Der Markt der additiven Fertigung wächst rasant und bietet eine interessante fertigungstechnische Ergänzung zum Spritzgießen. Mit seinem jahrzehntelangen Know-how in der Kunststoff­verarbeitung und den Freeformern der Baugrößen 200-3X und 300-3X bietet Arburg Experten und Einsteigern innovative Lösungen für die additive Fertigung mit dem AKF-Verfahren. Besonders gut eignet sich der Freeformer für die Verarbeitung von thermoplastischen Elastomeren und speziellen Originalmaterialien sowie für Anwendungen in der Medizintechnik.

AKF-Verfahren arbeitet auf Basis flüssiger Kunststoffe

Verfahrensprinzip, freeformer, Ablauf, deutsch, Text,

Verfahrensprinzip, freeformer, Ablauf, deutsch, Text,

Das Arburg Kunststoff-Freiformen (AFK) bietet Materialfreiheit und wird deshalb als „offenes System“ bezeichnet. Die Anwender können mit dem Freeformer ihre eigenen Originalmaterialien verarbeiten und die Prozessführung selbst optimieren. Oder sie greifen auf die Materialdatenbank von Arburg zu. Ausgangsbasis sind qualifizierte Kunststoffgranulate, wie sie auch im Spritzgießen eingesetzt werden. Dazu zählen ABS, amorphes PA und PC, elastisches TPU und teilkristallines PP, aber auch PLLA und andere spezielle Originalmaterialien für medizinische Anwendungen.

Das AKF-Verfahren beginnt – ähnlich wie das Spritzgießen – mit dem Aufschmelzen des Granulats über einen beheizten Plastifizierzylinder. Anschließend trägt ein hochfrequent getakteter, starrer Düsenverschluss kleinste Tropfen aus. Die unter Druck erzeugten Tropfen haben je nach Düsengröße und Maschinenparametern einen Durchmesser zwischen 100 und 300 Mikrometern. Je kleiner dieser ist, desto feiner strukturiert wird die Oberfläche, während größere Durchmesser schnellere Bauzeiten ermöglichen.

Der über drei Achsen bewegliche Bauteilträger ist in x-, y- und z-Richtung auf 0,022 Millimeter genau positionierbar, sodass jeder Tropfen auf die vorher berechnete Stelle abgelegt wird und sich mit den umliegenden Tropfen verbindet. So entstehen Schicht für Schicht dreidimensionale Bauteile mit hoher mechanischer Festigkeit. Die Austragsmenge ist abhängig vom eingestellten Tropfenvolumen und der vorliegenden Frequenz.

Funktionsbauteile für die Medizintechnik

Exemplarisch produziert ein Freeformer aus medizinischem PLLA-Granulat individuell angepasste Implantate für Schädelknochen. (Bildquelle: alle Arburg)

Exemplarisch produziert ein Freeformer aus medizinischem PLLA-Granulat individuell angepasste Implantate für Schädelknochen. (Bildquelle: alle Arburg)

Für die Medizintechnik hat der Freeformer bereits exemplarisch resorbierbare Implantate wie Schädel-, Wangen- und Fingerknochen aus medizinischem PLLA (Purasorb PL18, Resomer LR 708) additiv gefertigt. Der Vorteil dieser Implantate ist naheliegend: Sie müssen nach Heilung nicht operativ entfernt werden. Zudem kann das Kunststoffgranulat zum Beispiel mit entzündungshemmenden Wirkstoffen beladen werden, um Abstoßungsreaktionen zu minimieren. Damit sich das Material zum richtigen Zeitpunkt im Körper auflöst, ist die Auswahl des Materialtyps von großer Bedeutung. Darüber hinaus werden auch Dauerimplantate zum Beispiel aus PCU (Bionate) im AKF-Verfahren hergestellt. Sie eignen sich etwa für den Einsatz im Wirbelsäulen-Bereich.

Aber nicht nur im Körper finden additiv gefertigte Funktionsbauteile ein wachsendes Anwendungsfeld. Auch für medizintechnische Geräte und Hilfsmittel ist das Verfahren prädestiniert. Erstmals gezeigt hat Arburg im Jahr 2018 die Verarbeitung eines medizinisch zugelassenen SEBS (Cawiton PR13576) mit einer Härte von 28 Shore A. Das sehr weiche Material ist dicht und reißfest und eignet sich zum Beispiel für die Fertigung funktionsfähiger Faltenbälge.

Verarbeitung von medizinischem TPE

Mit dem AKF-Verfahren kann man die Bauteildichte gezielt beeinflussen. Aus dem TPE Medalist MD 12130H (Härte 32 Shore A) lassen sich Wabenstrukturen fertigen.

Mit dem AKF-Verfahren kann man die Bauteildichte gezielt beeinflussen. Aus dem TPE Medalist MD 12130H (Härte 32 Shore A) lassen sich Wabenstrukturen fertigen.

Als bislang einziges additives Fertigungssystem kann der Freeformer das FDA-zugelassene TPE Medalist MD 12130H (Härte 32 Shore A) verarbeiten. Er fertigte daraus exemplarisch zum Beispiel Miniatur-Masken. Größer skaliert eignen sich solche Komponenten z. B. für Beatmungsmasken, deren Dichtung sich der Gesichtskontur des Patienten anpassen. Am Beispiel einer „Spidermembran“ aus diesem Material wurde gezeigt, dass das Bauteil reißfest und dicht ist, obwohl es nur aus zwei Schichten besteht. Im AKF-Verfahren ist es möglich, bei gleichbleibenden Parametern den Füllgrad des Bauteils gezielt zu verändern und damit verbunden die mechanischen Eigenschaften zu variieren. Bei TPE resultieren daraus beispielsweise unterschiedliche Shore-Härten. Auch innerhalb eines Bauteils lassen sich verschiedene Materialdichten realisieren, was Arburg am Beispiel eines Testkörpers mit Wabenstrukturen gezeigt hat.

