DE102012000466B3

DE102012000466B3 - Verfahren zur Herstellung von Bauteilen mit filigranen Strukturen und dessen Verwendung

Info

Publication number: DE102012000466B3
Application number: DE102012000466A
Authority: DE
Inventors: Vera Friederici; Dr. Imgrund Philipp; Juan Isaza; Jörg Volkert
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2012-01-13
Filing date: 2012-01-13
Publication date: 2013-04-18
Anticipated expiration: 2032-01-14

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen, die zumindest in einem Abschnitt aus einer Abfolge von feinen Strukturen und Zwischenräumen gebildet sind, insbesondere von medizinischen Stents. Bei dem Verfahren wird das Bauteil schichtweise mittels selektivem Laserschmelzen auf einer Unterlage aufgebaut. Die feinen Strukturen werden bei dem selektiven Laserschmelzen über Membrane miteinander verbunden, die die Zwischenräume zwischen den feinen Strukturen ausfüllen und eine geringere Dicke als die feinen Strukturen aufweisen. Die Membrane werden nach dem Aufbau des Bauteils mittels eines abtragenden Bearbeitungsverfahrens wieder entfernt. Mit dem vorgeschlagenen Verfahren lassen sich Bauteile mit bspw. gitterartigen Strukturen, insbesondere medizinische Stents, ohne Einschränkungen in der Geometrie der feinen Strukturen mit geringem Aufwand fertigen.

