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Neues/Interessantes»Nicht mehr fertigungsgerecht sondern funktionsgerecht konstruieren«

Monika Corban, Rheinfelden

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Neues/Interessantes: »Nicht mehr fertigungsgerecht sondern funktionsgerecht  konstruieren«
Beim diesjährigen Branchentreffen rund um die Rapid-Technologien, der 7. Rapid Tech in Erfurt, war man sich einig: Anwendung finden die Techniken inzwischen viele, vor allem in der Medizintechnik. Doch noch mangelt es an Reproduzierbarkeit, der freien Werkstoffwahl und für tatsächliches Rapid Manufacturing sind die Bauteilkosten oft noch zu hoch.

»Die Hürde vom Spezial- zum Massenmarkt ist überschritten«, freute sich Rapid-Tech-Initiator Professor Dr. Andreas Gebhardt vom CP – Centrum für Prototypenbau aus Erkelenz, »denn mit HP steigt nun ein Global Player im Printbereich in das 3D-Drucken ein.« Selbst wenn das Unternehmen den Drucker nicht selbst entwickelt habe, so verfüge es doch über die weltweite Vertriebs- und Servicestruktur, die die meisten bisherigen Anbieter so nicht bieten können (siehe dazu auch Beitrag S. 50).

In seiner Eröffnungsrede wies Gebhardt darauf hin, dass ein mit generativen Technologien gefertigtes Einzelteil noch immer etwas mehr kostet, als traditionell gefertigte Teile. Dafür fielen jedoch die Werkzeugkosten weg, was besonders in der Medizintechnik wichtig sei, wo es sich oft um Einzelanfertigungen handle. So vielfältig sind dort bereits die Anwendungen, dass die Beispiele in Erfurt auf den parallel veranstalteten Fachkongressen Medizintechnik sowie CAD/CAM und Rapid Prototyping (RP) in der Zahn- technik präsentiert wurden.
»In der Medizin beschleunigt Rapid Prototyping vor allem die Operationsplanung, wobei das Verfahren dort inzwischen sogar oft von der immer besseren 3D-Software abgelöst wird«, berichtete Professor Hans-Florian Zeilhofer, Kiefer- und Gesichtschirurg und Pionier der RP-Anwendung in der Chirurgie der Universität Basel. Besonders in der Computer Assisted Surgery würden immer mehr aus dem Rapid Prototyping stammende Bauteile verwendet, etwa Befestigungsplatten, mit denen an anderer Stelle entnommene Knochenstücke an ihrem neuen Platz fixiert werden. »Der Patient gewinnt durch die Planung und Vorkonfektionierung nicht nur eine bessere Ästhetik, sondern vor allem Funktion«, betonte Zeilhofer. Eine seiner Visionen sieht vor, dass bald per Tissue-Engineering Patienten-individuelle Gerüststrukturen mit Knochenstammzellen bewachsen werden können und so etwa bei Verlust wichtiger Knochen durch Tumoren die Entnahme von Ersatzknochen aus der Hüftpfanne oder dem Wadenbein überflüssig wird. Nach dreijähriger Entwicklungsarbeit hat ein Forschungskonsortium, an dem er beteiligt ist, inzwischen eine dazu geeignete Keramik entwickelt und den ersten Patienten behandelt.

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Eingeschränkte Werkstoffwahl beim RM weiter bemängelt

Hans Keller, seit 1984 bei der Aesculap AG in Tuttlingen mit Prototypen befasst, verwies in seinem Vortrag auf den Vorteil, dass die per RP entwickelten Prototypen direkt zu ersten Tests in die Klinik können und dass sich nach der daraus resultierenden Modifikation des Datensatzes leicht ein weiterer Prototyp generieren lässt. Bei jährlich rund 400 gemeinsam mit Chirurgen und Orthopäden neu entwickelten Produkten sei dies ein entscheidender Vorteil. Die Maschinen der Wahl sind für ihn dabei die Eden 260 und 350 von Objet Geometries, da diese Maschinen vielseitiger seien als Anlagen zum Pulversintern oder Stereolithographie-Systeme.
Mit dem Objet druckt auch Antonius Köster, Geschäftsführer der Antonius Köster GmbH & Co. KG in Meschede. Für den Dienstleister, der immer mehr Anfragen von Zahntechnikern bekommt, liegt der Vorteil des Objets vor allem darin, dass sich zwei unterschiedliche Materialien gleichzeitig drucken ließen. »Beim Einsatz durchsichtiger Kunststoffe kann ich so für Anschauungsmodelle beispielsweise auch Nervenkanäle sichtbar machen«, veranschaulicht Köster und fügt seine Erfahrung an, dass sich »durch CAD/CAM-Einsatz und RP-Techniken die Produktentwicklung im Zahnbereich von 24 Monaten auf drei Monate reduziert hat.«

