Picco’s 3D World Ganze Beinlängen in 3D drucken

3D-Druck ist in aller Munde. Für medizinische Applikationen gilt das im wahrsten Sinne des Wortes, werden doch bislang vor allem eher kleinformatige Dentalprodukte generativ gefertigt. Doch das könnte sich bald ändern. Ein neuer 3D-Drucker erlaubt, Objekte von über einem Meter Länge herzustellen.

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Picco’s 3D World GmbH

Der 3D-Druck hat sich aufgrund seiner Flexibilität inzwischen in vielen medizinischen Bereichen bewährt. Nicht nur werden damit längst Implantate und kleinere Prothesen patientenspezifisch angefertigt, zu Übungszwecken werden detailgetreue Reproduktionen von Organen verwendet.

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Objekte über einen Meter Länge aus dem 3D-Drucker

Allerdings sind die erzielbaren Dimensionen durch die Größe der gängigen Drucker eingeschränkt. Um hier eine größere Freiheit und mehr Gestaltungsoptionen zu gewinnen, wurde der Delta-Tower entwickelt, der in Deutschland exklusiv vom Druck-Experten Picco’s 3D-World angeboten wird. Seine ungewöhnliche Rahmenkonstruktion erlaubt einen deutlich höheren Bauraum als bisher üblich, wodurch Objekte von bis zu 110 cm Höhe und 55 cm Durchmesser gefertigt werden können. Schienen oder Prothesen lassen sich in einem Stück realisieren, sogar ganze Beinlängen sind damit möglich. Je nach Anwendung können unterschiedliche Materialen eingesetzt werden, zum Beispiel PA, ABS und PETG, aber auch medizinisch besonders interessante Werkstoffe wie Keramik oder das biokompatible und abbaubare Polyactiden (PLA).

Verwendet wird die neue Technik beispielsweise vom Medizinproduktehersteller Medi. „Wir benötigen in der Entwicklungsphase von neuen Produkten immer wieder einzelne Teile, die aus Kostengründen nicht konventionell gefertigt werden können. Deshalb setzen wir 3D-Druck bei uns im Haus in verschiedenen Bereichen ein“, berichtet Patrick Bauer aus dem Bereich Forschung & Entwicklung der Medi GmbH & Co. KG. Das Unternehmen bietet unterschiedliche medizinische Hilfsmittel an, die unter anderem in der Phlebologie, der Orthopädie und der Prothetik zum Einsatz kommen. „Da wir häufiger Komponenten von einem Meter Höhe brauchen, ist der Delta-Tower ideal“, so Bauer.

Besondere Konstruktion für das Hot End

Im Gegensatz zu klassischen 3D-Druckern, die mit einem Schienensystem in X-, Y-, und Z-Achse arbeiten, nutzt der Delta-Tower drei Präzisionslinearführungen und sechs Halterungsarme, um das so genannte Hot End, den Druckkopf mit der heißen Düse, zu bewegen. Die Arme werden über Riementriebe gesteuert und verfahren die Druckeinheit dreidimensional im Raum, wodurch das zu druckende Objekt während des gesamten Prozesses fest auf dem Druckbett stehen bleiben kann. „So werden Schwingungen, wie sie bei sich bewegenden Druckbetten entstehen, vermieden, und es wird möglich, insgesamt höhere Objekte exakt zu drucken“, erklärt Joachim Schmidt, Geschäftsführer der Picco’s 3D-World GmbH. Außerdem ist der Druckvorgang dank der besonderen Aufhängung des Druckkopfs sehr geräuscharm.

3D-Druck leichtgemacht

Um eine möglichst hohe Präzision und Lebensdauer zu erreichen, besteht der Drucker-Turm aus exakt gefrästen Aluminium-Teilen, die einzeln von Hand überprüft und auf ihre Funktion getestet werden. Über der Bodenplatte ist das Heizbett eingebracht, dessen Temperatur konstant geregelt wird, wodurch eine stabile Fixierung des Druckobjekts sichergestellt wird, ohne es zu beschädigen. Dies ist notwendig, um ein Verrutschen während des Prozesses zu verhindern. Die Einrichtung ist vergleichsweise einfach, da ein Tastsensor automatisch die Kalibrierung und ebene Ausrichtung der Grundfläche übernimmt. Benutzer müssen lediglich die Höhe in Z-Richtung manuell einstellen.

Der 3D-Druck selbst erfolgt anhand von Objekt-Modellen, die in der Regel per CAD erstellt und in das gängige STL-Format exportiert werden. Diese Daten werden von der entsprechenden Software in einzelne Koordinaten aufgelöst, die der Druckkopf später abfahren muss. Für den Druck wird die ausgewählte Datei einfach per USB von einem Computer oder per TCP/IP 10/100-Schnittstelle übertragen. Selbst ein Speichermedium reicht dafür aus, da der Delta-Tower über ein internes LCD-Panel und ein Dreh-Klick-Rad direkt am Gerät bedient werden kann. Auf dem Display haben die Bediener zudem alle wichtigen Parameter im Blick und können jederzeit beispielsweise die Temperaturen des Druckers kontrollieren.

FDM-Verfahren ist schnell und kostengünstig

Gedruckt wird per Fused-Deposition-Modelling-Verfahren (FDM), das heißt ein Filament des gewünschten Werkstoffs wird bei bis zu 295 °C aufgeschmolzen und über eine Düse schichtweise aufgetragen, um das Objekt aufzubauen.

Die Dicke der aufgetragenen Schicht lässt sich je nach Anspruch regeln, von 0,05 mm für feine Details bis 0,5 mm für höhere Stabilität oder Produktionsgeschwindigkeit. Die Druckdauer richtet sich nach diesen Anforderungen an die Auflösung sowie nach der Größe und dem Material. „Man muss einige Versuche durchführen und Erfahrungen sammeln, bis man ein gutes Ergebnis erhält. Trotzdem ergibt sich insgesamt eine Erhöhung der Geschwindigkeit bei der Konzeption von neuen Produkten“, fasst der Medi-Entwickler Bauer zusammen. „Außerdem bietet das FDM-Verfahren die kostengünstigsten Drucke, weshalb wir uns für diese Technik entschieden haben.“ Durch die Fertigung direkt nach Modell ohne Nacharbeiten oder viel Abfall lassen sich selbst kleine Stückzahlen, Prototypen oder Nullserien wirtschaftlich herstellen, was beispielsweise auch patientenspezifische Anfertigungen erlaubt.

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