastungen ausgesetzt sind oder als chirurgische Hilfsmittel/Prüflehren hohe Genauigkeit erfordern.

Anwendungen von Carbon DLS 3D-Druck in der Medizintechnik

Anwendung #1 – Führungen/Werkzeuge

Carbon DLS kann Teile drucken, die Chirurgen bei der präzisen Positionierung von Bohrern und anderen chirurgischen Instrumenten unterstützen. Die hohe Geschwindigkeit und der niedrige Kosten dieses Verfahrens ermöglichen patientenspezifische Führungen basierend auf MRT- oder 3D-Scans. Jedes Teil wird exakt an die Anatomie des Patienten angepasst – was chirurgische Präzision verbessert und Risiken senkt.

Anwendung #2 – Operationsvorbereitung

Zur Vorbereitung komplexer Operationen analysieren Chirurgen Patientendaten wie MRT- oder CT-Scans. Moderner Carbon 3D-Druck ermöglicht es, basierend auf diesen Scans vollskalige Repräsentationen von Patientenorganen zu drucken – für eine deutlich bessere präoperative Planung.

Anwendung #3 – Prothesen

Die Herstellung sowohl individueller als auch generischer Prothesen ist eine der verbreitetsten Anwendungen von Carbon 3D-Druck in der Medizintechnik. Individuelle Prothesen waren mit traditionellen Fertigungsmethoden teuer. FDM und andere schichtbasierte Verfahren können keine mechanisch belastbaren Teile liefern. Carbon DLS ermöglicht nun die kostengünstige Fertigung von Prothesen aus hochwertigen, technischen Materialien mit den richtigen Eigenschaften für maximale Performance.

Anwendung #4 – Hörgeräte

Hörgeräte profitieren enorm von der Flexibilität von Carbon DLS. Sie müssen perfekt zum Gehörgang des Patienten passen. Carbon DLS liefert hochpräzise Drucke, die exakt sitzen. Zudem können Hörgeräte und Gehörschutz aus komfortablen, weichen Elastomeren gefertigt werden, die nur mit Carbon DLS druckbar sind.

Anwendung #5 – Prototyping

Medizintechnik hängt von rigorosen F&E-Zyklen ab. Mehrere Prototypen sind nötig, um Passform, Form und Funktion gründlich zu testen. Mit Carbon DLS lassen sich funktionale Prototypen schnell aus günstigeren geeigneten Materialien fertigen. Derselbe Prozess dient dann der Endteilfertigung.

Erfahren Sie mehr über den Einsatz von Carbon DLS 3D-gedruckten Teilen in der Medizintechnik.

Fazit

Da die Medizintechnikbranche kontinuierlich fortschrittliche Innovationen hervorbringt, sind ebenso fortschrittliche Fertigungsanlagen nötig, um diese schnell, kostengünstig und ohne Qualitäts- oder Funktionskompromisse in den Markt zu bringen. Um mehr über die Nutzung von Carbon DLS 3D-Druck in der Medizintechnik zu erfahren, nutzen Sie Xometrys Instant-Quote-Tool für präzise Kostenschätzungen Ihres Medizinprodukts.