Gleichzeitig mahnte der gelernte Modellbauer aber auch an, dass »die Konstruktion überdacht werden muss, wenn mit generativen Verfahren gearbeitet wird«, und erläuterte dies an einem Fall aus der Zahntechnik. Statt wie bisher zuerst das Trägersystem einer Krone zu entwickeln und daran dann mühsam ein ästhetisch ansprechendes Veneer, also die vor allem bei Frontzähnen verwendete Keramikschale für Zähne anzupassen, könnten die Zahntechniker nun versuchen, erst die Veneers zu wählen, und dann darunter das Trägersystem zu modellieren. Denn schon heute sei es möglich, »Langzeitprovisorien 3D zu drucken«.

Auch um das Rapid Manufacturing (RM), drehten sich in Erfurt viele Vorträge. Prof. Thomas Seul von der Fachhochschule Schmalkalden, sieht Zukunftsmärkte und Einsatzbereiche der generativen Verfahren in allen heute abschätzbaren Megatrends, etwa dem Thema Energie mit Windturbinen und der Mobilität, und nannte hier als Beispiel das Peugeot Concept Car BB1, ein nur 2,50 m langes Elektroauto. Der auffallend gestylte Zero-Emission-Viersitzer wiegt nur 600 kg, verfügt über Lithium-Ionen-Batterien, Elektromotoren in den Hinterrädern und hat eine Reichweite von 120 km. Seul prangerte aber die bisher geringe Werkstoffauswahl für das Rapid Manufacturing sowie die geringen Kenntnisse über die Werkstoffe an. Umso wichtiger sei daher die VDI-Richtlinie 3404 »Generative Fertigungsverfahren – Rapid-Technologien (Rapid Prototyping) – Grundlagen, Begriffe, Qualitätskenngrößen, Liefervereinbarungen« und die derzeit unter seiner Mitwirkung entwickelte VDI-Richtlinie 3405 für Rapid Manufacturing (Teil a: Kunststoffteile durch Lasersintern, Teil b: Metallische Bauteile durch Strahlschmelzen). Denn der fehlende Industriestandard sei vor allem für den Einsatz in der Medizintechnik ein Problem, zumal er einen weiteren Trend in der personalisierten Medizin sieht. »High-Tech goes Sozio-Tech und dient der Prävention sowie der Erhaltung der Würde und der Lebensqualität«, begründet Seul seine Erwartung. Die Folge: Die Produkte und ihre Anforderungen definieren die Märkte von morgen und nicht die Technologien. Dass die Umsetzung derartiger Ziele aber noch schwierig ist, belegte Dr.-Ing. Uwe Schöler von der Hamburger Olympus Surgical Technologies Europe mit zwei Fallbeispielen. Da das Unternehmen 40 Prozent seines Umsatzes mit Medizintechnikprodukten macht, die jünger als zwei Jahre sind, hatten die Hamburger an der Universität Duisburg untersuchen lassen, ob sich das Selektive Laserstrahlschmelzen (SLM) schon für die Herstellung neuer Produkte eigne. Als Beispiel wählten sie spezielle Maulteile endoskopischer Zangen, die auf bereits vorhandenen Scharnier- und Gelenkteilen aufgebaut werden sollten, sowie ein Video-Urethroskop. Zugversuche mit per SLM aufgebauten Maulteilen ergaben, dass diese technologisch durchaus umsetzbar und herkömmlich hergestellten Produkten vergleichbar sind. Auch das Urethroskop ließ sich realisieren und konnte dabei sogar konstruktiv so verändert werden, dass statt bisher acht Einzelteilen, die noch montiert werden müssen, direkt nur ein einziges Teil gefertigt werden kann. Allerdings wies Schöler darauf hin, dass das Strahlschmelzen auf einer eigenen Maschine unrentabel sei, da Olympus noch keine eigene Anlage habe und eine neue Anlage würde sich schlecht amortisieren, da sie nicht genügend ausgelastet sei. Alternativ ließ Schöler auch das Strahlschmelzen bei einem Dienstleister untersuchen. Trotz der konstruktiv gelungenen Reduktion des Urethroskops auf nur ein einzelnes Bauteil erwies sich dieses Vorgehen jedoch als etwa 70 Prozent teurer als die konventionelle Fertigung der Baugruppe mit acht Einzelteilen, denn die Oberfläche des SLM-Teils muss noch nachbearbeitet werden.

