Lächeln wie gedruckt

14. August 2008
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Forscher träumen davon, in Zukunft Hautgewebe und Blutgefäße "drucken" zu können. Gute Marktchancen verspricht sich heute schon die Industrie mit "Laser-Sintern" von Prothesen, Knochen oder Zahnersatz. Die Technologie hat das Potential, die Herstellung medizinischer "Ersatzteile" zu revolutionieren, weil damit schnell, günstig und präzise produziert werden kann.

Wenn Pulver versintert bzw. geschmolzen wird und das Schicht für Schicht mit einem fokussierten Laserstrahl, spricht man von Laser-Sintern. Wird statt Laserstrahl ein Druckkopf, der ähnlich wie ein Tintenstrahldrucker funktioniert, eingesetzt, dann nennt sich das 3-D-Drucken. Diese Schichtbauverfahren, die auch als e-Manufacturing, Rapid Manufacturing (RM) oder Rapid Prototyping (RP) bekannt wurden, revolutionieren seit kurzem auch die Fertigung von Klein- und Kleinstserien. Ursprünglich diente RM oder RP dazu, Designmodelle, Prototypen bzw. individuelle Einzelanfertigungen schnell und kostengünstig zu erstellen. Da das Laser-Sinter-Verfahren ohne teure Schleif- oder Fräsmaschinen auskommt, können damit Bauteile zu Preisen produziert werden, die eine echte Konkurrenz für Produkte aus Billiglohnländern darstellen. Wenn bisher für einen konventionell erstellten Prototypen 1.200 Dollar berechnet wurde, könnten das beim RM nur noch 40 Dollar sein. Bezogen auf Zahnersatz könnte das heißen, dass man handgefertigte Kronen aus China nicht mehr braucht.

Sinter-Technik fehlen noch geeignete Werkstoffe

Vereinfacht kann man sich eine Laser-Sinter-Anlage als Black Box vorstellen, die selten größer als ein XXL-Kühlschrank ist und mit digitalen Daten gefüttert wird. Als Ergebnis werden beispielsweise Messergriffe, Flugzeugteile, Funktionsteile für Blutzentrifugen, Zahnersatz oder Hörgeräteschalen ausgespuckt. Gefüttert werden muss die Box mit 3D-Geometriedaten, die typischerweise mit einer CAD-Software erstellt werden. Dieses 3D-Modell wird dann von einer speziellen Datenaufbereitungssoftware in der Sinter-Anlage in bis zu Hundertstel Millimeter dünne Schichten zerlegt, die indirekt den Aufbau des Bauobjektes steuern. Dabei werden Werkstoffe in Pulverform per Laserstrahl schichtweise von unten nach oben an- oder aufgeschmolzen. Von Vorteil ist, dass mit diesem Verfahren unterschiedliche Produkte in einer Anlage gefertigt werden können. Grenzen werden der Vielfalt der Möglichkeiten bisher noch durch das Fehlen geeigneter Werkstoffe gesetzt. Heute können im wesentlichen Kunststoffe, Metalle und Formsand verarbeitet werden. Aber es kommen ständig neue dazu. Speziell für medizinische Anwendungen erweiterte die EOS in Krailling bei München die Palette um Kobalt-Chrom-Legierungen, Edelstahl-Mischungen, spezielle Kunststoffe und Titan. Damit wurde der Weg geebnet für die lasergesinterte Fertigung von Knie-Implantaten, Zahnersatz oder Hörgeräteschalen.

Lasergesinterte Orthese bei den Paralympics 2008?

Michael Teuber, querschnittgelähmter Radrennprofi, der auch bei den Paralympics in Peking wieder Gold holen möchte, könnte erstmals mit einer lasergesinterten Orthese an den Start gehen. Noch laufen bei EOS die Vorbereitungen auf Hochtouren. Als Werkstoff für Beinprothesen und Knieimplantaten kommen Polyamide, das heißt Kunststoffe, zum Einsatz. Auch die Rekonstruktion von Gesichtsknochen mit speziellen Metalllegierungen stehen auf dem Plan der Kraillinger. Als Input für das e-Manufacturing verarbeitet die Laser-Sinter-Anlage CAD-Daten, aber auch Scan-Daten einer Computertomographie. Je nach Modell bewegen sich die Kosten für eine Anlage bei 190.000 Euro und mehr. Wie erfolgreich die Laser-Sinter-Technologie sich auf diesem medizinischen Sektor etablieren kann, wird auch weiterhin von der Entwicklung von Werkstoffen, die die Anforderungen an Festigkeit, Temperaturbeständigkeit und Präzision erfüllen, abhängen.

CAD/CAM-Technologie für Zahnersatz

Einfacher gestaltet sich offensichtlich der Markt für Zahnersatz. Automatisierungsbestrebungen hat es schon immer gegeben. Mit Einführung von CEREC (CEramic REConstruction) – Ende der Neunziger – konnte die so genannte dentale CAD/CAM-Technologie Fuß fassen. Das System besteht aus einem Computer, einer Infrarotkamera und einer Fräsmaschine, die Inlays, Zahnkronen oder Veneers anhand der errechneten Computerdaten aus einem Rohblock herausschleift. Inzwischen sind weltweit rund 16.000 computergestützte CEREC-Geräte sowohl labside als auch chairside im Einsatz, schätzt Zahntechniker Josef Schweiger von der Arbeitsgruppe Keramik München. Die Anschaffungskosten liegen zwischen 45.000 und 75.000 Euro, was für die meisten Zahnarztpraxen ein KO-Kriterium sein dürfte. Obwohl es natürlich verlockend klingt, wenn in einem Behandlungsgang gebohrt, der Zahnersatz hergestellt und das Zahnloch damit wieder gefüllt wird.

Fertigungszentren für 500 lasergesinterte Zahnkronen am Tag

Ein nicht unerheblicher Nachteil von CEREC ist, dass beim Fräs- bzw. Schleifvorgang wertvolles Material verloren geht. Das kann beim Rapid Manufacturing nicht passieren. Allerdings kostet so ein System auch ca. 250.000 Euro. Für große Fertigungszentren, wie beispielsweise Suntech, Bego oder Sirona, lohnt sich trotzdem die Investition. Eine Laser-Sinter-Anlage kann bis zu 500 Gerüste für Zahnkronen in 24 Stunden erstellen. Mit der konventionellen Gussmethode sind vergleichsweise gerade mal 10 Kronen pro Tag möglich. Angeblich profitiert der Zahntechniker von dieser Entwicklung, so bei EOS zu lesen, weil er sich nur noch mit der ästhetischen Seite des Ersatzes beschäftigen muss. Ob er davon auch leben kann?

Tintenstrahldrucker kreiert Biosensoren

Am Lehrstuhl für Organische und Makromolekulare Chemie in Jena werden zwar noch keine Hautgewebe oder Blutgefäße gedruckt, aber “inkjet printing” spielt hier in der Forschung eine große Rolle. Joseph T. Delaney, Doktorand aus Minnesota, ist mit dabei den Weg dahin aufzubereiten. “The general goal of my dissertation is the preparation of thin films with biomedical applications, mainly through inkjet printing”, erläutert der Forscher gegenüber Doccheck. “Since we can print so many materials, we can use inkjet printing to dispense things like drugs and polymers into patterns, and studying different formulations of drug delivery materials, for example. We can deposit immobilized enzymes and conductive lines to create biosensors.”

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