Erfolgreiche realisierte 3D-Druck-Projekte Geniale Ideen umsetzen

Bild 1a. Der unterschenkelamputierte Kletterer C.J. Howard positioniert seine lasergesinterte Kletterprothese aus Titan in der Kletterroute „Hey Y’all Watch This“ an den Luther Spires in South Lake Tahoe/Kalifornien.
Bild 1a. Lasergesinterte Kletterprothese aus Titan für die Kletterausrüstung.

Maßgeschneiderte Produkte zeit- und kostensparend produzieren zu können ist das Hauptargument für industriell genutzte 3D-Druckermodelle. Die folgenden Beispiele lassen erkennen, welche Branchen davon heute schon profitieren; so zum Beispiel die Medizintechnik.

Es vergeht keine Woche, in der nicht irgendwelche Studien über 3D-Drucktechniken und deren Auswirkungen auf unsere Industriegesellschaft publiziert werden. Die Tatsache, dass die dafür erforderlichen Fertigungsmaschinen immer kostengünstiger werden, erweckt zudem auch den Eindruck, als würde bald schon in jedem technikaffinen Büro oder Bastlerzimmer eines dieser Geräte neben dem ohnehin schon vorhandenen Laser- oder Tintendrucker stehen. Limitierende Faktoren sind hier aber nicht die Anfangsinvestitionen, sondern die laufenden Kosten für die Ausgangsmaterialien und vor allem die Kreativität der Eigentümer dieser Geräte.

Wer damit nicht nur Miniaturausgaben seiner selbst als Geschenke für die nächste Party produzieren will, benötigt für die wirtschaftliche Nutzung dieser Fertigungsmaschinen vor allem ein gutes Gespür für die Bedürfnisse unserer Gesellschaft und vor allem erfahrene Partner, die einem bei der Umsetzung seiner Produktideen behilflich sind.

Die folgenden Produktideen geben Interessierten ansatzweise einen Eindruck darüber, wer sich heute schon der additiven Fertigungstechniken bedient; aus Platzgründen begrenzt auf Projekte, die mit dem Laser-Sinter-Verfahren der Firma Electro Optical Systems (EOS) umgesetzt wurden.

Wenn‘s nicht passt, muss der Fuß neu designt werden

Kletterer verlassen sich beim Erklimmen steiler Felswände auf ihren Instinkt, ihre Erfahrungen und, was ebenso wichtig ist, auf die Ausrüstung. Diese besteht unter anderem aus Karabinern, Klemmgeräten, Klemmkeilen, Gurten, einem Helm und speziellen Kletterschuhen. Alles ist an die Art des Gesteins und den Kletterweg angepasst. Die Schuhe sind je nach Einsatzgebiet eher unbiegsam oder extrem flexibel. Auch für den Kletterer C.J. Howard aus Nordkalifornien haben die Schuhe einen hohen Stellenwert. Noch viel wichtiger ist für ihn als unterschenkelamputierten Sportler aber die Fußprothese (Bild 1), die er zusammen mit der Umwelttechnikerin/Luft- und Raumfahrtingenieurin Mandy Ott entwickelt hat.

Schuhe verschleißen sehr schnell

Howard ist ein aktiver Mensch. Auch nachdem bei ihm ein Osteosarkom diagnostiziert wurde, was die Amputation seines linken Beins unterhalb des Knies zur Folge hatte, nahm er weiterhin an Laufwettbewerben teil. Bei verschiedenen Veranstaltungen verbesserte er die von anderen amputierten Athleten aufgestellten Weltrekorde. Durch Ott lernte er das Klettern kennen und lieben – ein Sport, der für seinen Stumpf zudem viel besser geeignet ist als das Laufen. Zunächst kletterte er mit seiner Standardfußprothese, über die er einen Kletterschuh zog. Doch der Spezialschuh passte nicht zur generischen Form der Prothese und verschliss sehr schnell. Deshalb entwickelten die Kletterfreunde gemeinsam einen für den Sport optimierten Prothesenfuß.

