Die große Gestaltungsfreiheit des 3D-Drucks gepaart mit den nunmehr möglichen quasi isotropen mechanischen Eigenschaften von PEEK machen den P400 besonders für Kleinserien, aber auch für Funktionsprototypen relevant. Große Anwendungspotentiale für den P400 finden sich beispielsweise in der Mikrofluidik, bei Starkstromisolatoren, Vakuum- oder Flüssigkeitspumpen oder bei Vorrichtungen in der Luft- und Raumfahrt oder Automobilindustrie.

Bestellungen können von Apium ab sofort entgegengenommen werden. Erste Auslieferungen sind für Anfang des zweiten Quartals 2023 vorgesehen.

In diesem Jahr wurde die  Apium Additive Technologies GmbH aus Karlsruhe, die sich auf die additive Verarbeitung von Hochleistungsthermoplasten, technischen Polymeren und Kompositmaterialien spezialisiert, mit dem German Innovation Award ausgezeichnet. Eine zentrale Rolle spielt dabei das 3D-Druckmaterial Polyetheretherketon (PEEK). Dieser Thermoplast schmilzt erst bei 343°C, ist etwa halb so fest wie Aluminium bei einer Dichte nahe an Wasser und beständig gegen die meisten Säuren und Laugen. Zudem ist es ein elektrisch isolierendes Material und ist gegen die meisten hochenergetischen Strahlungen unempfindlich. Den herausragenden Eigenschaften von PEEK steht allerdings ein sehr anspruchsvoller additiver Verarbeitungsprozess gegenüber. Apium Additive Technologies hat hierzu Pionierarbeit geleistet und durch das innovative und patentierte adaptive Heizsystem seiner 3D-Drucker für PEEK neue Anwendungspotentiale erschlossen. Für industrielle Anwendungen ist ein widerstandsfähiger Werkstoff wie PEEK gepaart mit der großen Gestaltungsfreiheit des 3D-Drucks besonders für Kleinserien relevant. So finden sich Anwendungen z.B. in der Luft- und Raumfahrt, in der Mikrofluidik, bei Starkstromisolatoren, und bei Vakuum- oder Flüssigkeitspumpen. Weiterhin können alternativ zu Metall Ersatzteile oder Funktionsprototypen mit wenig Aufwand hergestellt werden. PEEK eignet sich nicht nur für industrielle Zwecke, sondern aufgrund seiner Biokompatibilität auch für die Herstellung von Medizinprodukten. So werden mittlerweile PEEK Implantate zur Behebung von Knochendefekten bevorzugt im Schädelbereich für die Patienten passgenau ausgedruckt und eingesetzt. Patienten, Krankenhäuser und Krankenkassen profitieren von dieser Technologie in doppelter Hinsicht. Zum einen ist die additive Implantatherstellung deutlich günstiger als die konventionellen Verfahren, da bis zu 90% Material eingespart werden kann. Zum anderen ist die Operationszeit dank der Passgenauigkeit der Implantate deutlich reduziert. Dies führt zu weniger Komplikationen und entsprechend kürzeren Krankenhausaufenthalten der Patienten. Dieser technologische Fortschritt, der unser Leben besser macht und zu einer besseren Zukunft beiträgt, der mehr Flexibilität und weniger Kosten bietet, wurde von der Jury des Rats für Formgebung mit dem German Innovation Award ausgezeichnet.

Hochleistungsthermoplaste zeichnen sich durch die eben erwähnte hohe Temperaturbeständigkeit sowie hohe mechanische Festigkeit aus, wohingegen PEEK zusätzlich beständig ist gegen chemisch aggressive Medien und  hochenergetische Strahlung und außerdem biologische Verträglichkeit aufweist. Dank dieser herausragenden Eigenschaften ist PEEK ein Werkstoff, der in vielen industriellen und medizinischen Anwendungen vom Bioreaktor zum Satelliten, über die Vakuumpumpe zu den Schädelimplantaten, breiten Einsatz findet. In der jungen, wachsenden Technologiebranche der additiven Fertigung hat sich die Verarbeitung von PEEK als besonders herausfordernd herauskristallisiert.

