3D-Druck auf dem Weg in die Medizin

Additive Fertigungsverfahren gehören seit einiger Zeit fest ins Repertoire der industriellen Fertigung. In den Bereichen Prototyping, Herstellung individueller Teile und komplexer Geometrien oder für die Forschung und Entwicklung gibt es zahlreiche Verfahren wie 3D-Drucktechnologien die diese Abteilungen bereichern.

Aufgrund der vielfältigen Verfahren eröffnet sich dem Additive Manufacturing nun auch der Weg in die Medizin. Denkbar sind hier, neben speziell angepassten medizinischen Werkzeugen, vor allem Prothesen und Implantate. Einen prominenten Platz nimmt dabei die Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie ein. In den genannten Bereichen spielen individuelle Implantate eine besondere Rolle. Im Bereich der dentalen Medizin bspw. kann so Zahnersatz für die Patienten maßgeschneidert angeboten werden. Entscheidend dabei ist jedoch die Wahl des Materials aus welchem die Implantate bestehen sollen und damit auch das Verfahren zur Verarbeitung dieses.

Eines der Materialien, welches seit längerem für Implantate und im Bereich der Dentaltechnik verwendet wird, ist das Hochleistungspolymer Polyetheretherketon (PEEK). Ein Polymer, welches sich aufgrund seiner chemischen Stabilität, Biokompatibilität und Toleranz gegenüber Gammastrahlung sowie hervorragender Verschleißbeständigkeit aufgrund seiner mechanischen Eigenschaften, PEEK besitzt eine Reißfestigkeit von 98 MPa, als medizinisch einsetzbares Material qualifiziert. Hinzu kommt ein sehr niedriges spezifisches Gewicht von 1,30 g/cm³. Im zahnmedizinischen Kontext zeichnet sich das Material auch durch eine geringe Plaqueanlagerung aus, eine wünschenswerte Eigenschaft bei Zahnersatz.

Ein 3D-Druckverfahren, das den Anforderungen bezüglich individueller Teile entspricht, dabei äußerst materialsparend arbeitet und das Hochleistungspolymer PEEK verarbeiten kann, wird durch das Fused Filament Fabrication (FFF) Verfahren realisiert. Hierbei wird das Material in Filamentform, einer Art Kunststoffstrang, durch den Druckkopf unter Einsatz hoher Temperaturen von bis zu 500 °C geschmolzen und in verschiedenen Schichten zum gewünschten Bauteil aufgetragen. Entscheidend für die Bauteilqualität ist der kontrollierte Erstarrungsvorgang des teilkristallinen Kunststoffes. Ein Drucker, der die Voraussetzungen erfüllt, ist der Apium P155 der Apium Additive Technologies GmbH. Bislang ist dieser Drucker ausschließlich für industrielle Anwendungen konzipiert.

Kooperationen mit der Charité – Universitätsmedizin Berlin und Evonik sollen Medizineinsatz ermöglichen

Unter Leitung von Prof. (UH) Dr. W.-D. Müller strebt die Apium Additive Technologies GmbH eine Kooperation mit dem Center for Dental and Craniofacial Sciences der Charité Berlin an. Ziel dieser Kooperation ist es, eine Studie zur Ermittlung der Druckleistung im Dentalbereich von zugelassenen PEEK Compounds durchzuführen. Im Mittelpunkt der Studie steht ein Apium P155 3D-Drucker, basierend auf der FFF 3D-Drucktechnologie. Er dient der Herstellung verschiedener Strukturen, dabei ist die Zugfestigkeit der Druckproben ein entscheidendes Kriterium, welche extrudierten Proben gegenübergestellt werden. Bei zufriedenstellenden Ergebnissen werden im nächsten Schritt Einzelkronengerüste hergestellt und einem Qualitätsvergleich unterzogen. Hier wird besonders auf die Dimensionsgenauigkeit und Passfähigkeit wert gelegt. Den Maßstab setzen CAD CAM gefräste Strukturen. Das Center for Dental and Craniofacial Sciences wird zu Beginn von den 3D-Druck Ingenieuren der Apium Additive Technologies GmbH in die 3D-Drucktechnologie eingewiesen und erhält Unterstützung bei den ersten Testdrucken. Durch diese Studie soll der erste Schritt gemacht werden, einen 3D-Drucker für den medizinischen Einsatz in der Dentaltechnik zu entwickeln. Ein Austausch des Know-Hows beider Seiten sowie der abschließenden Daten der Studie ist dabei ein essenzieller Faktor.

Neben einer Kooperation zur Erforschung der Möglichkeiten, die ein auf der FFF-Technologie basierender 3D-Drucker für medizinische Zwecke bietet, steht für die Apium Additive Technologies GmbH auch die Entwicklung neuer Filamente für den Einsatz in der Medizin im Vordergrund. Hierfür plant Apium eine Zusammenarbeit mit der Evonik Industries AG. Auf Grundlage des von Evonik hergestellten Hochleistungskunststoff VESTAKEEP® PEEK - eines Biomaterials für medizinische Anwendungen -  soll durch Tests herausgefunden werden, wie dieses Material als Filament in optimaler Weise mit der FFF-Technologie verarbeitet werden kann, um das Endprodukt, ein in der 3D-Druck-Technologie hergestelltes Implantat, einzusetzen. Dabei werden die verschiedenen VESTAKEEP® Klassen untersucht und gegebenenfalls modifiziert, um das gewünschte Resultat zu erreichen.

Mit Hilfe beider Kooperationen plant die Apium Additive Technologies GmbH der Vorreiter für den Einstieg in den medizinischen 3D-Druck zu werden und das Verständnis sowie die Herangehensweise an passgenaue Implantate mit dieser innovativen Lösung grundlegend zu revolutionieren.

Kooperation mit dem Institut für Polymertechnologien e.V. im Bereich 3D-Druck

Die Apium Additive Technologies GmbH ist im Bereich des 3D-Drucks auf das vielseitig einsetzbare Fused Filament Fabrication Verfahren spezialisiert und entwickelt hierfür branchen- und kundenspezifische, industriell verwendbare Hochleistungspolymere in Form von Filamenten sowie, auf der FFF-Technologie basierende, 3D-Drucker zur Verarbeitung dieser. Dadurch lässt sich das Verfahren als Alternative zur Herstellung funktioneller Prototypen, individuellen Einzelteilen und Kleinserien einsetzen.

Als Pionier im Verarbeiten des Hochleistungspolymers PEEK (Polyetheretherketon) besitzt die Apium Additive Technologies GmbH die entsprechende materialwissenschaftliche Kompetenz zur Kooperation mit dem Institut für Polymertechnologien e.V. aus Wismar. Deren Ziel ist es, die technologische Weiterentwicklung sowie Verbreitung generativer Fertigungsverfahren voranzutreiben.

Dank eines Apium P155 Hochleistungspolymer-Druckers im Hause des IPT zur Verarbeitung von Polymeren wie PEEK, welches sowohl in industriellen als auch medizinischen Anwendungen Verwendung finden kann, lässt sich die gewünschte Weiterentwicklung der FFF-Technologie anhand eines industrietauglichen Druckers vollziehen.

Ziel der Kooperation ist das Zusammenführen des Know-Hows der beiden Akteure sowie der Austausch untereinander zur Entwicklung neuer Filamente und Verbreitung der FFF-3D-Druck Technologie für den Einsatz im industriellen Maßstab.

Einsparpotenzial durch Supply Chain Management-Optimierungen

Der Apium Additive Technologies GmbH gelang ein entscheidender Schritt industriellen 3D-Druck mit Hochleistungspolymeren, wie PEEK (Polyetheretherketon), auf Basis des Fused Filament Fabrication-Verfahrens(FFF)  noch wirtschaftlicher zu gestalten

Das additive Fertigungsverfahren schmilzt im Herstellungsprozess einen Kunststoffstrang, um diesen in mehreren Schichten aufzutragen, und so das gewünschte Bauteil zu erzeugen. Dabei landen nahezu 100% des eingesetzten Materials im gedruckten Objekt, wodurch im Vergleich zu anderen Fertigungsverfahren deutlich an Materialkosten gespart werden kann. Dank Apiums Forschungen konnten so auch zum ersten Mal Hochleistungspolymere für industrielle Anwendungen verarbeitet werden. Dabei stand vor allem PEEK im Mittelpunkt, ein Polymer welches aufgrund seiner thermischen, chemischen sowie mechanischen Beständigkeit in Anwendungen verschiedenster Industriezweige eingesetzt werden kann. PEEK ist allerdings auch ein vergleichsweise hochpreisiges Material, wodurch sein Einsatz in Fertigungsunternehmen limitiert wird.

Kosteneinsparung durch Supply Chain Management

Der Apium Additive Technologies GmbH gelang es, die Kosten dank Optimierungen entlang der Supply Chain deutlich zu reduzieren und somit den Unternehmen aus der verarbeitenden Kunststoffindustrie mit einem reduzierten Preis für Apium PEEK Filamente entgegenzukommen.


„Die Resonanz bezüglich unseres PEEK Filaments bei Markteinführung vor zwei Jahren war überwältigend. Doch wir haben schnell gesehen, dass das Material günstiger werden muss, um einen wirtschaftlichen Einsatz in der Industrie zur Fertigung von Prototypen, Ersatzteilen und Kleinserien zu rechtfertigen. Wir haben in den letzten Monaten Studien im Bereich des SCM durchführen lassen und zusammen mit unserem Materialhersteller Ensinger GmbH die Abläufe über den gesamten Prozess der Herstellung und Lieferung unseres PEEK Filaments optimiert.“ So Gerhard Zaiser, Principal Account Manager von Apium.

Entscheidend waren hier vor allem die Optimierungen im Bereich der Kommunikation und Logistik. Neu entwickelte Konzepte und die Einführung eines IT-Systems gewährleisten einen deutlich effizienteren Ablauf von der Bestellung bis zur Auslieferung an den Kunden. Neben der Verkürzung der Wege konnten auch zeitkritische Stellen und unnötige Wartezeiten abgebaut werden. Die allgemeine Preisentwicklung bei der Rohware sowie die dauerhaft niedrigen Ölpreise der letzten zwei Jahre entspannten die Kostenstruktur zusätzlich. Durch die hieraus resultierenden Einsparungen konnte Apium den Preis für PEEK Filament um ca. 26% senken. Apium ist überzeugt, mit dieser Entscheidung die Anwendungsmöglichkeiten für den PEEK Filamentdruck aufgrund der höheren Wirtschaftlichkeit ausweiten zu können.