Hilfsmittel aus Originalmaterial

Ein weiteres typisches Beispiel für ein medizintechnisches Hilfsmittel sind Sägeschablonen aus PA, die als individualisierte Operationshilfen Verwendung finden. Die Unternehmen Aesculap in Tuttlingen, ein Tochterunternehmen von B. Braun Melsungen, setzt bereits seit 1993 Additive Manufacturing in der Medizintechnik ein. Seit Februar 2018 arbeitet das Unternehmen auch mit einem Freeformer 200-3X. „Der Freeformer bietet uns klare Vorteile: die Verarbeitung von medizinisch zugelassenem, resorbierbarem PLLA, die Hochwertigkeit der produzierten Bauteile aufgrund kleinster Schichtdicken und die Möglichkeit zur Herstellung von Hart-Weich-Verbindungen“, ist Hans Keller, Director Research & Development Production bei Aesculap überzeugt. Immer stärker nachgefragt werden speziell angepasste Knochenkomponenten und Implantate für eine individuelle Patientenbehandlung. Nicht zuletzt aus Kostengründen werden immer mehr Medizinprodukte „am Blut“, wie zum Beispiel Sägeschablonen oder Probeimplantate, aus Kunststoff aufgebaut. „Kosten uns die Spezialmaterialien dazu im Durchschnitt bis zu 200 EUR pro kg, können wir auf dem Freeformer handelsübliche Kunststoffgranulate einsetzen, die nur einen Bruchteil der Kosten verursachen.“

Neuer Freeformer erweitert Anwendungsspektrum

„Mit dem neuen Freeformer 300-3X lassen sich weltweit erstmals komplexe und belastbare Funktionsbauteile in Hart-Weich-Verbindung herstellen“, betont Lukas Pawelczyk, der als Abteilungsleiter den weltweiten Freeformer-Vertrieb verantwortet.

„Mit dem neuen Freeformer 300-3X lassen sich weltweit erstmals komplexe und belastbare Funktionsbauteile in Hart-Weich-Verbindung herstellen“, betont Lukas Pawelczyk, der als Abteilungsleiter den weltweiten Freeformer-Vertrieb verantwortet.

Mit dem neuen Freeformer 300-3X mit drei Austragseinheiten können die Verarbeiter ganz neue Anwendungen erschließen. Erstmals lassen sich damit aus qualifizierten Standardkunststoffen und Stützmaterial additiv komplexe und belastbare Funktionsbauteile in Hart-Weich-Verbindung fertigen, das ist bislang einzigartig in der Branche. Die Bezeichnung 300 steht für die auf der Bauplatte zur Verfügung stehende Fläche in Quadratzentimetern. Diese ist um knapp 50 Prozent größer als beim Freeformer 200-3X. Der Bauraum bietet Platz für größere Kleinserien und Teile mit Abmessungen von bis zu 234 x 134 x 230 Millimetern. Optional ist ein geschlossenes Kühlsystem mit industrietauglichem Kühlwasseranschluss erhältlich. Damit lassen sich Materialien bei hoher Bauraumtemperatur von bis zu 200 Grad Celsius verarbeiten. Neu ist auch die zweigeteilte Bauraumtür. Durch Aufklappen der oberen Hälfte können beispielsweise die Materialbehälter auch im laufenden Betrieb nachgefüllt werden. Der beheizte Bauraum muss nur noch für die Bestückung mit der Bauteilplatte und die Entnahme der Fertigteile geöffnet werden. Der Freeformer 300-3X lässt sich zudem automatisiert in vernetzte Fertigungs­linien integrieren. Das automatische Öffnen und Schließen der Bauraumtür erfolgt über optionale Robot-Schnittstellen.

Auf den Technologie-Tagen 2019 hat Arburg mit der Premiere der „AM Factory“ eine IT-vernetzte, vollautomatisierte additive Fertigung präsentiert. Das Herzstück der Turnkey-Anlage ist ein Freeformer 300-3X, der exemplarisch Aluminium-Grundplatten für Vakuumgreifer mit einer 3D-Kontur aus TPE individualisiert. Insgesamt werden sechs Varianten „on demand“ gefertigt und mit einem individuellen DM-Code versehen – vollautomatisiert und zu 100 Prozent rückverfolgbar. Das Scada-System ATCM (Arburg Turnkey Control Module) visualisiert die Anlagefunktionen und sammelt und übermittelt alle relevanten Prozess- und Prüfdaten. Der Datentransfer erfolgt über das Kommunikations­protokoll OPC UA. Über den DM-Code können die Daten jederzeit auf einer produktspezifischen Website abgerufen werden.

Großes Potenzial in der Medizintechnik

Fazit: Das AKF-Verfahren mit dem Freeformer eignet sich besonders für die additive Fertigung in der Medizintechnik. Die Geometriefreiheit kombiniert mit Materialfreiheit werden ganz neue Kunststoff­anwendungen auch im Humaneinsatz erschließen. Sehr gefragt ist der Freeformer für die additive Fertigung von individuellen Orthesen, Implantaten aus biokompatiblem Standardgranulaten und für Hilfsmittel zur OP-Vorbereitung. Zudem lässt sich der Freeformer vollautomatisiert in Fertigungslinien einbinden.

Kontakt: akf@arburg.com

Über den Autor

Lukas Pawelczyk

ist Abteilungsleiter Vertrieb Freeformer bei Arburg in Loßburg.