Dabei stellt sich allerdings die Frage, ist das PEEK, mit dem die 3D-Druckerhersteller werben, auch das PEEK, welches bereits seit mehr als zwanzig Jahren in den oben genannten Beispielen erfolgreich verwendet wird? Gibt es denn überhaupt „das PEEK“ oder unterscheidet sich PEEK, je nachdem von welchem Materialhersteller es bezogen wird?

PEEK wurde erstmals von dem britischen Unternehmen ICI unter dem Namen Victrex PEEK kommerziell auf den Markt gebracht, nachdem sich das Unternehmen das Verfahren zur Synthese 1977 patentieren ließ. Seit Beginn der neunziger Jahre wird das Material auch im medizinischen Kontext verwendet. Das Potential, das das Material bietet, haben auch andere namhafte Hersteller wie Solvay und Evonik erkannt und ihrerseits PEEK-Typen auf den Markt gebracht. Dabei unterscheiden sich die Polymere der verschiedenen Hersteller voneinander zum einen durch eine unterschiedliche Synthesemethode, zum anderen durch eine unterschiedliche Synthesedauer.

Als anschauliches Bild kann eine Halskette dienen. Diese besteht wie die Thermoplaste aus einzelnen, gleichartigen Gliedern, die miteinander verbunden sind. (Abbildung 2)

Würden wir uns Kettenglieder von Halsketten als einzelne Elemente in einer Schale vorstellen und die ausschütten, würden die einzelnen Kettenglieder problemlos herausrieseln. Sind die Kettenglieder in langen Ketten miteinander verbunden und wir schütten die Schale aus, so kann man sich vorstellen, dass die Ketten eher als ein zusammenhängendes Knäuel aus der Schale fallen würden. Die einzelnen Ketten haben sich miteinander verknotet. Dieses Verhalten, das direkt mit der Länge der einzelnen Ketten zusammenhängt, kann analog  auf die Thermoplaste übertragen werden. Somit sind die mechanischen Widerstände bei langen Ketten, man spricht von hohem Molekulargewicht, größer als bei kurzen Ketten. Diese sind im Gegenzug jedoch weniger anfällig für Verwicklungen als die langen Ketten, was zu einer höheren Fließfähigkeit führt. Eine hohe Fließfähigkeit ist vor allem bei Verarbeitungsverfahren wie dem Spritzguss erwünscht. Die geschmolzenen Thermoplaste sollen in kurzer Zeit die hintersten Bereiche der Spritzgussformen erreichen, ausfüllen und dann rasch erstarren. Dieses ist eine gewünschte Eigenschaft, die mit zähflüssigen Thermoplasten kaum zu erreichen wäre. Hingegen eignet sich höher viskoses PEEK eher zur Herstellung von Halbzeugen wie Stangen und Platten, die letztlich maschinell in die finale Bauteilform zugeschnitten werden.  Abbildung 3 zeigt eine Übersicht der unterschiedlichen PEEK Typen, die am Markt erhältlich sind und deren mechanische Eigenschaften am Beispiel ihrer Biegefestigkeiten.

Die additive Fertigung ist ein Fertigungsverfahren, welches wie im Spritzguss das Material aufschmilzt, jedoch einen langsamen Erstarrungsprozess erfordert. Im Gegensatz zum Spritzguss haben filamentbasierte 3D-Drucker keine begrenzenden Formen, sondern bilden Freiformen ähnlich wie bei der Extrusion von Halbzeugen. Die Herausforderung der additiven Fertigung besteht nun darin, ein einerseits fließfähiges Material zu erhalten, welches andererseits jedoch die mechanischen Eigenschaften der Halbzeuge aufweist. Um diese Problematik zu lösen, können zwei mögliche Ansätze gewählt werden. Die erste Möglichkeit besteht darin, das PEEK in seiner molekularen Struktur so zu verändern, dass Eigenschaften wie hohe Fließfähigkeit und rasches Erstarren bei wenig Verzug entstehen. Nun ist PEEK nicht nur ein Hochleistungspolymer, sondern gehört auch zur Gruppe der teilkristallinen Polymere. Die Teilkristallinität verleiht PEEK erst die herausragenden Eigenschaften der hohen mechanischen, thermischen, chemischen und biologischen Festigkeit. Und dabei gilt, je länger die Kette ist, desto stärker wird das Polymer. Dieser Eingriff in die molekulare Struktur verleiht dem Polymer zwar eine bessere Verarbeitbarkeit, jedoch auf Kosten der besonderen Eigenschaften.