Einführung des Apium P 155 Hochleistungspolymer 3D-Druckers

„Um die Auslieferung unseres neuen Apium P 155 an die ersten auserwählten Kunden zu feiern gewähren wir für einen Monat einen zusätzlichen Rabatt von 25%! Schnell sein lohnt sich also. Wir wollen unseren Kunden damit die Möglichkeit bieten, ihre neue Fertigungstechnologie ausgiebig zu testen und einzusetzen.“ So CEO Tony Tran-Mai.

Der neue Apium P155 kann neben PEEK auch die weiteren Hochleistungspolymere aus dem Hause Apium verarbeiten und verfügt über optimierte Prozesse, wie die verbesserte Apium Controlling Software und einem Optischen Kontrollprozess zur Steigerung der Druckqualität. Die Druckdüse wurde zudem komplett neu gestaltet und lässt sich zum schnellen Umstellen auf andere Materialien in wenigen Schritten austauschen.

Dank der Einsparungen aus den SCM Optimierungsvorgängen und der aktuellen Marktlage ist die 500-Gramm-Spule von Apiums PEEK Filament nun dauerhaft für 333 € erhältlich. Dank der temporären Rabattierung aufgrund der Einführung des Apium P 155 3D-Drucksystems liegt der Preis bis zum 28. Februar sogar lediglich bei 249 € und kann über den Webshop der Apium Additive Technology GmbH unter www.apiumtec.com/de/shop bezogen werden.

3D-Druck Revolution durch Know-How und starke Partner

3D-Drucktechnologien sind in den letzten Jahren mehr und mehr auf dem Vormarsch, zuletzt auch als Unterstützung und Ersatz für die industrielle Fertigung. Hierbei lassen sich 3D-Drucker vor allem in den Bereichen Forschung & Entwicklung, Prototyping oder zur Fertigung kleiner Serien und individuellen Teilen einsetzen. Eines der bekanntesten Verfahren ist die Fused Filament Fabrication (FFF) Technologie. Hierbei wird ein Kunststoffstrang mithilfe des Druckkopfes geschmolzen und Schicht für Schicht aufgetragen. Das Schichtverfahren überzeugt dabei in den genannten Bereichen durch extreme Materialeffizienz, niedrige Anschaffungs- und Instandhaltungskosten, im Vergleich einfache Bedienbarkeit sowie Erstellung komplexer Geometrien wie Überhänge und Wabenstrukturen für Leichtbauweise von Teilen. Trotz der vermeintlich simplen Funktionsweise dieses Verfahrens ist es für den Einsatz in der Industrie und Forschung dennoch entscheidend diese Technologie zu beherrschen und auch in Ihrer Entwicklung voranzutreiben.

Das Kompetenzcenter Apium Additive Technologies GmbH

An diesem Punkt greift die Apium Additive Technologies GmbH an. 2014 noch unter dem Namen Indmatec GmbH in Karlsruhe gegründet, spezialisierte man sich auf das Fused Filament Fabrication Verfahren mit dem Ziel industrietaugliche und später medizinisch einsetzbare Hochleistungspolymere zu erforschen und mit selbst entwickelten 3D-Druckern zu verarbeiten. So war es nicht verwunderlich, dass die Apium Additive Technologies GmbH als erstes Unternehmen weltweit das Hochleistungspolymer Polyetheretherketon (PEEK) nach ausgiebiger Forschung in Filamentform mit einem 3D-Drucker verarbeiten konnte. Nach und nach sollen so weitere Hochleistungspolymere für den Einsatz in Industrie und Medizin durch Erstellen von Druckprofilen verarbeitbar werden. Mit Hilfe der Kombination aus Material- und Ingenieurswissenschaften entsteht eine ganzheitliche Herangehensweise an das Thema 3D-Druck. Im Gegensatz zur Konkurrenz stehen die Materialien im Vordergrund, auf dieser Basis werden die 3D-Drucker entwickelt. Damit bietet die Apium Additive Technologies GmbH ein einzigartiges Kompetenzcenter welches sowohl optimierte Filamente und 3D-Drucker vertreibt, aber auch das notwendige Wissen und die Unterstützung für den Einsatz Ihrer entwickelten Produkte für die Anwender in der Industrie und Forschung liefert.

Vorsprung durch Vielfalt

Um als Kompetenzcenter der richtige Ansprechpartner zu sein, ist es entscheidend, eine in allen relevanten Bereichen Leistungen anbieten zu können. Nur dann lässt sich eine Beratung zur Wahl des Verfahrens und Materials in angemessener Weise durchführen. Beginnend mit den Materialien, welche in den verschiedensten Branchen eingesetzt werden können, über die 3D-Druckmodelle mit unterschiedlichen Parametersets zur Verarbeitung der Materialien, der Dienstleistung für Druckjobs zur Verifizierung der Qualität und Kennenlernen der Technologie, abgerundet durch das Angebot von Trainings, um das FFF Verfahren besser zu verstehen und einsetzen zu können.

Materialien für Apiums FFF-3D-Drucktechnologie

Das Flaggschiffprodukt, Apium PEEK 450, bietet mit seinen einzigartigen mechanischen, chemischen und thermischen Eigenschaften viele Vorteile gegenüber anderen Polymeren und eignet sich gut als Ersatz für Industriematerialien wie Aluminium und Stahl. Es erlaubt Nutzern eine Reduzierung des Gesamtgewichts, des Produktzyklus und eine verlängerte Lebensdauer. Im Vergleich zu Metallen bietet das PEEK Polymer eine größere Designfreiheit sowie eine verbesserte Leistung. PEEK überzeugt durch eine exzellente Kombination aus Festigkeitseigenschaften, Widerstandsfähigkeit und Hitzeresistenz. Es ist die optimale Materiallösung, wenn ein großer thermischer Handlungsspielraum (von -196°C bis 260°C), das Gewicht und Langlebigkeit eine besondere Rolle spielen. Dadurch lässt es sich in den Branchen Automobil, Luft- & Raumfahrt, Öl & Gas oder in der Halbleiter- & Elektroindustrie einsetzen. Aufgrund seiner Biokompatibilität und Toleranz gegenüber Gammastrahlung ist auch die Verwendung im medizinischen Sektor möglich.

Ein weiteres Hochleistungspolymer wird mit Apium PVDF 1000 geboten, Polyvinyliden Difluorid (PVDF) ist ein Homopolymer mit mittlerer Viskosität. Vergleichbar mit anderen Hochleistungspolymeren bietet es unter thermalen, chemischen oder ultravioletten Konditionen Beständigkeit. Das bedeutet, dass es mit einer Hitzebeständigkeit von bis zu 149°C fast universell gegenüber Chemikalien und Lösungen resistent ist und selbst bei langfristiger ultravioletter Bestrahlung nicht beeinträchtigt wird. Damit ist PVDF die Materiallösung für anspruchsvolle Tiefseearbeiten in der Öl- & Gasindustrie.

Apium POM-C ESD, ausgestattet mit hoher Festigkeit und E-Modul, ist aufgrund seiner Stoßfestigkeit besonders resistent gegen Materialermüdung. Aufgrund des geringen Gewichts wird es oft als Metallersatz verwendet.



3D-Drucksystem Apium P155

Alle genannten Materialien können aufgrund verschiedener angelegter Parametersets mit dem 3D-Drucker Apium P155 der Apium Additive Technologies GmbH verarbeitet werden. Dieser 3D-Drucker ist optimiert zur Verarbeitung von Hochleistungspolymeren. Ein spezieller Druckkopf, der bis zu 420°C erreichen und einfach ausgestaucht werden kann, ermöglicht, verschiedene Materialien drucken zu können. Zudem wurde ein spezielles Heizbett für die optimale Adhäsion der Polymere verbaut. Mit Hilfe der Apium Controlling Software wird die beste Druckqualität gewährleistet; eine optische Prozesskontrolle zur Überwachung des zu druckenden Bauteils ist mit inbegriffen. Der Apium P155 eröffnet einen neuen, kosteneffizienten und einfachen Weg, individuelle Geometrien inklusive komplexer Hohlräume mit einem hohen Grad an Gestaltungsfreiheit zu produzieren. Während der Extruder die Infillrate des Filaments reguliert, wird der thermoplastische Werkstoff erhitzt und von einem durch eine CAM Software kontrollierten Druckkopf platziert. Schicht für Schicht wird der geschmolzene Thermoplast der Reihe nach auf der erhärteten Werkstoffoberfläche aufgetragen. Diese Additive Fertigungstechnologie ermöglicht es, sowohl detaillierte und präzise Modelle und Prototypen, als auch Kleinserien von maßgeschneiderten Teilen für verschiedenste industriespezifische Anwendungen zu produzieren.
Die nächste Generation, der P220, wird noch 2017 erhältlich sein. Dieser wird unter anderem mit einem deutlich größeren Bauraum ausgestattet sein.
 

Apium P155 high-performance polymer 3D-printing system

Apium P155 high-performance polymer 3D-printing system


Kennenlernen der Apium FFF-3D-Drucktechnologie durch Druckaufträge

Als Verifizierung der Qualität der 3D gedruckten Bauteile bietet die Apium Additive Technologies GmbH die Möglichkeit, Druckaufträge durchzuführen. Hierbei sendet der Interessent ein 3D-Modell seines Bauteils, welches von Apiums 3D-Druck-Ingenieuren für die Technologie optimiert und im gewünschten Material verarbeitet wird. Damit lässt sich die Qualität des Apium P155 3D-Druckers und der Materialien bestätigen.

Optimale Anwendung dank Trainings

Als Unterstützung für Unternehmen der Industrie und Forschungseinrichtungen lassen sich Trainings vereinbaren, bei welchen die Materialien und der 3D-Drucker in seiner Funktionsweise vorgestellt und die Technologie mit seinen Besonderheiten erklärt wird. Damit wird gewährleistet, dass der Anwender die gewünschten Materialen in der bestmöglichen Qualität verarbeiten kann.

