DE102007033348A1

DE102007033348A1 - Verfahren zur generativen Herstellung von 3-dimensionalen Formteilen, insbesondere Ohrpassstücken und dentalen Formteilen, auf präfabrizierten Substraten

Info

Publication number: DE102007033348A1
Application number: DE102007033348A
Authority: DE
Inventors: Martin Dr. Klare; Uwe Brick
Original assignee: Dreve Otoplastik GmbH
Current assignee: Dreve Otoplastik GmbH
Priority date: 2007-07-16
Filing date: 2007-07-16
Publication date: 2009-01-22
Also published as: WO2009010035A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur generativen Herstellung von 3-dimensionalen Formteilen, insbesondere Ohrpassstücken und dentalen Formteilen, bei dem direkt auf einem oder mehreren präfabrizierten Substrat(en), ein oder mehrere 3-dimensionale Formkörper gebaut wird/werden.

Description

Generative Herstellverfahren sind seit ca. 25 Jahren in Form von Rapid Prototyping- bzw. Rapid Manufacturing-Verfaren bekannt. Gerade in der letzten Dekade haben diese eine rasante Entwicklung genommen. Nicht zuletzt durch stetige Weiter- und Neuentwicklungen der generativen Herstellverfahren und der darin einsetzbaren Materialien sind fortwährend neue Anwendungen erschlossen worden. Die Stärken der generativen Verfahren kommen insbesondere dort zum Tragen, wo der Kunde ein individuelles, auf ihn abgestimmtes Produkt verlangt. Diese Vorgaben gelten besonders für den Bereich der Medizintechnik. Dort besetzt beispielsweise die Hörgeräteindustrie mit der generativen Fertigung von Ohrpassstücken eine Vorreiterrolle beim Einsatz von Rapid Manufacturing- Verfahren zur Herstellung von Medizinprodukten. Die traditionelle Herstellung von Ohrpassstücken basiert auf dem so bezeichneten PNP-Verfahren (Positiv-Negativ-Positiv), das auf Grund der Vielzahl seiner Einzelschritte mit hohem handwerklichem Aufwand und vielen Fehlerquellen verbunden ist, die zu Passungenauigkeiten führen können. Vor diesem Hintergrund sind von der Hörgeräteindustrie konsequent auf der Basis unterschiedlicher generativer Herstellverfahren eine Reihe von Lösungen erarbeitet worden, die die gesamte Prozesskette von der Abdrucknahme, dem Einscannen, dem Modellieren, den Bau und die Nachbearbeitung der hergestellten Ohrpassstücke umschließen. Seit ca. 2 Jahren revolutionieren diese Prozesse die Herstellung von Ohrpassstücken weltweit, mit der Folge, dass heutzutage mehr als 60 der Weltproduktion an z. B. Hörgeräteschalen generativ gefertigt werden. Darüber hinaus gewinnt z. B. im Dentalbereich die generative Herstellung von zahntechnischen Gussmodellen und Implantatbohrschablonen zunehmend an Bedeutung. Die Basis für diese rasante Entwicklung im Medizintechnikbereich bildete zum einen die Entwicklung neuer, biokompatibler Stereolithographieharze, die den besonderen Anforderungen an Materialien in der Medizintechik, und im besonderen im Hörgerätebereich bzw. Dentalbereich gerecht werden. Zum anderen wurde der Einsatz des Rapid Manufacturings entscheidend durch eine Optimierung der generativen Herstellverfahren hinsichtlich Robustheit und Effizienz unterstützt. Im wesentlichen werden für die o. g. Anwendungen auf die Verfahrenstypen 3D-Printing, wie z. B. auf das System Invision der Fa. 3D Systems, auf die Stereolithographie, wie z. B. auf das System Viper Si² der Fa. 3D Systems und auf Bildprojektionssysteme, wie z. B. die Perfactory der Fa. Envisiontec oder die V-Flash der Fa. 3D Systems, zurückgegriffen. Bei all diesen Verfahren müssen Hilfsstrukturen, so genannte „Supports", in einem ersten Schritt gebaut werden. Diese dienen zum einen dazu, dass ein gewisser Abstand des Bauteils bzw. nur ein leicht abzutrennender Verbund von der Bauplattform entsteht. Zum anderen werden in Abhängigkeit von der Bauteilgeometrie spezielle Bereiche der zu generierenden Objekte während des Baus stabilisiert. Die Generierung dieser Supportstrukturen ist jedoch mit einer Reihe von Nachteilen behaftet, die insbesondere beim Rapid Manufacturing zum tragen kommen. Ein wesentlicher Nachteil ist, dass in Abhängigkeit vom gewählten generativen Herstellverfahren diese Supports entweder aus dem Baumaterial oder, wie beim 3D-Printing, aus einem speziellen Supportmaterial hergestellt werden müssen. Der Bau dieser Strukturen ist mit einem unerwünschten und auch in vielen Fällen merklichen Zeitaufwand verbunden. Beispielsweise kann dieser beim Bau von Hörgeräteschalen mittels Stereolithographie bis zu 30% der gesamten Bauzeit beanspruchen. Gerade bei Rapid Manufacturing Prozessen, beispielsweise bei der Herstellung von Ohrpassstücken oder dentalen Formteilen, ist die Bauzeitoptimierung jedoch ein bestimmender Faktor für die Effektivität des eingesetzten Verfahrens hinsichtlich Kosten und Integration in die weitere Prozesskette. D. h. durch „kurze" bzw. verkürzte Bauzeiten wird Prozessflexibilität realisiert- ein entscheidender Faktor für die Implementierung von Rapid Manufacturing Prozessen auf Basis von generativen Herstellverfahren. Darüber hinaus ist es nicht wünschenswert, neben dem Baumaterial ein weiteres Material für die Supportstrukturen bevorraten zu müssen. Dies ist jedoch bei Verfahren auf der Grundlage des 3D-Printings wie oben beschrieben (z. B. Invision der Fa. 3D Systems) der Fall.