Die zweite Möglichkeit, die gewünschten mechanischen Eigenschaften der PEEK Sorten, wie man Sie aus dem Halbzeug kennt, nicht zu verlieren,  besteht darin, den Verarbeitungsprozess an das Material ideal anzupassen. Entscheidend hierfür ist das Zusammenspiel von Aufheiz- und Abkühlprozess, das für jede PEEK Sorte und Kettenlänge einzeln einzustellen ist. Die Firma Apium Additive Technologies hat diesen Ansatz gewählt, um für Kunden, die die PEEK Eigenschaften der Halbzeuge für Ihre bestehenden Produkte benötigen, den Verarbeitungsprozess an das Material anzupassen anstatt das Material an den Verarbeitungsprozess anzupassen. Der patentierte Verarbeitungsprozess findet über den lokal gesteuerten Wärmeeintrag in das Bauteil statt. (Abbildung 4)

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass PEEK nicht einfach nur PEEK ist, sondern sich voneinander in der Kettenlänge, dem Molekulargewicht und dem Herstellungsprozess unterscheidet. Die verschiedenen PEEK-Typen sind auf die jeweiligen Verarbeitungsmethoden zugeschnitten. Statt das Material an den Druckprozess anzupassen, hat die Firma Apium den Verarbeitungsprozess an das Material angepasst. Letztlich wird PEEK wegen seiner originären herausragenden Eigenschaften geschätzt. (U.Popp, S. Khaja, W. Schwarz) www.apiumtec.com

Filamenttrocknung vor und während des Drucks spielt vor Allem bei Hochleistungspolymeren eine Rolle, da diese zur Wasseraufnahme aus der Umgebung neigen. Einmal in der Druckerdüse aufgeheizt, verdampft das an der Filamentoberfläche gebundene Wasser und es kommt zur Bläschenbildung, die das Druckobjekt negativ beeinflusst – optisch wie auch mechanisch. Eine ausreichende Trocknung des Filamentmaterials vor dem Druck ist daher entscheidend für einen erfolgreichen Druck. Gerade bei längeren Druckaufträgen kann es außerdem sinnvoll sein, das Material auch während des Drucks weiterzutrocknen, um keinen Qualitätsabfall über die Zeit zu riskieren. Der Filamenttrockner von Apium kann daher sowohl zum Vortrocknen als auch zur Vermeidung der Feuchtigkeitsaufnahme während des Drucks eingesetzt werden. Dafür besitzt der Trockner drei Filamentausgänge, sodass das Material direkt aus dem Trockner in den Drucker geführt werden kann.

Das Innere des Trockners ist für bis zu vier der gängigen 500 g-Spulen ausgelegt. Der Anwender kann die voreingestellten Trocknerprofile für alle Apium Filamente, darunter PEEK, PEI und PVDF, verwenden und damit sicherstellen, dass das Material optimal für den 3D-Druck vorbereitet ist. Außerdem können Trocknungsvorgänge geplant werden, sodass das Material zum Beispiel über Nacht automatisch getrocknet wird.

Der Trockner kann direkt bei Apium erworben werden. Neben den voreingestellten Trocknungsprofilen können auch Profile für eigene Materialien angelegt werden. Somit ist der Trockner nicht nur für den Einsatz von Apium-Filamenten geeignet, sondern eine sinnvolle Ergänzung für den alltäglichen Gebrauch von 3D-Druckern.

In einer Zusammenarbeit mit der Universität Leipzig, Klinik für Neurochirurgie, Next3D wurde ein Schädelimplantat mit Honigwabenstruktur angefertigt. Besonderheit bei dieser Art der Fertigung: Durch den additiven Charakter des 3D-Drucks können Strukturen realisiert werden, die in subtraktiven Verfahren wie dem Fräsen oder Drehen nicht denkbar sind. So kann nicht nur die Dichte, sondern auch das Füllmuster, mit dem das Druckobjekt innerlich ausgefüllt wird, variabel eingestellt werden. Dies ermöglicht eine Gewichtsreduzierung und beschleunigt den Herstellungsprozess.