Starke Produktionspartner als Schlüssel zum Erfolg

Mit dem Geschäftsbereich Smart Factory der Heidelberger Druckmaschinen AG (Heidelberg) konnte ein strategischer Partner für die Industrialisierung und die Serienproduktion der nächsten Generation von 3D-Druckern, der Apium P220 Serie, gewonnen werden.
Heidelberg bietet mit seinem Kollaborationstool View2Connect eine Cloud-basierte digitale Vernetzung heutiger Prozessketten für die Produktion innovativer Produkte, über Firmengrenzen hinweg, an.
Damit setzt Apium auf die sicheren, industriellen Prozesse von Heidelberg, nutzt deren modularen Leistungen wie das Projektmanagement und das Industrial Design, die Serienproduktion inkl. der Lieferlogistik.
Die Unterstützung bei der Produktvalidierung, von Zertifizierungen und den notwendigen Zulassungen (z.B. CE, UL) runden die hohen Qualitätsanforderungen des Apium 3D-Drucksystems ab.

www.heidelberg.com

Ebenso wird die Kooperation mit der Ensinger GmbH weiter ausgebaut, um die neu entwickelten Filamente in der erforderlichen Menge zu produzieren.
Der Kunststoffverarbeiter Ensinger versorgt Apium mit qualitativ hochwertigen Filamenten, die im Extrusionsverfahren hergestellt werden. Im Zuge der Kooperation arbeiten beide Seiten intensiv an der Erforschung neuer Filamente. Diese Produkte werden bis zur Marktreife ausgiebig auf 3D-Druckbarkeit getestet.

www.ensinger-online.com

3D-gedrucktes PEEK für die chemische Industrie

Einführung

In der Industrie herrschen gemischte Gefühle, was den Einsatz von 3D-gedruckten Teile für Endanwendungen angeht. Ein zentraler Grund für dieses Zögern liegt darin, dass die 3D-Druck-Technologie bisher noch nicht als ausgereiftes Fertigungsverfahren wahrgenommen wird. Selbst gegenüber high-end metallverarbeitenden Systemen ist die Industrie noch vorsichtig. Diese Vorsicht wird durch mehrere Faktoren verstärkt, wie beispielsweise Medienberichten, Materialien, Messtechnik, Qualitätssicherung, Zugang zur Technologie selbst sowie ein allgemeiner Mangel an ausführlichen Daten, die die Leistungsfähigkeit der Technologie bestätigen könnten.

Dieser Daten-Bedarf der Industrie muss daher selbstverständlich gedeckt werden; durch die Bereitstellung von Daten, die die Leistungsfähigkeit der Technologie bestätigen sowie durch die Demonstration der Herstellung von 3D-gedruckten Teilen, die den Anforderungen der Industrie entsprechen.

Die Industrieanwender müssen ebenfalls beginnen zu verstehen, dass generative Fertigungsverfahren wie der 3D-Druck, moderne Werkzeuge sind, die technisch vor allem für Aufgaben bestimmt sind, die die schnelle Herstellung kleiner Stückzahlen und eine große Anpassbarkeit notwendig machen. Der Hauptvorteil des industriellen 3D-Drucks liegt darin, die ersten physischen Teile zu niedrigen Kosten zu produzieren sowie die Gesamtzeit vom Konzept-Design bis hin zum Einsatz der Teile zu verkürzen.

Angesichts dieser Tatsachen spielen die Materialien und die Qualität der gedruckten Modelle eine zentrale Rolle dabei, die Industrie zu überzeugen, 3D-Druck-Technologien als ausgereifte Fertigungsverfahren anzunehmen.

Die Möglichkeit des 3D-Drucks von Hochleistungsthermoplasten wie PEEK, welches selbst extremen Anforderungen gewachsen ist (hohe mechanische Festigkeit, Korrosions-Beständigkeit, Abriebfestigkeit, chemische Inertheit und UV-Beständigkeit), bietet eine einzigartige Gelegenheit für die Fertigung. Funktionelle und strukturelle Modell-Designs mit Geometriekomplexitäten, welche konventionelle Herstellungsmethoden (wie z.B: Spritzgießen und CNC-Fräsen) an ihre Grenzen bringen, können nun mit einer minimalen Anzahl an Herstellungsschritten mittels 3D-Druck hergestellt werden.

 

Praktische Anwendungsbeispiele

Die Bilder in Abbildungen 1a und b zeigen ein PEEK-Modell, welches mit einem Apium P155 3D-Drucker hergestellt wurde und anschließend in einem Nachbearbeitungs-Schritt mit Messing-Tüllen versehen wurde. Der P 155 3D-Drucker wurde speziell dafür entwickelt, Hochtemperatur-Polymere zu verarbeiten. Sein mechanischer Antrieb zusammen mit der Software, die es ermöglicht, die Druckbewegungen zu generieren und präzise auszuführen, wurden ausführlich getestet, um PEEK-Teile in einer hohen Qualität zu garantieren.

(a)                                                                                                                                           (b)

Abbildung 1. Mittels Fused Filament Fabrication-3D-Drucks (FFF) hergestelltes Teil. (a) Ansicht eines gedruckten Schnittes (b) geschlossene Ansicht (Höhe: 95 mm, maximaler Durchmesser: 40 mm)

Das PEEK-Teil aus Abbildung 1 ist ein Prototyp einer Mehrkanal-Mischsäule, welches teilweise als Schnitt gedruckt wurde, um die inneren Strukturen offenzulegen. Es besitzt eine Oberflächenstruktur (Abbildung 2), die von der schichtweisen Auftragung von geschmolzenem PEEK auf spannungsfreie Oberflächen von festem PEEK erzeugt wird. Die Randzonen des PEEK sind klar definiert, was die Art der Fluiddynamik bestätigt, die vor der Erstarrung der Schmelze auftritt. Offensichtlich werden die Phasenumwandlungs-Prozesse, namentlich Keimbildung, Wachstum der kristallinen Bereiche in der Schmelze, die Erstarrungsrate und auch die Wärmeabfuhr, adäquat beherrscht und ermöglichen daher die Herstellung qualitativ hochwertiger PEEK-Teile.

Abbildung 2. Vergrößerung des Teils aus Abbildung 1: Ein Fluidmischer aus PEEK. Beachten Sie die feinen Oberflächenkontraste, welche vom schichtweisen Auftrag des PEEKs erzeugt werden.

Die PEEK-Teile in den Abbildungen 3a-d wurden ebenfalls mit einem Apium P 155 3D-Drucker hergestellt. Die Oberflächenqualität der Teile bestätigen die technische Stabilität und die Zuverlässigkeit des P 155-Druckers. Alle Teile stellen funktionsfähige Komponenten dar, die im chemischen Sektor eingesetzt werden können.

(a)                                                                                                                          (b) 

(c)                                                                                                                          (d)

Rolle des 3D-Drucks in der chemischen Industrie

Computersimulationen in der Fluid-Dynamik, Rheologie und Untersuchungen chemischer Prozesse haben in den letzten 30 Jahren die Entwicklungsaktivitäten in der Prozesstechnik dominiert. Obwohl diese Herangehensweise Einsparungen hinsichtlich Kosten und Zeit mit sich bringt, besteht weiterhin die Notwendigkeit, Vorgänge und Verfahren physisch zu testen, um Beschränkungen, die nicht durch virtuelle Computermodelle ausgeräumt werden können, zu überwinden. Aus diesem Grund bauen Verfahrenstechniker nach wie vor Pilot- und Miniaturanlagen, um ihre Konstruktionen unter realen Bedingungen testen zu können.

Abbildung 4. 3D-gedruckte Zahnradpumpe mit Zahnrädern aus PEEK. Das Gehäuse wurde aus transparentem Polyamid-6 (PA6) gedruckt.

Genau hier kann ein Fertigungsverfahren wie der 3D-Druck eine entscheidende Rolle spielen. Indem Sie die Teile für eine Miniatur- oder Pilotanlage 3D-drucken, können Ingenieure viel Zeit, Rechenaufwand und Investitionskosten für die Anlagenentwicklung sparen. Anlagenkomponenten (Abbildung 4) wie Trenneinheiten, Kompressoren, Lagertanks, Rohrleitungen, Pumpen und Ventile können als verkleinerte Modelle gedruckt werden und als reale funktionstüchtige Teile in der Anlagenentwicklung getestet werden. Gelenke, Verbindungen oder Punkte, an denen Teile miteinander gekoppelt werden, können vermieden werden, da es möglich ist, die gesamte Vorrichtung in einem Stück zu drucken.

Zum Beispiel kann PEEK, dessen Eigenschaften es sehr attraktiv machen, für Anwendungen in chemischen Anlagen z.B. in Reaktionsbehältern mit extremen pH-Umgebungen, verwendet werden. Seine mechanische Festigkeit macht es außerdem reizvoll für Öl- und Gasanwendungen. Die Tatsache, dass der 3D-Druck heute fähig ist, metallische Teile zu drucken sowie Teile aus technischer Keramik oder Hochtemperatur-Polymeren, bezeugt die einzigartige Entwicklung dieses Verfahrens und die herausragenden Chancen für die Industrie, hochspezialisierte Teile zu entwickeln mit der Hoffnung, dass deren Fertigung möglich ist.

Einige praxisrelevante Daten

Daten helfen, das Vertrauen zu gewinnen, das nötig ist, um 3D-Druck-Technologien als Mainstream-Technologien in der Fertigung zu verankern. Allerdings ist die Menge an Daten, die nötig ist, um das Vertrauen in die industrielle Anwendung des 3D-Drucks zu gewinnen, unverhältnismäßig groß. Einige der vielen Gründe hierfür sind: (i) Druckerhersteller veröffentlichen nicht alle Informationen über die Qualität der Teile, die von ihren Druckern hergestellt werden; oft werden nur Daten veröffentlicht, die hilfreich sind, den kommerziellen Erfolg zu sichern. (ii) der Großteil an Forschungsgruppen, welche 3D-Drucker in ihren Laboren verwenden, testen die gedruckten Teile nicht hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit, sondern sind eher darauf fokussiert, dass die Prototypen Form- und Geometriebedingungen genügen (iii) ein großer Teil der 3D-Druck-Benutzer sind private Nutzer aus der Maker-Community, welche 3D-Druck als Hobby betreiben und wenig oder keinen Zugang zu den Testanlagen haben. Diese sind jedoch nötig, um der wertvollen Entwicklungsarbeit im Bereich des 3D-Drucks Glaubwürdigkeit zu verleihen. Die Tatsache, dass sich einige Druckerhersteller in Schweigen hüllen, was die Testergebnisse von Teilen aus eigenen Maschinen angeht, wirft Fragen auf bezüglich der Qualitätssicherung, Reproduzierbarkeit der Eigenschaften der gedruckten Teile, Verlässlichkeit des 3D-Druckprozesses und natürlich bezüglich der Existenz von messbaren Kennzahlen, um die Festigkeit der 3D-gedruckten Teile zu vergleichen.

