Selektives Laserstrahlschmelzen: "Man bringt Materialeigenschaften und Designwünsche gut mit diesem Verfahren zusammen"

3D-Drucker sind mittlerweile keine Seltenheit mehr in Unternehmen und zum Teil sogar in Privathaushalten zu finden. Mit Metallpulver wird dort allerdings eher selten gedruckt. Wir haben mit zwei Experten vom Fraunhofer IFAM darüber gesprochen, wie das Selektive Laserstrahlschmelzen (SLM) dazu beiträgt, Komponenten für Implantate zu fertigen.

Herr Aumund-Kopp, wie funktioniert das Selektive Laserstrahlschmelzen?

Claus Aumund-Kopp: Das Verfahren ist ein sogenanntes Pulverbett-basiertes Verfahren. Wir benutzen feines Metallpulver, das wir schichtweise auftragen, um es dann mit einem Laser zu schmelzen. Wenn eine Schicht fertig ist, wird erneut Pulver aufgetragen und die nächste aufgeschmolzen, sodass schichtweise das Produkt entsteht und im letzten Schritt fertig dem Pulverbett entnommen werden kann. Das Verfahren hat mittlerweile übrigens viele weitere Bezeichnungen, viele sprechen etwa auch vom LPBF (Laser Powder Bed Fusion). Dadurch darf man sich aber nicht verwirren lassen.

Welche Einschränkungen gibt es bezüglich der Größe des Bauteils?

Aumund-Kopp: Die größte marktgängige Maschine hat derzeit ein Bauvolumen von 800 x 600 x 500 Millimeter. Das ermöglicht 240 Liter, die genutzt werden können. Es gibt in einigen Forschungseinrichtungen auch größere Anlagen, die sind allerdings nicht marktgängig und werden nur für sehr spezielle Forschungszwecke benötigt.

Für welche Implantate ist das Verfahren geeignet?

Michael Norda: Einzelne Sorten von Implantaten zu benennen ist sehr schwierig. Es werden hauptsächlich Titan, Cobalt-Chrom oder Implantatstähle verwendet, die für ganz verschiedene Implantate Anwendung finden. Sehr häufig wird das SLM allerdings für Dentalimplantate genutzt.

Aumund-Kopp: Auch bei Hüftendoprothesen findet dieses Verfahren bereits im Markt Anwendung, sowohl für die Hüftpfanne als auch für den -schaft.

Ist es möglich mit dieser Technik Implantate herzustellen, die auf den einzelnen Patienten zugeschnitten sind?

Aumund-Kopp: Das ist in der Tat der große Vorteil des 3D-Drucks. Wir benötigen keine Werkzeuge und können nur durch die Eingabe der vorgegebenen Daten das Bauteil drucken. So können wir exakte patientenspezifische Implantate herstellen. Das ist wie bereits erwähnt im Dentalbereich üblich. Dort hat man in einem Druckauftrag bis zu 500 Bauteile, die alle individualisiert und natürlich entsprechend nummeriert sind.

Äußern Hersteller bei Ihnen spezifische Wünsche, um Implantate mit bestimmten Eigenschaften zu erhalten?

Aumund-Kopp: Das kommt vor. Meistens beginnen diese bei der Materialentwicklung. Es gibt bewährte Materialien, die medizintechnisch zugelassen sind. Der Metall-3D-Druck wurde Ende der 1990er-Jahre etabliert. Damals hat man angefangen, mit den bereits genannten Materialien, zu arbeiten. Man hat Parameter entwickelt, mit denen man sichere Implantate erzeugen konnte. Der nächste Schritt war, die Besonderheit des Verfahrens in die Konstruktion einfließen zu lassen. Wenn man das Beispiel Hüftimplantat nochmals heranzieht: Die Hüftpfanne wird in den Beckenknochen implantiert. Damit das Knochengewebe eine möglichst große Oberfläche findet, an die es anwachsen kann, ist man dazu übergegangen, eine sehr raue Oberfläche zu fertigen. Darauf kann der Knochen besser anwachsen. Man bringt also Materialeigenschaften und Designwünsche gut mit diesem Verfahren zusammen. Das ist der Wunsch vieler Hersteller.

Gibt es Einschränkungen, weshalb das Verfahren für bestimmte Implantate nicht geeignet ist?

Norda: Eine große Herausforderung ist nach wie vor die Entfernung der entstandenen Pulverreste. Das Bauteil befindet sich nach der Fertigstellung in einem Pulverbett, welches gründlich entfernt werden muss. Möchte man nun sehr feine oder filigrane Bauteile erhalten, durch die man etwa ein Kabel führen möchte oder eine Flüssigkeitsleitung, um vielleicht die Temperatur zu messen oder Medikamente ins Gewebe einzubringen - dann würde ich von dieser Methode abraten. Denn wir können nicht garantieren, dass solch feine Gänge wirklich komplett vom Pulver befreit sein werden. Und loses Metallpulver im menschlichen Gewebe würde zu Recht niemand akzeptieren.