Description

Technisches Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen mit der Technik des selektiven Laserschmelzens (SLM), die zumindest in einem Abschnitt aus einer Abfolge von feinen Strukturen und Zwischenräumen gebildet sind, sowie dessen Verwendung.
Bauteile mit derartigen feinen Strukturen, bspw. dünnwandigen Gitterstrukturen oder dünnwandigen Lochblechteilen mit komplexer Geometrie und geringen Abmessungen, können in vielen technischen Bereichen zum Einsatz kommen. Ein besonderes Beispiel sind Gefäßstützen (Stents) in der Medizintechnik, die derartige feine gitterartige Strukturen aufweisen.
Stand der Technik
Für die Herstellung von dünnwandigen Gitterstrukturen wie bspw. Stents oder dünnwandigen Lochblechteilen sind derzeit aufwändige Herstellungsschritte erforderlich. Die hohe Anzahl an Prozessschritten und die Begrenzung der bekannten Verfahren auf bestimmte Geometrien behindern bisher die wirtschaftliche Fertigung optimal ausgebildeter Produkte.
So werden Stents derzeit üblicherweise durch Laserschneiden aus Rohrhalbzeugen gefertigt, wie dies bspw. in der US 7786406 B2 beschrieben ist. Ein derartiges Herstellungsverfahren ermöglicht jedoch nur die Herstellung von Stents mit konstanter Dicke der Gitterstrukturen. Lediglich die Abmessungen der Stege in der Ebene der zylindrischen Fläche der Rohrhalbzeuge kann bei einem derartigen Herstellungsverfahren variiert werden.
Verschiedene Bereiche eines Stents übernehmen in der Anwendung unterschiedliche Funktionen. So können allein über geometrische Designanpassungen Bereiche bestimmt werden, die bei einer Ausdehnung während der Implantierung eine Längenänderung kompensieren. Andere Bereiche mit speziellen Stegdesigns erhöhen die mechanische Stabilität oder wölben sich bei einer Aufweitung nach außen, um eine lokale Fixierung innerhalb des Blutgefäßes zu erzielen. Bisher werden derartige Designanpassungen in der Ebene der Mantelfläche des Rohres vorgenommen, damit sie mittels Laser ausgeschnitten werden können.
Der Laserschneidprozess ermöglicht dabei eine sehr hohe reproduzierbare Geometriegenauigkeit, ist jedoch in diesem Fall auch auf die Bereitstellung von ideal zylindrischen Halbzeugen angewiesen. Für eine bessere Anpassung der Stents wäre es allerdings wünschenswert, auch über die Variation der Wandstärke und zusätzliche Details in Radialrichtung des Rohres die Funktion des Stents für die jeweilige Anwendung optimieren zu können. Bisher ist keine Lösung bekannt, um diese geometrische Einschränkung des Laserschneidprozesses bei der Herstellung von Stents zu umgehen.
Für die Herstellung von Bauteilen mit komplexen geometrischen Strukturen, bspw. Hinterschneidungen oder Hohlräumen, sind auch generative Fertigungsverfahren, wie bspw. die Techniken des selektiven Lasersinterns oder selektiven Laserschmelzens bekannt. So zeigt bspw. die US 4863538 ein Beispiel für die Herstellung metallischer Produkte durch Freiform-Lasersintern, bei dem die Produkte mittels eines datengesteuert geführten Laserstrahls aus pulverförmigem Werkstoff auf einer Substratplatte schichtweise senkrecht aufgebaut werden. Für die Herstellung von Bauteilen mit geringen Abmessungen wird in der DE 102 19 983 B4 vorgeschlagen, zwischen der Substratplatte und der Außenfläche des Bauteils mindestens eine Stütze aufzubauen, die über eine Sollbruchstelle mit der Außenfläche des Bauteils verbunden ist. Damit werden die kleinen Bauteile beim Aufbauprozess ausreichend fixiert und können ohne Beschädigung nach dem Aufbau von der Substratplatte gelöst werden.
Eine Herstellung von Bauteilen kleiner Abmessungen mit filigranen Details oder gitterartigen Strukturen, wie bspw. von medizinischen Stents, sind mit einem derartigen Verfahren jedoch bisher nicht möglich. Dies liegt daran, dass derartige Bauteile bei der Herstellung dazu neigen, sich aufgrund der thermischen Spannungen nach oben zu verziehen. Dadurch steigt das Risiko, dass der Beschichter das Bauteil zerstört oder die Bauteile nicht die erwartete Genauigkeit aufweisen. Der Einsatz zusätzlicher Stützen zwischen der Substratplatte und den filigranen Strukturen ist hier nicht ohne weiteres möglich, da die dünnwandigen Gitterstrukturen in der Regel ähnliche Wandstärken wie die generierte Stützgeometrie aufweisen. Dementsprechend ist die Entfernung der Stützgeometrie nach der Fertigung nicht oder nur beschränkt mit viel Aufwand möglich. Dieses Problem konnte bislang nur durch die Wahl einer der Fertigung angepassten Geometrie des Bauteils gelöst werden, die jedoch in der Regel nicht die ideale funktionelle Geometrie für das Bauteil darstellt.
Die DE 10 2007 033 434 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Bauteile, bei dem die Bauteile schichtweise mittels selektivem Laserschmelzen auf einer Unterlage aufgebaut werden. Die Bauteile werden bei diesem Verfahren über eine Hilfsstruktur miteinander verbunden, die Sollbruchstellen zur späteren Trennung von den Bauteilen aufweist.
Die DE 10 2010 008 781 A1 sowie die CN 101856723 A befassen sich mit Verfahren zur Herstellung von Stents mittels selektivem Laserschmelzen. Die DE 101 25 999 A1 offenbart beispielhaft Dimensionen der Strukturen eines medizinischen Stents.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren anzugeben, mit dem sich Bauteile mit einer Abfolge von feinen Strukturen und Zwischenräumen ohne geometrische Einschränkung bei der Ausgestaltung der feinen Strukturen herstellen lassen. Das Verfahren soll insbesondere auch die Herstellung metallischer Stents mit variabler Wandstärke ermöglichen.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird das Bauteil schichtweise mittels selektivem Laserschmelzen auf einer Unterlage, bspw. einer Substratplatte, aufgebaut. Die feinen Strukturen werden bei dem Prozess des selektiven Laserschmelzens über Membrane miteinander verbunden, die die Zwischenräume zwischen den feinen Strukturen ausfüllen und eine geringere Dicke als die feinen Strukturen aufweisen. Nach dem vollständigen Aufbau des Bauteils werden diese Membrane dann mittels eines abtragenden Bearbeitungsverfahrens von dem Bauteil entfernt. Die Trennung des Bauteils von der Unterlage kann hierbei in bekannter Weise erfolgen, bspw. durch einen Sägeprozess. Selbstverständlich kann auch eine zusätzliche Stützstruktur zwischen dem Bauteil und der Unterlage erzeugt werden, die sich leicht durchtrennen lässt, bspw. eine Sollbruchstelle wie bei dem oben beschriebenen Verfahren des Standes der Technik aufweist.
Unter der Technik des selektiven Laserschmelzens ist hierbei der Aufbau eines Bauteils mittels generativer Fertigungstechnik zu verstehen, bei dem das pulverförmige Bauteilmaterial schichtweise mit einem datengesteuerten Laserstrahl aufgeschmolzen und durch Erstarrung der Schmelze aufgebaut wird. Geeignete Anlagen zum selektiven Laserschmelzen sind aus dem Stand der Technik bekannt und bereits kommerziell verfügbar. Unter dem Begriff der Membranen, die die benachbarten feinen Strukturen verbinden und die Zwischenräume zwischen diesen Strukturen ausfallen, sind dünnhäutige Materialbereiche mit einer Dicke zu verstehen, die vorzugsweise ≤ 0,5 mm beträgt. Die feinen Strukturen des Bauteils weisen ebenfalls geringe Dicken und Breiten auf, die vorzugsweise ≤ 1 mm sind.
