Schnitt durch einen additiv gefertigten keramischen Mikroreaktor: Die komplexe Kanalführung sowie die fluidischen Anschlüsse am oberen Ende wurden mit dem Bauteil ausgedruckt.
Fraunhofer-IKTS
Forscher haben ein flexibles additives Fertigungsverfahren entwickelt, mit dem sich Knochenimplantate, Zahnersatz, chirurgische Werkzeuge oder Mikroreaktoren in nahezu beliebigem Design herstellen lassen.
Auf der Medizintechnikmesse Medtec in Stuttgart zeigen gegenwärtig Wissenschaftler des Dresdner Fraunhofer-Instituts für Keramische Technologien und Systeme (IKTS) eine kleine Arzneimittelfabrik, nicht größer als ein Zweieurostück, das neben dem Patientenbett reichlich Platz finden könnte. Leitungen und Kanäle sind nur wenige Hundert Mikrometer groß. Darin ließen sich verschiedene Medikamente wie Schmerzmittel, Blutverdünner oder Antibiotika mischen – kontinuierlich und exakt abgestimmt auf den aktuellen Gesundheitszustand des Patienten. Ein Zukunftsszenario moderner Mikroreaktionstechnik, deren besonderen Möglichkeiten die Springer-Autoren Gerhard Emig und Elias Klemm in „Technische Chemie“ ab Seite 444 vorstellen.
Die Dresdner Forscher verfolgen in ihren Arbeiten insbesondere suspensionsbasierte, additive Fertigungsverfahren und deren Kombination mit anderen Produktionsmethoden, um Mikroreaktoren, aber auch Knochenimplantate, Zahnersatz oder chirurgische Werkzeuge herzustellen. Auf der Medtec präsentieren sie in diesem Jahr einen technologischen Ansatz, mit dem sich medizinische Bauteile in nahezu jedem beliebigen Design im 3D-Druck fertigen lassen. „Wir sind weder bei der Art noch bei der Farbe des Materials der gewünschten Bauteile limitiert. So lassen sich Keramiken, Gläser, Kunststoffe oder auch Metalle über thermoplastischen 3D-Druck verarbeiten. Ein weiterer Vorteil: Mehrere verschiedene Materialien können gleichzeitig gefertigt werden“, sagt Tassilo Moritz vom IKTS-Geschäftsfeld „Werkstoffe und Verfahren“. Auf ihrer Laboranlage haben die Wissenschaftler bereits Bauteile aus Hochleistungskeramiken und Hartmetallen erfolgreich hergestellt. Jetzt suchen sie Partner, um ihre Technologie in die Praxis zu bringen.
Der Multimaterialansatz ist beispielsweise in der Chirurgie wichtig: Endoskope verfügen oft über ein Instrument, das Gewebe zunächst aufschneidet, Blutgefäße aber sofort wieder über elektrischen Stromfluss verschließt. Damit der Strom nicht den Patienten belastet, muss das Instrument neben Edelstahl auch isolierende keramische Bauteile besitzen. „Keramische Werkstoffe sind häufig gut für medizinische Geräte und Bauteile geeignet. Keramiken sind verschleißbeständig und lassen sich gründlich reinigen“, erklärt Moritz.
Die Mischung macht‘s
Kern des additiven Fertigungsverfahrens ist nach Angaben der Forscher die optimale Aufbereitung von keramischen oder metallischen Suspensionen. Die Mischungen basieren auf einem thermoplastischen Binder, der bereits bei Temperaturen um 80 Grad Celsius flüssig wird. Das ist bei der additiven Fertigung entscheidend, damit sich die Suspensionen rasch abkühlen und eine Schicht nach der anderen übereinander gelegt werden kann. In diesem Binder verteilen sie fein Pulverteilchen aus Metall, Glas oder Keramik. „Eine Herausforderung besteht darin, das Verhalten der verschiedenen Suspensionen bei der anschließenden Sinterung der Bauteile so aufeinander anzupassen, dass dies defektfrei erfolgt“, erklärt Moritz.