In den vergangenen 5 Jahren gab es im Bereich der generativen Fertigung ein großes Interesse, die Verarbeitbarkeit von Materialien, die in sicherheitskritischen Anwendungen verwendet werden, zu erforschen. Faserverstärkte Polymer-Materialien, Kompositmaterialien mit Nanomaterialien wie Kohlenstoff-Nanoröhrchen, moderne Materialien wie Formgedächtnislegierungen und Materialien, die in menschlichen Implantaten verwendet werden, wie zum Beispiel Titan-6-Al-4-V (Ti6Al4V) und PEEK, sind wegweisend unter diesen. Die Schwelle für eine neue Technologie wie den 3D-Druck ist verständlicherweise hoch, da neuen Gewohnheiten, Methoden oder Verfahren allgemein Zweifel, Vorsicht und ein allgemeines Gefühl der Unsicherheit entgegenschlagen, besonders in einer eher konservativen Industrie wie die dem fertigenden Sektor. Mit diesem Gedanken im Hinterkopf ist es unerlässlich, experimentell gewonnene Daten zu veröffentlichen, die auf die Leistungsfähigkeit der 3D-Druck-Systeme schließen lassen.

Abbildung 5. Diagramm der Zugfestigkeit und Zugdehnung für PAEK-Teile, die mittels verschiedener Herstellungsverfahren produziert wurden.

Abbildung 5 zeigt die mechanischen Eigenschaften von PAEK-Teilen (PEEK und PEKK sind chemische Ableitungen von PAEK), die mittels verschiedener Verfahren hergestellt wurden. Im Allgemeinen setzen in der Industrie Teile aus dem Spritzguss die Standards für Datensätze. Das Diagramm in Abbildung 5 zeigt, dass hier klare Unterschiede in den mechanischen Eigenschaften bestehen, wobei spritzgegossene und FFF-3D-gedruckte Teile überlegene Festigkeiten aufweisen.

In der Vakuum-Technologie, in der chemische Inertheit, hohe Festigkeit und Ausgasung kritische Eigenschaften sind, hat PEEK Anwendung in den Bereichen Abdichtungen, Dichtungsringen, Material für Anwendungen mit geringer Belastung und als Substrat für aktive Reagenzien gefunden. Abbildung 6 stellt die Ausgasungs-Ergebnisse von 3D-gedrucktem PEEK dar, das unter Vakuum-Bedingungen getestet wurde. Die Ergebnisse legen nahe, dass die Ausgasungsrate nach 18h im Vakuum 5x10-7 mbar l/cm-2 s-1 beträgt. Wenn das Material vor dem Test 12h bei 150°C ausgeheizt wurde, beträgt diese Rate noch 4.1x10-11 mbar l/cm-2 s-1. Werte, welche Einsätzen im Hoch- und Ultrahochvakuum genügen.

Restgasanalysen-Scans der PEEK-Proben zur Erforschung der Gase zeigten, dass die hauptsächlich ausgegasten Spezies Wasserstoff, Wasser und Kohlendioxid sind. Diese kommen höchstwahrscheinlich vom heißen Filament im Restgasanalysator.

Abb 6.png

Abbildung 6. Testergebnisse des Ausgasens von 3D-gedrucktem PEEK unter Vakuumbedingungen.

Zusammenfassung

Der 3D-Druck hat seinen Platz in der chemischen Industrie – daher müssen wir daran arbeiten, diese Nische zu identifizieren. Im medizinischen Sektor werden bereits 3D-Druck-Werkzeuge für die Herstellung von patienten-spezifischen Implantaten angewandt, indem MRT- oder CT-Daten als Eingabedaten für den 3D-Drucker verwendet werden. Können Computer-Modelle der Prozessanlagen verkleinert und anschließend 3D-gedruckt werden? Können wir unsere digitalen Arbeitsabläufe verbessern, sodass wir Designs erhalten, mit denen wir anschließend 3D-Modelle der Anlagen drucken und testen können? Können 3D-Drucker dazu verwendet werden, Ersatzteile zu produzieren, um unsere alternden Anlagen länger betriebsfähig zu halten oder für die Herstellung neu entwickelter Komponenten-Designs, die die Leistungsfähigkeit der Anlagen verbessern? Die Autoren glauben, dass im Einsatz von 3D-Druck-Technologien neue Chancen für die Anlagen-Konstruktion, den Betriebsablauf und die Prozessoptimierung liegen.

 

Danksagung

Wir möchten der Hochschule Merseburg danken für die mechanischen Testergebnisse des FFF-3D-gedruckten PEEK und Hr Andy Stallwood von Diamond Light Sources Ltd UK für die Vakuum-Test-Daten

Autoren: Uwe Popp, Julian Scholz, Brando Okolo, Hannes Radenbach (Übersetzung)

Die nächste industrielle Revolution für FFF 3D gedruckte Hochleistungspolymere

Die nächste Generation an Hochleistungspolymer 3D-Druckern „Apium P155“

Die nächste Generation an Hochleistungspolymer 3D-Druckern „Apium P155“

Oftmals gehen mit Wachstum neue Verantwortungen, Herausforderungen und Möglichkeiten einher, sowie die Chance Änderungen vorzunehmen, welche das Wachstum wiederspiegeln. Indmatec wird sich umgestalten um mit dem neuen Namen „Apium Additive Technologies GmbH“ noch globaler zu agieren. Indmatecs globale Marktführung und Pionierrolle im Bereich der Verarbeitung von Hochtemperatur-Polymeren durch die Fused Filament Fabrication (FFF) 3D-Druck Technologie wird nun in Apium weitergeführt. Um diese Marktführung zu festigen und zu stärken arbeitet Apium nun mit der Heidelberger Druckmaschinen AG zusammen; ein unbestreitbarer und namhafter Marktführer für industrielle 2D Off-Set Drucker, um Apiums patentierte Technologie mit einer neuen Generation von 3D-Druckern für Unternehmen auf den Markt zu bringen. Diese Zusammenarbeit stattet Apiums 3D-Drucker mit einem Qualitätssiegel aus, welches für die innovative Arbeit des Teams bei Apium und den industriellen Ansatz der 3D-Drucker spricht. Um die Wertschöpfungskette innerhalb des Gebiets der additiven Fertigung zu sichern, wird unser Geschäftsbereich Materialien nun noch wirksamer durch die Zusammenarbeit mit der Ensinger GmbH; einem Meister in der Welt der Polymerextrusion. Diese, von Material beherrschte, Zusammenarbeit spiegelt den Kern unserer Geschäftsphilosophie wieder, bei welcher ein tiefergehendes Verständnis von Materialien den Ton angeben, wenn es um 3D-Drucker Entwicklung geht.

Zwei Jahre Fokussierung auf das Verständnis der Rolle der Materialwissenschaft und Ingenieurwesen hat unser Team zu dem Punkt geführt, einen FFF 3D-Drucker zu entwickeln, welcher die Ansprüche an industrielle Fertigung erfüllt.


Auf der Formnext 2016 powered by TCT werden die beiden neuen Generationen von FFF 3D-Druckern, „Apium P155“ und „Apium P220“, zur Verarbeitung von Hochleistungspolymeren, welche den industriellen Anwendungsansprüchen genügen, erstmals vorgestellt. Besuchen Sie uns auf der Formnext vom 15. Bis 18. November in Halle 3.1 am Stand B40C um die auf dem aktuellsten Stand der Technik befindliche Verarbeitung von Polymeren mittels FFF 3D-Drucktechnologie zu erleben.  

Erfolgreicher WECONOMY Wettbewerb

WECONOMY ist ein Wettbewerb für die innovativsten Start-Ups aus Deutschland, gegründet von der Wissensfabrik – Unternehmen für Deutschland e.V.. Mit etwa 120 Mitgliedern von verschiedenen Branchen unterstützen sie deutsche Unternehmen sowie Start-Ups und stellen Verbindungen zu bereits etablierten Firmen her.

Mit ihrem jährlichen Wettbewerb WECONOMY eröffnen sie Newcomern und jungen Unternehmen die Möglichkeit sich vor einer Jury aus Managern, Experten und Gründern zu präsentieren. Nachdem sie nach den Kriterien Innovationsgrad, Marktpotenzial, Kundennutzen und Gründerteam bewertet wurden, werden die Gewinner ausgewählt.

Indmatec verkündet stolz den Gewinn des WECONOMY Wettbewerbs!

Dieses Jahr ist Indmatec eines der Neun Start-Ups, welche das WECONOMY Event gewonnen haben und sich nun in der glücklichen Lage befinden Erfahrungen und Know-How von Top Managern von Bosch, Daimler, KPMG, BASF und vielen anderen über die nächsten Wochen und Monate zu erhalten. Das Wissen über den Bereich Marketing & Sales oder Wachstumsstrategien sind genauso Teil der Unterstützung wie Coaches für das Zusammenstellen eines schlagkräftigen Teams, Managern als Mentoren und ein ausgezeichnetes Netzwerk um das Unternehmen weiter anzutreiben. Indmatec wird in Zukunft alle neuen Ideen und Vorschläge, welche sie als Teil des Preises für den Gewinn des Wettbewerbs erhalten, so gut es geht umsetzen.