Mit dem abtragenden Bearbeitungsverfahren zur Entfernung der Membrane werden nicht durch die Membrane gebildete Bereiche des Bauteils ebenfalls in einer entsprechenden Dicke abgetragen. Dies kann jedoch bei der generativen Fertigung des Bauteils durch eine um eine entsprechend dickere Ausführung der entsprechenden Strukturen ausgeglichen werden. Für die Entfernung der Membrane werden vorzugsweise abrasive, chemische oder elektrochemische Politurverfahren eingesetzt. Durch diese Politurverfahren wird dann gleichzeitig auch die Oberflächenrauigkeit des erzeugten Bauteils verringert.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des vorgeschlagenen Verfahrens wird das Bauteil aus einem metallischen Material hergestellt. Besonders vorteilhaft lassen sich die Membrane dann durch ein Elektropoliturverfahren von dem Bauteil entfernen. Auf diese Weise lassen sich vor allem sehr vorteilhaft Bauteile mit gitterartigen Strukturen wie bspw. medizinische Stents herstellen.
Das vorgeschlagene Verfahren ermöglicht die Herstellung von Bauteilen, die zumindest in einem Bauteilabschnitt aus einer Abfolge von feinen Strukturen und Zwischenräumen gebildet sind, mit nahezu beliebiger Geometrie der feinen Strukturen. So bestehen bspw. bei der Herstellung von medizinischen Stents größere gestalterische Freiheiten gegenüber einer Herstellung mit der Technik des Laserschneidens. So können Dickenunterschiede in Axialrichtung des Stens hinsichtlich der Wandstärke und hinsichtlich des Durchmessers der rohrartigen Struktur des Stents erzeugt werden. Auch eine Herstellung von Stents mit einer Verzweigung in mehrere Äste ist ohne einen nachträglichen Fügungsschritt möglich. Die einzelnen feinen Strukturen können wiederum selbst mit Hohlräumen gefertigt werden, bspw. durch Erzeugung rohrartiger Gitterstege bzw. Querverstrebungen der Struktur.
Prinzipiell sind nahezu beliebige dreidimensionale Formen der feinen Strukturen erzeugbar. Das Verfahren lässt sich mit geringem technischen Aufwand durchführen und ermöglicht eine individuelle Massenproduktion der gefertigten Bauteile. Das Verfahren ermöglicht auch die Nutzung von Materialien, die zur Zeit nicht anders verarbeitet werden können. Weiterhin ist das vorgeschlagene Herstellungsverfahren nicht von Halbzeugzulieferern und Standardgeometrien der Halbzeuge abhängig, wie dies beim bisherigen Verfahren mittels Laserschneiden der Fall ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Das vorgeschlagene Verfahren wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen:
1 eine schematische Darstellung bei der Herstellung der Bauteile mittels selektivem Laserschmelzen;
2 ein Beispiel für einen mit dem Verfahren mittels aufgebauten Stent mit den stützenden Membranen;
3 ein Beispiel für den Stent der 2 nach der Entfernung der Membrane; und
4 ein Beispiel für einen mit dem Verfahren herstellbaren Stent mit einer Verzweigung.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Beim selektiven Laserschmelzen (SLM) werden die herzustellenden Bauteile durch schichtweises Aufschmelzen eines pulverförmigen Bauteilmaterials mit einem Laserstrahl aufgebaut. 1 zeigt hierzu stark schematisiert einen Teil einer Anlage zum selektiven Laserschmelzen, mit der die Bauteile gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren hergestellt werden können. Die Bauteile werden hierbei auf einer Bauplattform 1 aufgebaut, die in einem Baubehältnis 2 in Pfeilrichtung verschiebbar ist. Im vorliegenden Beispiel sind bereits aufgebaute Abschnitte der Stents 7 auf der Plattform zu erkennen. Die Plattform 1 wird bei der Fertigung jeweils um die Dicke einer zu generierenden Schicht abgesenkt und in dieser Dicke mit neuem metallischen Bauteilmaterial 3 aufgefüllt. Anschließend wird das Bauteilmaterial in der zu generierenden Schicht mit dem Laserstrahl 4 eines Lasers 5 aufgeschmolzen, der mit einem Scanner 6 entsprechend der Bauteilgeometrie über das Bauteilmaterial geführt wird. Nach der Verfestigung der aufgeschmolzenen Schichtbereiche wird die Plattform 1 wiederum um eine Schichtdicke abgesenkt und neues pulverförmiges Bauteilmaterial aufgebracht. Die Glättung der Oberfläche des Bauteilmaterials erfolgt in der Regel mit einem geeigneten Schieber, der in der Figur – ebenso wie die Zuführungseinrichtung für das Bauteilmaterial – nicht dargestellt ist. Nach dem vollständigen Aufbau der Stents 7 wird das noch pulverförmige Bauteilmaterial 3 entfernt. Die Stents 7 werden dann von der Bauplattform 1 gelöst und nachverarbeitet, um die bei der Herstellung erzeugten Membranen zwischen den dünnen Strukturen zu entfernen.
Dies erfolgt bevorzugt mit einem chemischen Verfahren, insbesondere durch Elektropolieren. Hierzu werden die Stents in eine Elektropoliturvorrichtung gegeben und die Oberfläche der Stents bis zu einer Dicke abgetragen, bei der keine Membrane mehr zwischen den Stegen der Stents vorhanden sind.
2 zeigt hierzu einen mit dem Verfahren hergestellten Stent 7 bestehend aus der dünnwandigen Gitterstruktur 8 mit einer Wanddicke von 0,4 mm, die durch die dazwischen ausgebildeten Membrane 9 mit einer Dicke von 0,2 mm als Stützstruktur gestützt werden. Nach dem Entfernen der Membrane 9 wird der in 3 dargestellte Stent 7 erhalten, der nur noch durch die Gitterstruktur 8 mit den entsprechenden Zwischenräumen gebildet ist.
Das vorgeschlagene Verfahren ermöglicht die Herstellung von Stents mit idealer Geometrie mit geringem Aufwand. Eine Funktionalisierung der Stents kann durch Fertigung von zusätzlichen Hohlräumen innerhalb der Gitterstrukturen 8, bspw. durch rohrförmige Ausbildung der einzelnen Stege, ohne weiteres erzeugt werden. damit kann bspw. eine langzeitmedizinische Behandlung erfolgen, bei der in den zusätzlichen Hohlräumen geeignete Wirkstoffe eingelagert werden, die mit der Zeit freigegeben werden.
Das Verfahren ermöglicht bspw. auch die Herstellung von Stents mit Verzweigungen, wie dies in der 4 dargestellt ist. Der hier erzeugte Stent weist eine Verzweigung auf, die mit dem vorgeschlagenen Verfahren ohne zusätzlichen Aufwand erzeugt werden kann. Hierzu sind keine Fügeschritte im Bereich der Verzweigung erforderlich.
Das vorgeschlagene Verfahren ist nicht auf die Herstellung von Stents beschränkt. Vielmehr lassen sich damit auch andere Gitterstrukturen mit geringen Abmessungen, bspw. bis zu 200 × 200 × 200 mm³, oder auch andere Bauteile mit entsprechenden Strukturen herstellen, die zumindest abschnittsweise durch eine Abfolge von feinen Strukturen und Zwischenräumen gebildet sind.
Bezugszeichenliste