Die Einstiegsbarriere für produzierende Unternehmen seien die hohen Bauteilkosten durch lange Bauzeit, folgerte Schöler, – auch wenn gemunkelt werde, dass es bald schneller gehe, etwa durch den 400-W-Laser – sowie der hohe Nachbearbeitungsaufwand durch schlechte Oberflächen. »Noch sind zu viele Unbekannte in der Prozesskette, um für die Medizintechnikunternehmen interessant zu sein«, argumentierte er. »Der Prozess ist noch nicht validierbar, zu wenig reproduzierbar.« Diese Kritikpunkte will die Rapid-Manufacturing-Plattform Deutschland angehen, ein Netzwerk aus Herstellern, Anwendern und Experten in Sachen Rapid Manufacturing. Die Initiative will die technologische Weiterentwicklung der generativen Verfahren anschieben, Anleitungen zur RM-gerechten Konstruktion sowie Anwenderforderungen an die Anlagenhersteller erarbeiten, etwa die Forderung, Pulver frei beziehen zu können und nicht an die Werkstoffe des Anlagenherstellers gebunden zu sein. Forderungen, die sich etwa aus einer Anwenderbefragung ergeben haben sollen, unter anderem in ein Pflichten-/Lastenheft 2014 für die Anlagenhersteller münden. Vor allem Qualitätssicherung, also die Reproduzierbarkeit, Genauigkeit und die Prozessdiagnose seine noch nicht wirklich gegeben. Die Initiative bemüht sich auch darum, bestehende Bildungsdefizite in der Grund- und Weiterbildung zu beheben und hat sich auf die Fahnen geschrieben, die Namensgebung zu standardisieren. Zudem: In Deutschland besteht der Wunsch, von dem Begriff Rapid Prototyping weg zu kommen, generell hin zur Bezeichnung ›Generative Fertigungsverfahren‹. Aus Amerika kommt hierzu gerade der Vorschlag, den Begriff ›Additive Manufacturing‹ zu verwenden.

Ab 30 Stück kann SLM immer noch nicht mit herkömmlichen Fertigungsverfahren mithalten

Auch in einem weiteren Vortrag kamen die noch vorhandenen Beschränkungen des SLM-Verfahrens zur Sprache. Denn Dr. Bernhard Müller vom Fraunhofer IWU in Chemnitz, stellte am Prototyp eines Ventilgehäuses aus Aluminium dar, dass sich zwar ein Stück in drei Tagen fertigen ließe, die Kosten aber noch 270fach höher seien als bei traditionell gefertigten Bauteilen. »Noch besteht bereits ab zirka 30 Teilen ein Kostenvorteil für traditionelle Gussteile«, so Müller. »RM ist also nur für sehr kleine Serien interessant.«

Als weiteres Problem wiesen viele Anwender auf den noch sehr beschränkten Bauraum der meisten SLM-Anlagen von durchschnittlich 250 mm x 250 mm x 250 mm hin. Eine Lösung für dieses Problem wird bald von der Lübecker MTT Technologies GmbH angeboten. Marketing Manager Stefan Ritt wies darauf hin, dass sein Unternehmen bereits über eine SLM-500-Anlage mit einem Bauraum von 500 mm x 500 mm x 500 mm verfügt, die im Rahmen eines EU-Projektes im März diesen Jahres im Werk der MTT Technologies Group in Stone/England fertiggestellt wurde: »Wir planen die Markteinführung dieser Anlage zum Beginn des nächsten Jahres.« -mc-

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