 

Impressionen eines get-together mit Top Managern und Gesprächen über die Möglichkeiten die mit einem 3D-Drucker, welcher Hochleistungspolymere verarbeiten kann, einhergehen:

Testdaten von 3D gedrucktem PEEK und seine herausragenden Eigenschaften

Seit additive Fertigungsmethoden in den vergangenen Jahren mehr und mehr genutzt werden, ist das größte Hindernis, dass die verschiedenen Methoden davon abhält für industrielle Anwendungen eingesetzt zu werden, die limitierte Auswahl an Materialien, welche verarbeitet werden können. Für das bekannte Fused Filament Fabrication-Verfahren (FFF) bspw., wie es auch von vielen Anwendern privat genutzt wird, gab es lange lediglich einfache Polymere wie ABS, die nur für Modelle und nicht für industrielle Teile eingesetzt werden können. Durch die Kombination des Hochleistungspolymers Polyetheretherketon (PEEK) mit der additiven Fertigung wie FFF, kann die Technologie in Industrien wie Automobil, Öl & Gas, Medizin oder Hableiterherstellung eingesetzt werden, um komplexe Geometrien oder individuelle Teile mit geringerem Materialeinsatz zu erstellen.

Diese Vielfalt an verschiedenen Anwendungen ist möglich dank der großartigen Eigenschaften von PEEK. PEEK ist eines der strapazierfähigsten Polymere und kann mit Metallen wie Aluminium verglichen werden. Dank seines sehr hohen Schmelzpunktes von 343 °C und einer Gebrauchstemperatur zwischen -196 °C und 260 °C kann es in vielen extrem anspruchsvollen Umgebungen genutzt werden, wie bspw. Antriebssträngen in Automobilen. Mit seiner hohen Temperaturresistenz, geringem Gewicht, guter Abnutzungsresistenz und chemischer Inertheit kann PEEK Metalle in diesen anspruchsvollen Umgebungen ersetzen um Gewicht zu sparen und Flugzeuge oder Automobile effizienter zu machen. PEEK profitiert auch von seiner strukturellen Standhaftigkeit bei einem Druck bis zu 200 MPa, es ist daher optimal für Motoren oder Dichtungen. Dank seiner Festigkeit kann PEEK auch in Leichtbaukonstruktionen verwendet werden, da durch die Verarbeitung mit dem FFF Verfahren ohne großen Aufwand Honigwaben Strukturen erzeugt werden können.

Ein weiteres Hindernis, weshalb 3D-Druck noch nicht in großem Maßstab für industrielle Fertigung verwendet wird, ist das Fehlen relevanter Forschungsdaten. Daten, die klar darstellen, was der 3D-Druck mit Hochleistungspolymeren leisten kann. Um das Misstrauen, die Unsicherheit und die Vorsicht, die neuen Technologien generell entgegenschlägt zu überwinden, müssen Daten veröffentlicht werden, die diese Technologie unterstützen.

Abbildung 1 zeigt einen Vergleich der Zugfestigkeit (tensile strength) und Gesamtdehnung (total strain) von PAEK-Teilen (PEEK und PEKK sind chemische Derivate von PAEK), hergestellt mit den verschiedenen Fertigungsverfahren Selektives Lasersintern (SLS), Spritzguss (IM) und dem Fused Filament Fabrication-Verfahren mit einem Indmatec HPP 155-Drucker (Indmatec FFF). Im Allgemeinen sind die Industrie-Benchmarks für Polymere Datensätze von spritzgegossenen Teilen. Bedenkt man dies, zeigt der Plot von Abbildung 1, dass es eindeutige Unterschiede bei den mechanischen Eigenschaften gibt und sich spritzgegossene Teile sowie FFF-3D-gedruckte Teile mit überlegener Festigkeit hervorheben.

Abbildung 1: Vergleich der Zugfestigkeit und Gesamtdehnung

Abbildung 1: Vergleich der Zugfestigkeit und Gesamtdehnung

Diese Daten zeigen, dass FFF-3D-gedrucktes PEEK für industrielle Anwendungen verwendet werden kann. Zusammen mit seinen Eigenschaften ist das Material passend für Anwendungen, bei denen Materialien gesucht werden, welche ihrer anspruchsvollen Umgebung standhalten. Kombiniert mit 3D-Druck ermöglicht es den verschiedenen Industrien, Hochleistungskunststoffe in einer material- und kostensparenden Weise zu verarbeiten. Individuelle, komplexe Teile können einfacher und mit weniger Aufwand hergestellt werden.

 

3D Druck und Additive Fertigung für PEEK Teile in der Öl & Gas Industrie

Oft wird fälschlicherweise angenommen, dass jeder 3D Drucker jedes denkbare solide Objekt herstellen kann.  Dies entspricht jedoch nicht der Wahrheit; tatsächlich gibt es 8 verschiedene Arten von 3D-Druck Technologien. Jede dieser Technologien ist auf 3D Drucker für eine bestimmte Materialklasse beschränkt, wodurch verschiedene mechanische Leistungen für die herzustellenden Teile geliefert werden. Obwohl der 3D-Drucker immer noch eine relative junge Herstellungsmethode ist, weisen die Technologien nun schon 30 Jahre Praxisbezug auf, welche beweisen, dass sich der 3D-Druck zu einem Werkzeug zur Herstellung von hochkomplexen, hochwertigen, ingenieurkritischen Teilen entwickelt hat. 3D-Druck Technologie wird beispielsweise von der Flugzeug Industrie zur Herstellung verschiedener Teile verwendet, darunter auch sicherheitskritische Teile die in Passagierflugzeugen eingesetzt werden. Ebenso wird sie im medizinischen Sektor eingesetzt, um patientenspezifische Implantate für Langzeitanwendungen in der Humanmedizin herzustellen. Die Einstiegslevel für 3D-Druck Technologie in den vielfältigen high-end Industrien sind verständlicherweise verschieden, aber es gibt Kennzeichen denen es zu folgen gilt.

Das Material PEEK (Polyetheretherketon) bspw. wurde in der Vergangenheit schon im Öl und Gas Sektor, aufgrund seiner verschiedenen nützlichen Eigenschaften, eingesetzt. PEEK bringt Eigenschaften mit, welche es befähigen in extrem anspruchsvollen Betriebsumgebungen eingesetzt zu werden. Einige dieser Eigenschaften sind:

- Beständige mechanische Leistung von -196 °C (-321 °F) bis 260 °C (500 °F)
- Struktur hält einen Druck bis zu 200 MPa (~29000 PSI) aus
-Anitkorroisions-Eigenschaften gewährleisten mechanische Stabilität und die Oberflächendynamik bleibt sowohl in Salzwasser als auch in Kohlenwasserstofffluid Umgebungen gemäß NORSOK beständig
- Technisch marginaler (~25%) Verlust der Zugfestigkeit bei Aussetzung von 100% Schwefelwasserstoffgas unter relativ hohen Temperaturen (220 °C) und Druck (~4.5 MPa)


Diese Eigenschaften machen die Verwendung von PEEK attraktiv für Komponenten welche Bohrungsausrüstung unterstützen wie Dichtungssysteme, Verschlüsse, Zahnräder, Gas-Trennsysteme, Laufräder, Stecker, Röhren und Gehäuse.

Erst seit kurzem ist es möglich PEEK Teile mit additiven Fertigungsmethoden wie dem sogenannten Fused Filament Fabricaion (FFF), einer 3D Druck Technologie, herzustellen. Der 3D Drucker, welcher für diesen Prozess entwickelt wurde, ist transportabel und leicht bedienbar. Ein solcher 3D Drucker kann an Land, Off-Shore oder abgelegenen Orten eingesetzt werden, wo Öl und Gas Anwendungen extrem zeitkritisch sind. Ein offensichtlicher Vorteil ist, dass die Zeiten um wartungsbasierte Ziele zu realisieren signifikant verkürzt werden können; besonders bei Zielen, welche vom Einsatz von Teilen aus verhältnismäßig weit entfernten Lagern oder Zulieferern abhängig sind und dringend gebraucht werden um die Produktion ohne Unterbrechungen am Laufen zu halten. Ein 3D Drucker vor Ort kann eine Mannschaft bei der schnellen Herstellung von Ersatzteilen oder Zusatzteilen verstärken um Bedien- und Produktionsebenen in Stand zu halten.

Abbildung 1 zeigt für die Öl und Gas Industrie relevante 3D gedruckte PEEK Teile.

 

3D-Druck Anwendung für den Automobil Sektor dank PEEK

Im Automobil Sektor werden Materialien benötigt, die nicht nur belastbar sind, um für die Sicherheit der Fahrzeuge zu sorgen, sondern viele weitere Eigenschaften mitbringen müssen wie chemische Beständigkeit, Temperaturbeständigkeit oder Verschleißbeständigkeit. Dadurch wird gewährleistet, dass Teile deutlich langlebiger sind und weniger häufig ausgetauscht werden müssen. Dies kommt zum einen dem Konsumenten zu Gute, da er hier Kosten sparen kann, aber auch den Herstellern, da ein Automobil, welches weniger oft mit neuen Teilen versehen werden muss, für ein besseres Image sorgt.

Bislang waren Metalle die Materialien der Wahl, da sie alle wichtigen Eigenschaften vereinen. Ein großer Nachteil hierbei ist jedoch das Gewicht. Mit einem geringeren Gewicht lässt sich Treibstoff sparen und somit die CO­­2-Emission senken. Ein Gedanke der heutzutage immer öfter aufkommt.

PEEK als Metallersatz

Möglich macht dies das Hochleistungspolymer PEEK (Polyetheretherketon). Dank seiner teilkristallinen Struktur kann es bestens bei Temperaturen über seiner Glasübergangstemperatur von 143 °C eingesetzt werden und ist somit optimal für die Automobil Industrie, bei welcher Teile in den Antriebssträngen und Motoren meist bei 150 °C oder mehr funktionieren müssen. Auch bei höheren Temperaturen lässt sich PEEK dank seiner Schmelztemperatur von 343 °C und einer Gebrauchstemperatur bis zu 260 °C verwenden.

Neben seiner mechanischen Belastbarkeit ist das Polymer auch chemisch inert. Das ist vor allem für Teile im Antriebsstrang ein wichtiger Punkt, da sie dadurch keinen Schaden durch die verschiedenen Flüssigkeiten, wie Öle oder Kraftstoffe, nehmen. Konkrete Anwendungen sind bspw. Verschleißteile, die vorher aus Metall gefertigt wurden. Mit PEEK anstelle von Metall lässt sich bis zu 70% des Gewichts eines Teils reduzieren, was insgesamt zur Einsparung von 1-2% Treibstoff führt. Zudem liegt der Verschleiß der Teile 25-75% unter dem Wert der Metalle; die Teile sind auch beständiger gegenüber zu wenig Schmiermitteln. Ein weiteres Plus gegenüber Metallen ist die Geräuschreduzierung.