Ein weiterer Nachteil im Hinblick auf Rapid Manufacturing Prozesse ist, dass für die Generierung von Supports ein erhöhter Material- und somit Kostenaufwand notwendig ist und somit die Wirtschaftlichkeit der Verfahren vermindert wird. Aus der Anbindung der Hilfsstrukturen an das Bauteil ergeben sich weitere unerwünschte Effekte. Zum einen müssen die Supports nach Beendigung eines Baues von den eigentlichen Bauteilen gelöst werden. Je nach Bauteilgeometrie kann dies mit einem erheblichen Zeit- und Kostenaufwand verbunden sein. Zum anderen hinterlassen die Supports an den Kontaktstellen zum Bauteil beispielsweise bei der Stereolithographie Materialunebenheiten. Daraus resultiert eine verminderte optische Qualität der Bauteile, die eine Nachbearbeitung wie z. B. Schleifen zur Folge hat. Auch dies führt letztendlich zu zusätzlichen Arbeitsschritten und somit Kosten.
Für Spezialapplikationen, wie die Hörgeräteherstellung mittels Stereolithographie, gibt es aus den oben skizzierten Gründen deshalb kommerziell erhältliche, separate Supportsoftware, die mit hohen, zusätzlichen Anschaffungskosten verbunden ist.
Zusätzlich wird durch die abtragenden Nachbearbeitungsprozesse, wie sie z. B. in der Hörgeräteindustrie verwendet werden, die Baupräzision vermindert. Aus diesem Grunde werden die 3-dimensionalen Formkörper mit einem so bezeichneten Offset, also mit einer oder mehrerer zusätzlicher Oberflächenschichten, versehen und gebaut. Dieser Schritt wird bei den generativen Herstellverfahren jedoch immer nur über die gesamte Oberflächen einheitlich durchgeführt. Eine einheitliche Abtragung dieser zusätzlichen Schicht(en) ist allerdings aus denen dem Fachmann ersichtlichen Gründen nicht möglich, so daß es letztendlich zu einer Verminderung der Passgenauigkeit kommen kann. Außerdem ist aus den skizzierten Gründen die vollständige Rückführbarkeit eines Medizinproduktes nur eingeschränkt möglich. Darüber hinaus sind beispielsweise beim Bau von Ohrpassstücken die Anforderungen an die Bauauflösung in gewissen Bereichen der Bauteile hoch, so dass z. B. mittels Stereolithographie in den Standardbaumodi (z. B. Viper Si² mit 100 μm in z-Richtung) nur eine nicht ausreichende Bauteilqualität realisierbar ist, bzw. es muss während des Bauvorganges in einen hochaufgelösten Baumodus (HR-Modus) gewechselt werden. Die HR-Modi sind mit höherem Zeit- und dementsprechendem Kostenaufwand verbunden. Diese Problematik gilt insbesondere für den Bereich der sogenannten „Faceplates" (1), den Teil der Hörgeräteschale, in den die klappbare Batterieabdeckung integriert ist. Hier gelten besonders hohe Anforderungen an die Dichtheit und die mechanische Stabilität der beweglichen Abdeckung, um eine einwandfreie Funktion des Medizinproduktes auch auf längere Sicht hin zu garantieren. Ferner sind gewisse Materialkombinationen im Hörgerätebau bei diesen Faceplates nicht oder nur eingeschränkt (je nach Verfahren) möglich.
Ein weiteres Beispiel aus dem Bereich der Medizintechnik stellen Bissmodelle dar (2), die dem Stande der Technik gemäß heutzutage in den meisten Fällen aus Gips hergestellt werden und mit einer Bodenplatte versehen sind. Mittels dieser können solche Modelle gegebenenfalls in Artikulatoren, wie z. B. das Artex-System der Fa. Amann Girrbach, eingespannt werden. Bei diesen Bodenplatten handelt es sich um solide Platten, deren generative Herstellung mit hohem Zeit- und Kostenaufwand verknüpft ist, wie z. B. in DE 10 2007 014 088.8 beschrieben.
Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren bereitzustellen, dass die o. g. Nachteile umgeht bzw. vermeidet und so letzten Endes zu effektiveren und kostengünstigeren generativen Herstellprozessen führt. Die oben beschriebene Aufgabe wird dadurch gelöst, dass präfabrizierte Substratteile wie z. B. Faceplates zur Herstellung von Hörgeräten oder Sockelplatten für Zahnmodelle mittels einer Vorrichtung direkt auf der Bauplattform fixiert und diesen definierte Positionen auf der Bauplattform zugewiesen werden. Anschließend folgt die generative Herstellung der Objekte direkt auf dem präfabrizierten Teil mit einem auf das Substrat abgestimmten Bauharzes, um einen dem Verwendungszweck entsprechenden „ausreichenden" Verbund zwischen Substrat und 3-dimensionalem Formkörper zu erzeugen.
Dabei können im Sinne der Erfindung als präfabrizierte Substrate unterschiedlichste Objekte aus unterschiedlichsten Materialien zum Einsatz kommen. Dem Fachmann sind diese Materialklassen bekannt. Beispielsweise wird dazu im Medizintechnikbereich aus Gründen der Biokompatibilität häufig auf Substrate auf Acrylat- und ganz besonders bevorzugt auf Methacrylatbasis zurückgegriffen. Ganz besonders bevorzugt seien an dieser Stelle Substrate aus PMMA genannt. Andere Substrate aus anderen Materialien sind ausdrücklich nicht ausgenommen.