Herkömmliche Herstellverfahren hatten ihre Nachteile

In kurzer Zeit entstand am Laptop eine neu geformte Prothese, die vorn nach unten gebogen war und einer Banane ähnelte. Als Fertigungstechnologie kam für Ott nur das direkte Metall-Laser-Sintern (DMLS) infrage, welches sie bereits von ihrer Ingenieurtätigkeit für ein großes Luft- und Raumfahrtunternehmen kannte: „Ich habe es nie in Erwägung gezogen, die Prothese mit Hilfe herkömmlicher Fertigungstechniken herzustellen, da sie dann Nähte am Fuß sowie hervorstehende Schrauben oder Muttern besäße. Das kann man beim Klettern wirklich nicht gebrauchen“, erklärt Ott entschieden.

Die Ingenieurin wandte sich an Morris Technologies – ein Unternehmen, welches auf die generative Fertigung spezialisiert ist und mit dem sie bereits beruflich zusammengearbeitet hatte. Dort war man sofort bereit, dem behinderten Sportler zu helfen. Um mit der Fertigung beginnen zu können, wurden die digitalen CAD-Daten des Prothesenfußes zunächst in die Software eingelesen und in die einzelnen Schichtinformationen zerlegt. Diese hat dann das EOS-Fertigungssystem nacheinander wieder aufgebaut. Dazu wurde eine dünne Schicht Metallpulver aufgetragen, ein fokussierter Laserstrahl fuhr die erste Querschnittschicht des Fußes ab und verschmolz das Titanpulver. Danach senkte sich die Bauplattform ab, abermals erfolgte ein Pulverauftrag und anschließendes Verschmelzen des Materials mit der darunterliegenden Schicht. Dieser Prozess wiederholte sich fortlaufend, wobei die Prothese jedes Mal um etwa 20 µm wuchs. Eine Schichtstärke, die etwa der Dicke von fünf menschlichen Haaren entspricht. Nach Abschluss des vollautomatischen Bauprozesses wurde überschüssiges Pulver entfernt, und es folgte ein Entspannungsbrand, um das Metall zu härten und die Materialfestigkeit sicherzustellen.

Die Herstellung des glattkantigen Fußes mit einer Größe von 15 × 7,5 × 5 cm³ nahm rund vierzig Stunden in Anspruch. Die fertige Prothese wiegt etwa 2,3 kg. Um ihr Gewicht gering zu halten, wurde sie hohl gefertigt. Außerdem kommt sie ohne Nähte oder Befestigungsmittel aus. Nachträglich wurde das Fußteil mit einem Gummi beschichtet, der auch für die Sohlen von Kletterschuhen verwendet wird. Das dazugehörige Bein – eine Stange aus solidem Titan – wird über einen Schaft am Oberschenkel von C.J. Howard befestigt.

Titan als Ausgangsmaterial

Die Ingenieure von Morris Technologies verwendeten ein kommerziell erhältliches Titan (Ti64), das sich durch überragende Festigkeit und geringes Gewicht auszeichnet. Obwohl das die erste Prothese war, die das Unternehmen gefertigt hatte, erkannte Tim Warden, stellvertretender Leiter der Vertriebs- und Marketingabteilung, schnell das Potenzial der EOS-Technologie für diesen Anwendungsbereich: „Eine Prothese sollte an die Anatomie des Patienten angepasst sein. Falls sie nicht auf Anhieb sitzt oder nicht richtig funktioniert, kann einfach die CAD-Datei bearbeitet werden. Zum Beispiel, indem an den entscheidenden Stellen ein bisschen mehr Material eingebracht wird.“

Was das Design angeht, war Howards Kletterprothese recht einfach. Warden weist aber darauf hin, dass sich das DMLS-Verfahren auch für die Herstellung von medizinischen Produkten mit viel komplexerer Geometrie eignet. So ließen sich beispielsweise orthopädische Implantate für Hüft-, Knie-, Schulter- und Sprunggelenke oder sogar Wirbelsäulenimplantate sowie die dazugehörigen patientenspezifischen chirurgischen Instrumente fertigen. Hinzu kommt, dass auch die Liste an verarbeitbaren Materialien – einschließlich biokompatibler Kunststoffe und Metalle – immer umfassender wird.