PEEK Teile aus dem 3D-Drucker

Die effektivste Möglichkeit PEEK zu verarbeiten ist der 3D-Druck. Hiermit lassen sich Teile herstellen, welche aufgrund ihrer komplexen Geometrie mit herkömmlichen Verfahren nicht möglich wären. Viel wichtiger jedoch, ist das Potenzial Material einzusparen. Bspw. bei der FFF (Fused Filament Fabrication) Technologie wird ein Kunststoffstrang, das Filament, durch eine Düse geschmolzen und schichtweise aufgetragen. Dadurch wird ausschließlich das Material verwendet, welches im Bauteil landet. Im Vergleich zum CNC-Fräsen, bei dem je nach Anwendung bis zu 90% des Materials als Späne enden, erbringt der 3D-Druck eine deutliche Ersparnis der Materialkosten.

Auch wenn das FFF Verfahren nicht zur Massenproduktion eingesetzt werden kann, ist es jedoch für die Forschung und Entwicklung ein Verfahren, welches ohne großen Aufwand Prototypen liefert. Außerdem lassen sich hiermit spezielle, individuelle Teile fertigen, auch Kleinserien sind denkbar. Abbildung 1 und 2 zeigen 3D gedruckte Teile aus PEEK welche in Antriebssträngen verwendet werden können. Beide Teile wurden mit einem Indmatec HPP 155 3D-Drucker hergestellt.

Abbildung 1: Kegelzahnrad

Abbildung 2: Dichtungsringe

Der Vorteil von Zahnrädern aus PEEK liegt vor allem in der Verschleißbeständigkeit gegenüber den Kräften, die zwischen den Zahnrädern wirken. Dichtungsringe aus PEEK besitzen den Vorteil resistent gegenüber den Flüssigkeiten in Automobilen zu sein, wodurch sie langlebiger sind.

Ein ausschlaggebendes Kriterium bei der Herstellung von funktionellen Teilen mit dem additiven Verfahren ist die Frage, ob das Teil an die Festigkeiten von konventionell hergestellten Produkten heranreicht. Abbildung 3 zeigt einen Zugtestvergleich von PEEK hergestellt mit Selektivem Lasersinter (SLS), Indmatecs FFF und Pulverspritzguss (PIM). Hierbei wird deutlich, dass das FFF Verfahren, was Festigkeit anbelangt, im Bereich des Spritzgusses liegt. Die Tests wurden in X/Y-Richtung durchgeführt, in Z-Richtung ist die Festigkeit, aufgrund des Schichtverfahrens, ca. 30% niedriger.

Abbildung3: Zugtestvergleich

Neben der Möglichkeit komplexe Geometrien mit einem 3D-Drucker herzustellen, lassen sich damit auch Bauteile in Leichtbauweise fertigen, wie in Abbildung 4 zu sehen ist. Mit dem Spritzgussverfahren wäre eine solche Konstruktion nicht möglich. Dank der Wabenstruktur besteht etwa die gleiche Festigkeit gegenüber einem vollgedruckten Teil, jedoch mit deutlicher Material- und Gewichtsersparnis. 

Abbildung 4: Leichtbauwinkel

Der 3D-Druck in Kombination mit Hochleistungspolymeren, wie PEEK, lässt sich demnach als sinnvolle Alternative zur Fertigung von Metallteilen in der Automobilbranche verwenden, um Fahrzeuge noch effektiver zu gestalten oder den Weg von der Idee zum Serienmodell einfacher zu realisieren.

Hochleistungspolymere für Automobilanwendungen>

Etablierung des 3D-Drucks als Herstellungsverfahren

In den vergangenen 10 Jahren erfährt das Rapid Prototyping seitens der Industrie ein starkes Interesse für den Einsatz in der Produktentwicklung. Die Industrie ist entschlossen, neue Wege zu gehen und ihre Zukunft neu zu definieren, wobei sie ihr Interesse auf den 3D-Druck ausweitet. Um die verschiedenen Wege zu prüfen, wird das praxisbasierte Testen der 3D-Druck-Technologie eine der strategischen Aktivitäten in mehr und mehr industriellen Betrieben. Einige dieser Testergebnisse haben die Industrie darin bestärkt, 3D-Druck-Technologie als Rapid Manufacturing-Verfahren zu verwenden. Die Fähigkeit, mittels generativer Verfahren kontrolliert Metall, Komposite und Hochleistungs-Polymere zu verarbeiten, eröffnet eine einzigartige Möglichkeit für die Industrie, neue Wege in der Fertigung zu beschreiten. Besonders in den letzten 5 Jahren haben faserverstärkte und Hochtemperatur-Polymere wie PEEK (Abbildung 1) aufgrund diverser Gründe besondere Beachtung durch mehrere Industriezweige erfahren.


Einige dieser Gründe beinhalten die Gedanken an Energieeinsparungen, Leichtbau-Konstruktionen, thermomechanische Leistungsfähigkeit, Biokompatibilität, chemische Inertheit oder elektrische Eigenschaften. Die Materialien sind daher der Hauptgrund, der die generativen Fertigungsverfahren für industrielle Anwendungen attraktiv macht. Polymere sind zweifelsohne die einzige Klasse an Materialien, die relativ einfach bei geringen Energiekosten und mit anderen Materialien zu Kompositen verarbeitet werden können. Dabei erfüllen sie gleichzeitig die verschiedensten Anforderungen in technischen und konstruktiven Anwendungen. Aufgrund dessen besteht die Notwendigkeit, die Verarbeitbarkeit der Polymermaterialien für die generative Fertigung intensiv zu untersuchen.

 

Abb. 1. Fused Filament Fabrication-3D-gedruckte Teile verschiedener Materialien.

Der Grundgedanke des Rapid Manufacturing beruht auf der schnellstmöglichen Herstellung funktionsfähiger Teile. In Kombination mit der Freiheit, komplexe Geometrien zu fertigen, ermöglicht Rapid Manufacturing ebenso die Massen-Anpassbarkeit in der Industrie. Während die Fertigungsdauer pro Teil nach wie vor eine Herausforderung für das Rapid Manufacturing bleibt, ist es verständlich, dass 3D-Druck-Technologien vor allem dafür entworfen wurden, Kleinserien und hochkomplexe Geometrien zu verwirklichen.

 

Abb. 2. Kostenvorteil-Vergleich zwischen generativer Fertigung und herkömmlichen Fertigungsverfahren. 

In anderen Worten, es existiert ein Markt für 3D-Druck oder generative Fertigung in Unternehmen. Auf dem Materialmarkt erweitern die Hersteller ihre Angebotspaletten und beziehen Materialien für die generative Fertigung mit ein, um die Anforderungen für die Werkzeugentwicklung, Gussformen, Stempel und Stützstrukturen für praxisbezogene Konstruktionsaufgaben zu erfüllen. Diese Materialien sind bezogen auf die klassischen 3D-Druck-Materialien wie ABS, PLA und Photopolymere vergleichsweise teurer. Die Kennwerte dieser Materialien sind jedoch deutlich besser, und die 3D-Drucker, welche diese Materialien verarbeiten können, sind in Ihrer Anschaffung ebenfalls teurer als jene, die im Hobbybereich oder für die reine Prototypen-Fertigung verwendet werden.

Die Verarbeitungsanforderungen für Hochleistungspolymere können sehr strikt sein. Als Beispiel sind bereits industriell etablierte, thermoplastische Materialien wie PEEK nicht leicht zu verarbeiten. Von den momentan bestehenden 3D-Druck-Technologien sind nur die Fused Filament Fabrication (FFF) und das Selective Laser Sintering (SLS) technisch in der Lage, PEEK zu verarbeiten. Diese Verarbeitungsmethoden unterscheiden sich jedoch deutlich voneinander und haben unterschiedliche Effekte auf das verarbeitete Material. Die gedruckten Teile unterscheiden sich in Ihrer Struktur, besonders auf mikroskopischer Ebene, weshalb die unterschiedlichen Verarbeitungsmethoden den Modellen unterschiedliche Eigenschaften verleihen. Die technische oder wissenschaftliche Erklärung für diese Unterschiede ist nicht ganz trivial, kann aber im Allgemeinen zurückgeführt werden auf die thermische Belastung des PEEKs während der Verarbeitung mit dem Laser gegenüber dem bloßen Aufschmelzen und Erstarren des Materials beim FFF-3D-Druck. Diese Art der Diskrepanz, besonders im Hinblick auf die Eigenschaften der Teile, hat entschiedenen Einfluss auf die Vorzüge des Markts hinsichtlich der Methoden.

 

                  (a)                                                                                                            (b)

Abb. 3. (a) Zugversuch an einer Zugprobe aus PEEK (b) Zugfestigkeit und –dehnung für PEEK, verarbeitet mittels SLS und FFF.

Wir besitzen mittlerweile Beweise aus ca. 30 Jahren, die belegen, dass 3D-Druck-Technologien funktionieren. Aufbauend auf dieser Tatsache sehen die Autoren eine glänzende Zukunft für das Rapid Manufacturing. Es passt gut in eine Produktionslandschaft, in der schlanke Produktionslinien, kurze Lieferketten, Logistik und Lageraktivitäten gefragt sind. Rapid Manufacturing ebenso wie die Verfahren, die es unterstützen, passt gut zur Denkrichtung des Production on Demand,  was es zu einem wertvollen Gewinn für den Industrie-4.0-Sektor macht.

 

Danksagungen

Wir danken der Technischen Universität Delft und der Hochschule Merseburg für die mechanischen Testwerte.

 

Kontakt

Brando Okolo (PhD)

Indmatec GmbH – Karlsruhe – Deutschland / brando.okolo@indmatec.com

Indmatecs 3D gedrucktes PEEK findet Anwendung in der Vakuum Technologie

In der Vakuumtechnologie gilt es, ausgasende Materialien zu vermeiden, da deren Eigenschaften es erschweren, die gewünschte Qualität des Vakuums zu erreichen. Ausgasende Materialien setzen gasförmige Moleküle frei, die Kontaminationen in wichtigen Bestandteilen oder Maschinenteilen hervorrufen können und deren gewünschte Eigenschaften verändern.

