Materialqualifizierung im medizinischen 3D-Druck

Das Kunststoff Freiformen Verfahren, patentiert von Arburg, ist ein additives Fertigungsverfahren, das eine aus dem Spritzguss bekannte Aufschmelzeinheit mit einer neuartigen Austragseinheit kombiniert, mit dem die Kunststoffschmelze tropfenförmig ausgetragen und auf einem Bauteil abgelegt wird. Ein weiteres Verfahren legt den Strang kontinuierlich ab, wobei das Material entweder als Granulat der Schnecke oder als Filament der Düse zugeführt wird. Beide Verfahren gehören deshalb zur Kategorie der additiven Fertigung und können dadurch sehr gut personifizierte Implantate aus Kunststoff fertigen, ohne dass diese mechanisch bearbeitet werden müssen. Die Maschinenprinzipien führt zu unterschiedlich langen Verweilzeiten, welche sich negativ auf die mechanischen Eigenschaften auswirkt. Zusätzlich wird erwartet, dass durch den resultierenden thermischen Abbau Zersetzungsprodukte entstehen, welche insbesondere für medizinische Anwendungen wie z.B. Schädelimplantate kritisch sind. Bisher wurde nicht untersucht, inwieweit der thermische Materialabbau in diesen Prozessen stattfindet. Ein weiteres Thema ist, dass die Größe und der Abstand zwischen den positionierten Kunststoffen genau definiert werden müssen, um zuverlässige und reproduzierbare mechanische Eigenschaften zu erzielen. Dies geschieht bei der Materialqualifizierung. Da das derzeitige Verfahren zur Qualifizierung von Materialien auf einer subjektiven Bewertung durch den Bediener erfolgt, ist eine reproduzierbare Methode zur Materialqualifizierung derzeit nicht gegeben. Deshalb haben sich die Kunststofftechnik der Universität Paderborn, die Kunststoffverarbeitung der Montanuniversität, die Technische Universität Graz mit dem Institut für Maschinenbau- und Betriebsinformatik und die Medizinuniversität Graz mit der Klinik für Neurochirurgie zusammengesetzt und haben für dieses Projekt drei Hauptziele definiert. Das erste ist die Kombination der Analyse der thermischen Schädigung im Prozess mit der Berechnung der Verweilzeit zur Vorhersage des Auftretens von Zersetzungsprodukten im Bauteil durch die Entwicklung eines modellbasierten Softwaretools. Das zweite Ziel ist die Entwicklung einer reproduzierbaren, softwarebasierten Methode zur Materialqualifizierung, um unabhängig von Maschine und Bediener gleichbleibende mechanische Eigenschaften zu erzielen. Das dritte Ziel besteht darin, die Ergebnisse der beiden vorangegangenen Ziele in einem Computerprogramm zusammenzuführen, das in bestehende Produktionsplanungsprogramme integriert werden kann. Nach dem Abschluss des Projektes, soll ein integriertes Programm es ermöglichen Materialien für den medizinischen Bereich schnell und zuverlässig zu qualifizieren und zu bewerten, so dass die Technologie des Kunststoff Freiformen, aber auch die kontinuierliche Strangablegung auch im medizinischen Bereich eingesetzt werden kann, um z.B. Implantate herzustellen, welche auf die persönlichen Bedürfnisse der Patienten maßgeschneidert sind.