Ein weiterer Vorteil: Die Geschwindigkeit des gesamten Herstellungsprozesses an sich. Liegt das Implantat aus der Vorlage des Patienten-CT als .stl Datei vor, kann das physische Gegenstück noch am gleichen Tag gedruckt werden. Ein Schädelimplantat dieser Größe ist für gewöhnlich in sechs Stunden fertig gedruckt. Durch die kompakte Größe des Apium M220 3D-Druckers kann der Druck direkt in der Klinik erfolgen: Wird der Drucker in einem Reinraum bedient, so ist durch ein ausgeklügeltes Filtersystem innerhalb des Bauraums sichergestellt, dass das ausgedruckte Implantat ohne Kontamination herauskommt. Dank der thermischen Eigenschaften des Materials PEEK ist autoklavieren bis 250 °C kein Problem, denn der Thermoplast wird bei Temperaturen über 450 °C überhaupt erst gedruckt. 

In der Industrie hat sich der 3D-Druck von Hochleistunspolymer PEEK bereits etabliert: die hohen mechanischen Eigenschaften und die Prozesstemperaturen, bei denen PEEK eingesetzt werden kann, in Kombination mit der Gestaltungsfreiheit, Material- sowie Kosteneinsparung und Geschwindigkeit in der Herstellung machen diese kombinierte Technologie attraktiv für Unternehmen, die Einzelteile und Kleinstserien fertigen wollen – und eben für die Medizin. Individualisierte Implantate, besonders im Bereich der Schädel-Gesicht-Kiefer-Chirurgie, tragen nicht nur zur Ästhetik nach der Operation bei, sondern sind auch weniger anfällig für post-operative Komplikationen, die durch ungenügend angepasste konventionelle Implantate hervorgerufen werden können. Apiums M220 3D-Drucker ermöglicht die Fertigung solcher Implantate und bietet eine Komplettlösung mit Qualitätssicherung und diversen Sicherheitsfeatures an. Kooperationen wie mit der Universität Leipzig oder seit Kurzem mit der Universität Graz innerhalb einer klinischen Studie, zeigen die Relevanz der Technologie für die Medizin.

An der Medizinischen Universität Graz läuft nun das Projekt CAMed – Clinical Additive Manufacturing for medical applications – an, welches auch mit einer Arbeitsgruppe Polymere ausgestattet ist. Die deutsche Firma Apium Additive Technologies hat Ende September 2019 ihren M220 Drucker zum Druck von PEEK-Implantaten nach Graz geliefert, wo zwei Wochen später das medizinische 3D-Druck Zentrum im Rahmen des Projektes CAMed eröffnet wurde. Der Drucker wird in der Studie nicht nur die eigentlichen patientenspezifischen Schädelplatten drucken, sondern vorab wird an zahlreichen mechanischen, chemischen und biologischen Tests das Verhalten von gedrucktem PEEK beobachtet und analysiert. Wichtige Fragestellungen, die innerhalb der Studie beantwortet werden müssen, betreffen zum Beispiel die Osseointegration des Implantats, also inwieweit das Implantatmaterial sowie dessen Oberflächenbeschaffenheit das Einwachsen beeinflussen und bestenfalls erleichtern.

Apium ist spezialisiert auf die Entwicklung und Herstellung von 3D-Druckern für die Verarbeitung von Hochleistungsthermoplasten wie PEEK, welches sich aufgrund seiner mechanischen und chemisch-biologischen Eigenschaften bestens für den Einsatz in der Medizin eignet. In der Tat wird PEEK seit geraumer Zeit in der Medizin eingesetzt – allerdings noch in konventioneller Fertigung verarbeitet. Mit einem Materialpreis von 2000 – 3000 €/kg ein teures Unterfangen, wenn das Implantat dafür aus einem Materialblock gefräst werden muss. In der Regel findet hier ein Materialverlust von bis zu 90 % statt, der dem subtraktiven Charakter des Fräsens unterliegt. Anders der 3D-Druck: bei diesem additiven Fertigungsverfahren wird nur dort Material aufgetragen, wo es benötigt wird. So entsteht Schicht für Schicht ein 3D-Druckobjekt. Der Materialverlust ist gering, da nur in gesonderten Fällen etwaige Überhänge gestützt werden müssen.