Metalle spielten bisher eine Schlüsselrolle für Teile in Hochvakuum-Anwendungen, da sie, wenn entsprechend behandelt, nicht ausgasen. Die meisten Polymere gasen jedoch aus. Dies ist eine den Polymeren inhärente Eigenschaft, da sie aus chemischen Spezies hergestellt werden, die unter entsprechenden Temperatur- und Druckverhältnissen tendentiell ausgasen.

Eine der Eigenschaften von PEEK ist ein sehr geringes Ausgasungsverhalten selbst bei relative hohen Temperaturen.

Vakuumtest von PEEK-Teilen, die mit Indmatecs 3D-Druck-Technologie und aus Indmatecs PEEK-Filament hergestellt wurden, ergaben eine Ausgasungsrate von 5x10-7 mbar l/cm-2 s-1 nach 18 Stunden im Vakuum. Um diesen Wert einzuordnen: er bedeutet, dass das PEEK-Material in seinem Zustand wie gedruckt bereits den Anforderungen für Hochvakuum-Anwendungen genügt. Wenn das 3D-gedruckte PEEK-Teil vor dem Test für 12 Stunden bei 150°C ausgeheizt wurde, sinkt die Ausgasungsrate auf 4.1x10-11 mbar l/cm-2 s-1: dieser Wert fällt in die Anforderungen für Ultrahochvakuum-Anwendungen.

This quality of data together with PEEK’s resistance to radiation damage extends Indmatec’s 3D printing technology to applications in space exploration where light-weight materials capable of enduring the demanding requirements for research in space environment are sought.

Diese Werte, zusammen mit der Widerstandsfähigkeit des PEEKs gegenüber Strahlungsschäden erweitert die Einsatzmöglichkeiten der 3D-Druck-Technologie von Indmatec. Anwendungen für die Raumforschung, bei denen leichte Materialen gefordert werden, die den hohen Anforderungen der Forschung im All genügen, werden hiermit abgedeckt.

PEEK-Teile für Anwendungen in der Vakuumtechnologie, gedruckt mit einem Indmatec 3D-Drucker.

Kontakt:

Brando Okolo (PhD)

brando.okolo@indmatec.com

 

Anerkennung:

Wir bedanken uns bei Herrn Andy Stallwood von Diamond Light Source Ltd für die Vakuum Tests.

INDMATEC GMBH MACHT PEEK FILAMENT FÜR DIE HERSTELLUNG VON MEDIZINPRODUKTEN VERFÜGBAR

PEEK ist ein Hochleistungskunststoff, der im letzten Frühjahr vom Karlsruher Startup Indmatec als Filament für FDM©/FFF-3D-Drucker auf den Markt gebracht wurde. Seine Verwendbarkeit für die Herstellung von Medizinprodukten bis zur Klasse IIa wurde jetzt mit einer erfolgreichen biologischen Qualifizierung nach EN ISO 10993-5/-4/-18 bestätigt.


Das ab Februar 2016 erhältliche “PEEK MedTec“ Filament ist einsetzbar für verschiedene medizinische, dentale und chirurgische Anwendungen. Zudem lässt sich das Filament im Prototyping für medizinische Produkte wie Prothesen verwenden. Dank der Kombination aus dem Hochleistungspolymer für medizinische Zwecke und der 3D-Druck-Methode „Fused Filament Fabrication“ (FFF) können geometrisch anspruchsvolle und aufwendige Objekte, wie Sekundärkronen, Gerüste, spezielle chirurgische Werkzeuge sowie Bauteile für Endoskope jetzt kostengünstig, schnell und unkompliziert hergestellt werden.

PEEK (Polyetherehterketon) selbst wird schon seit längerer Zeit im medizinischen sowie zahnmedizinischen Sektor verwendet. Gründe für die besondere Eignung sind sein geringes Gewicht und eine hohe Abriebfestigkeit. PEEK ist zudem "knochenverträglicher" als herkömmliche Metallimplantate. Bei diagnostischen Untersuchungen wie Röntgen erweist es sich als wenig störend und muss in der Regel nicht umständlich entfernt werden. Die PEEK-Implantate werden derzeit noch mit traditionellen, kostenintensiven und zeitraubenden Fertigungsverfahren hergestellt. Mit der anvisierten Zertifizierung des Materials als Medizinprodukt für den 3D-Druck können PEEK-Teile in naher Zukunft in jedem Krankenhaus und Dentallabor schnell und wirtschaftlich gefertigt werden – eine gute Nachricht für Patienten, Krankenkassen, Ärzte und das gesamte Gesundheitssystem.

Passend zum PEEK-Filament präsentierte Indmatec im August vergangenen Jahres bereits die 2. Generation seines speziell für Hochleistungspolymere entwickelten FFF 3D-Druckers, den „HPP 155“. Nach der Zulassung des PEEK Filaments wird Indmatec in Kürze auch den FFF 3D-Drucker HPP 155 in einer speziellen Variante für den medizinischen Gebrauch auf den Markt bringen.

„Neben PEEK im „technical grade“ kann der HPP 155 auch weitere Hochleistungsfilamente, die wir für die Industrie entwickeln, drucken. Dazu zählt unter anderem PVDF (Polyvinylidene Fluoride)", berichtet Tony Tran-Mai, einer der Gründer und Geschäftsführer des Karlsruher Unternehmens, nicht ganz ohne Stolz, von den Alleinstellungsmerkmalen des neuen 3D-Druckers. „Denn PEEK als Filament für den 3D-Drucker eignet sich längst nicht nur für medizinische Aufgabenstellungen.“ 

Nachdem es Indmatec im vergangenen Jahr gelungen war, PEEK mit dem FFF Verfahren 3D-druckfähig zu machen, und den passenden FFF-3D-Drucker zu bauen, zeigen sich auch viele andere Industriebereiche hoch interessiert. Die Vorteile liegen auf der Hand: Das PEEK-Filament zeichnet sich nicht nur durch zahlreiche positive Eigenschaften wie hohe mechanische Steifigkeit und Abriebfestigkeit, sondern auch durch hohe chemische Beständigkeit aus. Ein besonderer Vorteil, der dieses Polymer gegenüber allen anderen FFF-Materialien so einzigartig und begehrenswert macht, ist seine Temperaturbeständigkeit. Sein Schmelzpunkt liegt bei 343°C. Aufgrund der metallähnlichen Eigenschaften und seiner Eignung für Bauteile in Leichtbauweise sind die PEEK-3D-Druck Lösungen von Indmatec optimal einsetzbar für industrielle Zwecke. 

       MÖGLICHE ANWENDUNGEN

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PEEK in Verbindung mit der FFF-Technologie

Autor: Prof. Dr. Brando Okolo

PEEK (Polyetheretherketon) ist ein semi-kristallines thermoplastisches Polymermaterial. Seine Markteinführung als industrielles Material hat die Materialwahl der Konstrukteure aus verschiedensten Industriezweigen revolutioniert.

 

Hier einige der Eigenschaften von PEEK, um eine Übersicht über seine möglichen Einsatzgebiete zu erlangen:

-Thermische Stabilität bis zu 250°C (es erleidet keine strukturelle Verformung, kann also in Wasserkochern oder Niederdruck-Dampfsysteme verwendet werden, ohne Veränderung seiner physischen Eigenschaften; der Schmelzpunkt liegt bei 343°C)

-Gute Verschleiß- und Abriebeigenschaften (kann verwendet werden in Kugellagern, Gleitflächen und Systemen, in denen Oberflächen Relativbewegungen ausführen müssen bei gleichzeitiger Einhaltung von Toleranzen) – besser als Titan oder Stahl!

-Gute Kriecheigenschaften (kann dauerhaft belastet werden ohne permanente Verformung)

-Sehr geringe Feuchtigkeitsabsorption

-Wiederholt dampfsterilisierbar (d.h. die Abtötung oder Verhinderung von Keimen, Bakterien und anderen Mikro-Organismen)

-Biokompatibel bei gleichzeitig ähnlicherem E-Modul des menschlichen Knochen als andere Implantatmaterialien, daher weniger „Stress Shielding“ und bessere Knochenresorption.

-Chemisch inert, kann daher in stark korrosiven Umgebungen verwendet werden, wodurch weniger Kosten für Anti-Korrosions-Behandlungen anfallen

-Seine Dichte ist ca. ein Fünftel der technischeren Metalle, kann aber den mechanischen Belastungen der meisten Konstruktionsanwendungen widerstehen.

-Gute elektrische Isolierung

-Entspricht der V-0-Entflammbarkeitsklasse (hört 10 Sekunden nach dem Anzünden auf zu Brennen, und tropft heiße Teilchen, die selbst nicht brennen)

-PEEK ist von der FDA genehmigt für Lebensmittel und Kontaktapplikationen

 

Einige der bereits etablierten Anwendungsgebiete von PEEK:

Luftfahrt:

-Klemmen und Halterungen für strukturelle Teile.

-Rohrleitungen.

Elektronikbranche:

-Teile von Laserdruckern, die Hitzebeständigkeit, hohe Festigkeit, Abrieb- und Verwindungsfestigkeit (Zahnräder und Lager) erfordern.

Energiesektor:

-Abdichtungen und Dichtungsringe in Öl- und Gasanwendungen aufgrund seiner Stabilität bei relativ hohen Temperaturen, seiner Beständigkeit gegenüber korrosiven Einflüssen, seiner Stabilität bei Drücken bis zu 200 MPa und Verbesserungen in der Komponenten-Lebensdauer unter Verschleiß- und Druckbedingungen.

Medizin:

-Für Implantate in der Orthopädie als Stützstruktur für Knochenbrüche, Käfige und Stäbe für Wirbelsäulen-Implantate.

-Für Prothesen im Dentalbereich als Kronen und Brücken, aus „Dental Discs“ gefräst.

Automotive:

-Für Getriebesysteme, wo es eine bis zu 50-prozentige Verringerung des Geräuschs, der Vibration und der Rauheit (NVH) erreicht.

-Teile von Vakuumpumpen aufgrund seines geringen Verschleißes, seiner Dämpfung und seiner chemischen Inertheit.

Leichtbau:

-Keine Schmierung nötig bei tribologischen Lastfällen wie in Lagersystemen.