1: Bauplattform
2: Baubehältnis
3: Pulvermaterial
4: Laserstrahl
5: Laser
6: Scanner
7: Stent
8: dünnwandige Gitterstruktur
9: Membrane

Claims

Verfahren zur Herstellung von Bauteilen, die zumindest in einem Abschnitt aus einer Abfolge von feinen Strukturen und Zwischenräumen gebildet sind, bei dem – das Bauteil (7) schichtweise mittels selektivem Laserschmelzen auf einer Unterlage (1) aufgebaut wird, – die feinen Strukturen (8) bei dem selektiven Laserschmelzen über Membrane (9) miteinander verbunden werden, die die Zwischenräume zwischen den feinen Strukturen (8) ausfüllen und eine geringere Dicke als die feinen Strukturen (8) aufweisen, und – die Membrane (9) nach dem Aufbau des Bauteils (7) mittels eines abtragenden Bearbeitungsverfahrens entfernt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Membrane (9) durch ein Politurverfahren entfernt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile (7) aus einem metallischen Material (3) hergestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Membrane (9) durch Elektropolieren entfernt werden.
Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 zur Herstellung von Bauteilen, die gitterartige Strukturen aufweisen.
Verwendung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Bauteilen um Stents handelt.
Verwendung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile aus Metall bestehen und die gitterartigen Strukturen Strukturelemente mit einer Dicke oder Breite von ≤ 1 mm aufweisen.