Mit der Bereitstellung eines Druckers für die Verarbeitung von PEEK hat Apium einen weiteren Meilenstein erreicht: die klinische Studie soll innerhalb der nächsten drei Jahre weitreichende Ergebnisse zum Einsatz 3D-gedruckter Implantate liefern und ist damit ein wichtiges Projekt auf dem Weg zum 3D-Drucker im OP-Saal.

Um Innovation zu setzen, sind Branchen auf neue Materialien und Verarbeitungstechnologien angewiesen. Apium ist sich dieser Aufgabe bewusst. Daher haben wir unsere fortschrittliche 3D-Drucktechnologie für die Materialextrusion akribisch weiterentwickelt, um sicherzustellen, dass Industrien innovativ sein können. Mit der weltweit ersten Markteinführung unseres PEEK-Filaments im Jahr 2015 und weiterer hochleistungsfähiger Polymermaterialien in den darauf folgenden Jahren, haben wir innerhalb der Additive Manufacturing (AM)-Industrie die Möglichkeiten aufgezeigt, Innovationen schneller voranzutreiben, neue technische Bauteile schneller zu entwickeln und die Kosten für Innovationen zu minimieren. Unsere Expertise in den Bereichen Materialwissenschaft und Maschinenbau, bietet eine nachgewiesene Erfahrungssteigerung in der bis zur Voxel-Ebene reichenden Materialbearbeitung.  Mit der 3D-Drucktechnologie von Apium können Endanwender die Verarbeitung von amorphen, teilkristallinen und hochkristallinen Materialien auf einfache Art und Weise „manipulieren“, ohne dass eine Nachbehandlung mit Wärme erforderlich ist. 

Polypropylen ist die neue Ergänzung zu dem Materialportfolio von Apium und sichert eine wichtige technische Position unter den anderen teilkristallinen Materialien von Apium, wie PEEK, karbonfaserverstärktes PEEK (CFR-PEEK), POM-C und PVDF.

Schmelzschichtverfahren mit Polypropylen (PP)

Polypropylen (PP) ist ein lineares thermoplastisches Kohlenwasserstoffpolymer, das durch die Polymerisation von Propylenmonomeren erzeugt wird. Sein Schmelzbereich reicht von 130°C bis 171°C. In der Industrie ist PP das am zweithäufigsten verwendete Rohstoffpolymer nach Polyethylen. Nach Angaben der Verbraucherforschungsgruppe „Markets-and-Markets“ wird der Polypropylenmarkt im Jahr 2017 auf 75,40 Milliarden US-Dollar geschätzt. Mit einer CAGR von 5,6% wird erwartet, dass er bis 2022 USD 99,17 Milliarden erreichen wird. 

PP ist eines der vielseitigsten Polymere mit einer Vielzahl von Anwendungen.

Einige seiner bemerkenswerten Eigenschaften sind:

• sehr gute chemische Beständigkeit, was PP zu einer guten Wahl für Behälter mit Flüssigkeiten wie Reinigungsmitteln macht.
• gute Ermüdungsfestigkeit und Formbeständigkeit nach großen Einwirkungen wie Biegen, Drehen oder Spannen. Die Ermüdungsbeständigkeit von PP ist sehr wertvoll für Anwendungen wie funktionstüchtige Scharniere.
• sehr hohe elektrische Beständigkeit, die es zu einem geeigneten Material für elektronische Bauteile macht.

Die Aufnahme von PP in Apiums Materialportfolio wird durch ein optimiertes Maschinen- Druckprofil für die Apium P-Serie ergänzt und ermöglicht es den Anwendern dieses Materials, ihre Fertigungskapazität zu erweitern, um die Vorteile der breiten Anwendungsmöglichkeiten von PP voll auszuschöpfen. Apium bietet vollumfassenden technischen Support, der benötigt wird, um die Anwender von PP bei der Realisierung ihrer Produktionsziele zu unterstützen, insbesondere bei der Reduzierung der Ressourcen sowie der Zeit bis zur Markteinführung für Ihre Ersatz- und Individual-Bauteile.