-Ungefähr um ein Viertel verringerte Trägheit verglichen mit metallischen Strukturmaterialien.

Besitzt eine bis zu zweifache Lebensdauer verglichen mit stahlbasierten Lagern.

 

Fakten:

Heutzutage verfügen wir über ein leichtes Material (ca 70% leichter als die meisten technischen Metalle), das in der Lage ist, Metalle in einigen Schlüsselpositionen der Konstruktionsanwendungen zu ersetzen, da seine thermo-mechanischen Eigenschaften in diesen Anwendungen wettbewerbsfähig gegenüber Metallen sind. Solch ein Material in der Industrie einzusetzen könnte zu riesigen Energie-Einsparungen und des CO2-Fußabdrucks führen.

Dieses Material ist im Vergleich zu Aluminium oder anderen technischen Polymeren teuer, doch seine ökonomischen Vorteile als Konstruktionswerkstoff wiegen den Preis wieder auf. Die meisten PEEK-Materialien, die in industriellen Anwendungen verwendet werden, werden durch Spritzguss verarbeitet oder mittels CNC-gesteuerter Methoden subtraktiv bearbeitet (bohren, fräsen, schneiden). Diese Methoden führen unvermeidbar zu Abfall. Abfälle, selbst wenn recycelbar, sind ökonomisch schlecht für jeden Industriezweig.

Wenn PEEK durch 3D-Druck-Technologien verarbeitet werden könnte, geschähe das Folgende: (i) keine Erzeugung von Abfällen, (ii) die Möglichkeit der Massenanpassbarkeit, z.B. patienten-spezifische Implantate im medizinischen Sektor, (iii) geringe Investitionskosten für Maschinen und Trainings der Maschinenführer, wovon kleine wie große Unternehmen profitieren.

Die günstigste der 3D-Druck-Technologien, die FFF-Technologie, kann jetzt für PEEK eingesetzt werden.

Die Indmatec GmbH aus Karlsruhe, hat PEEK-Rohmaterial als qualitativ hochwertiges Filament extrudiert und die technische Machbarkeit des 3D-Drucks von PEEK mittels der FFF-Technologie demonstriert. Indmatec bietet auch die technische Unterstützung an, um Ihnen zu helfen, jedes technische, thermoplastische Material 3D zu drucken, das Sie in Ihren Produkten wünschen.

 

Die Indmatec GmbH druckt PEEK in 3D mittels der FFF-Technologie

Autor: Prof. Dr. Brando Okolo

Die meisten kommerziell erhältlichen FFF-3D-Drucker (Fused Filament Fabrication) verwenden Extruder, die Materialien bei Temperaturen bis zu 300°C verarbeiten können. Für die meisten Hochleistungs-Polymere (vor allem Thermoplasten) mit Schmelzpunkt jenseits von 300°C wie PEEK, PTFE oder PPSU bedeutet das, dass sie nicht für die Herstellung von Teilen mittels der FFF-Technologie benutzt werden können. Die Einführung eines Extruders mit Vollmetall-Hot-End, welcher Temperaturen bis zu 400°C erreichen kann, eröffnet neue Chancen, mehr Materialien für industrielle Anwendungen mittels dieser Technologie zu verarbeiten.

Kleine und mittlere Unternehmen treiben den Prozess voran, welcher Länder wie Deutschland zu einer global erfolgreichen Industrie gemacht hat. Diese Sparte der Wirtschaft verdient ungehinderten Zugang zu 3D-Druck-Technologien. Unglücklicherweise erschaffen die Kosten industrieller 3D-Druck-Anlagen eine großen Hürde für Unternehmen, die den 3D-Druck in ihre Arbeitsabläufe integrieren möchten.

Indmatecs Arbeit an der kostengünstigsten der 3D-Druck-Technologien (der FFF-3D-Drucker) ermöglicht es kleinen und mittleren Unternehmen einen 3D-Drucker zu erwerben, aus einer Vielzahl an technischen Polymeren auszuwählen und hochqualifizierte Beratung für den 3D-Druck in ihrem Unternehmen zu erhalten.

Indmatecs Demonstration der technischen Machbarkeit, ein Material wie PEEK mittels eines FFF-3D-Druckers zu verdrucken, ist ein wegweisender Schritt vorwärts für die Industrie. Sehen Sie hier mehr: https://www.youtube.com/watch?v=ZaFYimxFPmM&feature=youtu.be

Vereinbaren Sie einen Termin mit der Indmatec GmbH und bringen Sie Ihr Unternehmen vorwärts.

Der 3D-Druck in Ihrer Zahnarztpraxis: eine kostengünstige Lösung für Kieferorthopäden

Autor: Prof. Dr. Brando Okolo

Die Entwicklung unsichtbarer kieferorthopädischer Lösungen hat neue Möglichkeiten eröffnet, den Patienten das Stigma zu ersparen, mit metallischen Teilen im Mund aufzufallen. Während herkömmliche Lösungen (sichtbar wie unsichtbar) aufgrund der verwendeten Drähte oft zu Schmerzen, Verletzungen, einem wunden Mund führen und allgemein unangenehm sind, gibt es nun spangenlose Lösungen, die auf große Patientenzufriedenheit stoßen. Die spangenlosen Lösungen, sogenannte transparente Zahnschienen (Aligner), ermöglichen die Behandlung schiefer Zähne, Zahnlücken oder Zahnengstände und Überbisse. Transparente Zahnschienen werden aus zertifzierten transparenten Kunststoffen hergestellt, basierend auf einem Programm, welches der Kieferorthopäde oder Zahnarzt für den jeweiligen Patienten auslegt. Dieses Programm enthält drei Schlüsselphasen:

(1) Anfertigung des Zahnabdruck des Patienten

(2) Erstellung eines Computermodells für die spätere Herstellung der Zahnprofile des Patienten

(3) Herstellung der Schienen für den Patienten, die schrittweise nacheinander eingesetzt werden.

Die digitale Zahnarztkunst macht den Einsatz von transparenten Zahnschienen im Arbeitsablauf des Zahnarztes wesentlich einfacher. Die Vorteile einer solchen Herangehensweise sind vielfältig. Patientenspezifische Behandlungsprogramme werden vom Zahnarzt entwickelt, mit Hilfe derer die Herstellung der angepassten Zahnschienen erfolgt. Die Schienen bestehen aus Materialien, die weder Haut noch Zahnfleisch reizen, und die leicht herausgenommen werden können, z.B. um die Zähne zu putzen oder Zahnseide zu verwenden. Die Grafik unten stellt den Arbeitsablauf dar, der die Anwendung der transparenten Zahnschienen in der Kieferorthopädie unterstützt.

3D-Druck-Technologien können dazu verwendet werden, Zahnabdrücke herzustellen, die dann als Form für die Herstellung der Zahnschiene mittels Warmformen dienen. Diese Herangehensweise ist günstig und liefert gleichzeitig die für Dentalanwendungen geforderte hohe Maßhaltigkeit. Durch unsere Expertise im Feld des 3D-Drucks werden wir Ihnen helfen, die Anwendung dieses Verfahrens auf andere Aspekte Ihrer Dentalpraxis anzuwenden.

3D-gedrucktes PEEK für medizinische Anwendungen

Autor: Prof. Dr. Brando Okolo

3D-Druck-Technologien bringen das Versprechen mit sich, auf einfache Art und Weise physische Kopien von digitalen Designs und Konstruktionen erstellen zu können. Die digitalen Daten können aus einer Computer Aided Design-Konstruktion (CAD) kommen oder aus Daten eines MRT, eines CT oder eines Röntgengerätes bestehen. Rohdaten dieser Scanner werden auf einfache Art und Weise in ein Format konvertiert, das ein 3D-Drucker lesen kann, typischerweise das nicht-proprietäre STL-Format. Dieses Modell wird dann gedruckt und man erhält das physische Modell des Organs oder der Biokomponente. Mit derartigen Möglichkeiten ausgestattet ist es selbstverständlich, dass 3D-Druck-Technologien neue Anwendungen im Medizinbereich zu ermöglichen.

Anpassbarkeit ist einer der stärksten Vorteile der 3D-Druck-Verfahren. In der medizinischen Praxis können solche Verfahren das Bestreben der Industrie voranbringen, individualisierte Patientenversorgung anzubieten, indem sie es ermöglichen, wirklich patientenspezifische Behandlungen anzubieten, die Kommunikation zwischen Ärzten zu verbessern und das Vertrauen aufzubauen, das für den Erfolg der Behandlung nötig ist. Andere Vorteile des 3D-Drucks in der medizinischen Praxis sind (i) die verringerten Kosten für Versuche und biomedizinische Forschung (ii) die Machbarkeit der Herstellung von Teilen, deren geometrische Komplexität für konventionelle Herstellungsmethoden zu große Hindernisse darstellen (iii) der Einsatz von angepassten medizinischen Produkten wie Prothesen und Implantaten, die auf patientenspezifischen Daten basieren; diese Produkte werden helfen, die Nebenwirkungen bei Patienten zu verringern.

Bei der Planung von Operationen verwenden Ärzte und ihre Teams hauptsächlich zweidimensionale Daten des menschlichen Körpers, die aus dem MRT, CT oder Röntgenapparaten stammen. Aufgrund dieser Daten fällen sie Entscheidungen, die entscheidend für den Erfolg oder Misserfolg der Operation sind. Die Arbeit mit einer dreidimensionalen Kopie einer solchen Struktur in Echtgröße kann den Vorbereitungsprozess deutlich verbessern. Das chirurgische Vorgehen kann lange vor dem tatsächlichen Eingriff geprobt werden, was dem medizinischen Team einen besseren und tieferen Einblick in den patientenspezifischen Fall erlaubt.

Die Indmatec GmbH hat erfolgreich die Machbarkeit eines hochqualitativen 3D-Drucks biomedizinischer Strukturen aus Polyetheretherketon (PEEK) mittels der Fused Filament Fabrication-Technologie (FFF) demonstriert. Die Daten wurden aus MRT- und CT-Scans realer menschlicher Anatomie gewonnen. Unsere Technologie und PEEK-Material sind im Vergleich zu den Marktbedingungen günstig zu erwerben und übersteigen die Qualitätsansprüche der Endnutzer.