Je nach ausgewählter Materialklasse des Substrates ist die Wahl des Bauharzes zu wählen. Dabei ist in einer besonderen Ausführungsform der Erfindung im ausgewählten Harz mindestens eines oder mehrere Mono- oder Oligomere enthalten, die adhäsive Eigenschaften besitzen. Dazu zählen beispielsweise Tricyclodecandiol(meth)acrylate, 6-fach ethoxylierte Trimethylolpropantri(meth)acrylate oder 3-fach propoxylierte Trimethylolpropan-tri-(meth)acrylate wie sie z. B. von der Fa. UCB als SR-Typen kommerziell erhältlich sind. In einem Verwendungsbeispiel wurden aus einem Stereolithographieharz (Bsp. 1) Zylinder (d = 0,6 cm, und h = 1 cm) mit der Stereolithographieanlage Viper Si² der Fa. 3D Systems auf PMMA-Platten, die vorher 15 sek mit Schleifpapier der Körnung 220 angerauht wurden, aufgebaut. Dabei wurden die Standardbuildstyles für das Material Fototec SLA der Fa. Dreve benutzt. Die Parameter Parameter „additional borders" und „downfacing" wurden dabei im Bereich von 1–3 für die additional borders (ab) und 0,3–0,5 für den Parameter downfacing (df) variiert). Im Vergleich dazu wurden Prüfzylinder der o. g. Dimensionen aus Material des Beispiels 1 hergestellt und anschließend mit dem kommerziell erhältlichen Cyanacrylatkleber Bylamet der Fa. Byla auf PMMA-Substrate, die wie oben beschrieben aufgerauht wurden, aufgeklebt. Der genannte Kleber wird kommerziell im Hörgerätebereich zur Befestigung von Faceplates auf Hörgeräteschalen genutzt. Daraufhin wurde die Scherverbundfestigkeit in Anlehnung an die ISO/DIS 10477:2003 5-fach bestimmt. Die Apparatur wird in eine Unversalprüfmaschine (BZ 2.5/TH 13, Zwick) eingesetzt. Die Prüfkörper werden mit der Feststellschraube fixiert, der Stößel wird mit einer konstanten Belastungsgeschwindigkeit von 0,75 mm min^–1 nach unten gegen die Verbundkante geschoben Die Ergebnisse sind in Tab. 2 wiedergegeben. Der Tabelle kann man entnehmen, dass im Rahmen der Messgenauigkeit vergleichbare Werte der Scherfestigkeit der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Prüfkörper zu den traditionell verklebten Systemen erhalten werden. In sehr vorteilhafter Weise kann jedoch so auf den zeit- und kostenintensiven Klebevorgang verzichtet werden, der zudem immer auch eine weitere Fehlerquelle im Gesamtprozess z. B. bei der Hörgeräteherstellung darstellt. Tab. 1: Beispielrezeptur 1