Besuchen Sie Apium auf der Formnext 2018 (Stand 3.1-C70), um mehr über neue Materialien zu erfahren und wie Sie mit additiver Fertigung von fortschrittlichen Materialien Erfolge erzielen können.

1 https://www.marketsandmarkets.com/Market-Reports/polypropylene-market-64103589.html

Weitere Informationen und Hinweise zur Anmeldung sowie eine Übersicht über alle Vorträge und Referenten finden Sie unter http://steinbeis-imaps.de/tagung-additive-fertigung. Bis zum 23.10. haben Interessierte noch Zeit sich für die Tagung anzumelden.

Neben PEEK werden Titan und Edelstahl als Werkstoffe für die Implantatproduktion genutzt. Im Vergleich zu Edelstahl hat Titan eine bessere Korrosionsfestigkeit, dagegen sind die mechanischen Eigenschaften nicht optimal. Edelstahl ist kostengünstig, weist allerdings ein erhöhtes Entzündungspotential auf. Durch Röntgenstrahlung kommt es in der Nähe der metallischen Materialien zu einer Streuung der Strahlung, was die Dosierung und Fokussierung der Bestrahlung im Falle einer Tumortherapie erheblich erschwert. Im alltäglichen Leben kann sich dank der ungewollt guten Wärmeleitfähigkeit von Metallen die Implantate stark erhitzen bzw. abkühlen. Bei einer kranialen Anwendung können also negative Folgen auftreten.

PEEK bietet in vielen Hinsichten optimale Eigenschaften. Ein PEEK-Implantat ist dem menschlichen Knochen in mechanischer Steifigkeit und Elastizität sehr ähnlich und kann daher den inneren Bewegungen des Knochens folgen. Da dieses Material strahlendurchlässig ist, eignet es sich für die radiologische Diagnostik und die therapeutische Bestrahlungstechnik. Durch isolierende Eigenschaften ist das Material ebenso weniger anfällig für Temperatureinwirkungen.

Die Vorteile additiv gefertigter PEEK-Implantate

Im Falle einer Fraktur ist die Voraussetzungen für eine schnelle und stressfreie Regeneration ein stabiler und enger Kontakt der Knochenfragmente. Ist der Frakturspalt größer als 0,5mm, ist eine konservative Behandlung in der Regel nicht möglich. In dieser Situation werden Implantate eingesetzt, die die Knochenfragmente fixieren sollen. Mithilfe des additiven Schmelzschichtverfahrens (FFF) können Implantate optimal an die Anatomie des Patienten angepasst werden. Der Totraum zwischen Knochen und Implantat kann nahezu eliminiert  werden. Ein stabiler und enger Kontakt kann gewährleistet werden. Neben dem verbesserten Knochenwachstum, werden Operationen vereinfacht, das Infektionsrisiko gesenkt und die Ästhetik durch komplementäre Implantate garantiert. Stress-, Kosten- und Zeitersparnisse für Patient, Chirurg und Krankenhaus sind die Folge.

Darüber hinaus hat PEEK die Eigenschaft der Osseointegration. Von Osseointegration spricht man, wenn durch neues Knochenwachstum ein direkter Kontakt zwischen Implantat und Knochen entsteht. Bereits wenige Wochen nach der Operation kann beobachtet werden, dass Knochenzellen direkt an das Implantat heranwachsen, dieses umschlingen und letztendlich integrieren. Diese Art des Knochenwachstums kann zu einer dauerhaften Knochenverankerung führen. Folglich wird die Heilung des Knochens moderat beschleunigt und das Risiko von Komplikationen in einem langfristigen Einsatz reduziert.

Mit Hilfe von additiver Fertigung lassen sich PEEK-Implantate kostengünstig produzieren. Dies resultiert aus kurzen Vorlaufzeiten und einer umfangreichen Designfreiheit, die es ermöglicht, das Implantat ohne größeren Materialverlust oder vorangehenden Werkzeugbau zu fertigen. Die Apium M-Serie vereint die Vorteile einer additiven Fertigung von Implantaten und den Eigenschaften des Hochleistungspolymeres PEEK. Der Einsatz dieser Technologie kann in zeitkritischen Operationen Leben retten.