Komponente	Anteil, m%
7,7,9-Trimethyl-4,13-dioxo-3,14-dioxa-5,12-diazahexadecan-1,16-diylbismethacrylat	5,88
(Octahydro-4,7-methano-1H-indenediyl)bis(methylen)diacrylat	79,13
aliphatisches Urethanhexaacrylat in Pentaerythritiltri/tetraacrylat	13,14
2,2,6,6-Tetramethylpiperidin-1-yloxy	0,003
2-(2H-benzotriazol-2-yl)-p-cresol	0,03
Diphenyl(2,4,6-trimethylbenzoyl)phosphinoxid	1,50

Tab.2: Scherfestigkeitswerte

Versuchsparameter	Scherfestigkeit, MPa	Standardabweichung der Messwerte, MPa
Cyanac	12,2	2,56
rylatk	3
leber
ab = 1,	8,79	1,4
df = 0,3
ab = 3,	10,6	1,94
df = 0,3	3
ab = 1,	13,1	3,29
df = 0,5	8

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 102007014088 [0005]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- ISO/DIS 10477:2003 [0008]

Claims

Verfahren zur generativen Herstellung von 3-dimensionalen Formteilen, insbesondere Ohrpassstücken und dentalen Formteilen, dadurch gekennzeichnet, dass direkt auf einem oder mehreren präfabriziertem(n) Substrat(en), ein oder mehrere 3-dimensionale Formkörper gebaut wird/werden.
Verfahren zur generativen Herstellung von 3-dimensionalen Formteilen, insbesondere Ohrpassstücken und dentalen Formteilen, dadurch gekennzeichnet, das/die Substrat(e) nach Abschluss des Bauvorganges Teil des Endproduktes bleibt(en).
Verfahren zur generativen Herstellung von 3-dimensionalen Formteilen, insbesondere Ohrpassstücken und dentalen Formteilen, dadurch gekennzeichnet, dass das/die präfabrizierte(n) Substratteil(e) direkt auf der Bauplattform fixiert bzw. Teil dieser sind und den Substratteilen im virtuellen Baukoordinatensystem definierte Positionen zugeordnet sind.
Verfahren zur generativen Herstellung von 3-dimensionalen Formteilen, insbesondere Ohrpassstücken und dentalen Formteilen, dadurch gekennzeichnet, dass eine Positionierung der zu generierenden Bauteile in Bezug zu dem oder den präfabriziertem(n) Substratteil(en) im virtuellen Baukoordinatensystem stattfindet.
Verfahren zur generativen Herstellung von 3-dimensionalen Formteilen, insbesondere Ohrpassstücken und dentalen Formteilen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bauharz eingesetzt wird, welches ein dem Anwendungszweck entsprechenden Verbund zwischen Substrat und generativ hergestellten Teil ermöglicht.
Verfahren zur generativen Herstellung von 3-dimensionalen Formteilen, insbesondere Ohrpassstücken und dentalen Formteilen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bauharz eingesetzt wird, welches mindestens ein oder mehrere Monomer(e) bzw. Oligomer(e) in Summe > 5 m% enthält, dass/die Adhäsion auf dem präfabrizierten Substrat ermöglicht, um ein. dem Anwendungszweck entsprechenden Verbund zwischen Substrat und generativ hergestellten Teil zu realisieren.
Verfahren zur generativen Herstellung von 3-dimensionalen Formteilen, insbesondere Ohrpassstücken und dentalen Formteilen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bauharz eingesetzt wird, welches ein dem Anwendungszweck entsprechenden Verbund zwischen Substrat und generativ hergestellten Teil ermöglicht, wobei die Scherfestigkeit mindestens 3 MPa, in bevorzugter Weise mindestens 5 MPa und in ganz besonders bevorzugter Weise > 8 MPa beträgt.