DE102014203458A1 - Verfahren zur Herstellung eines medizinischen Instruments mittels eines additiven Verfahrens - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines medizinischen Instruments, dadurch gekennzeichnet, dass dieses zumindest zum Teil mittels eines additiven Herstellungsverfahrens hergestellt wird.

Description

  • Medizinische Instrumente, wie beispielsweise Zahnbohrer, Fräser, Schleifinstrumente, Schallspitzen oder Sägeblätter werden gemäß dem Stand der Technik in klassischer Weise spanend hergestellt. Dabei wird üblicherweise von einem Halbzeug ausgegangen, welches in unterschiedlichen Arbeitsschritten spanend bearbeitet wird. Insbesondere die Herstellung von Schneiden oder Verzahnungen erfolgt dabei durch Fräsen oder Schleifen.
  • Die klassischen Herstellungsverfahren weisen den Nachteil auf, dass sie nur für bestimmte Geometrien geeignet sind. So ist es beispielsweise nicht möglich, Hinterschnitte oder Hohlräume herzustellen, da die Geometrie des Instruments in direkter Beziehung steht zu den Herstellungsverfahren und den verwendeten Werkzeugen.
  • Die Entwicklung derartiger Instrumente ist somit in gewissem Maße durch die zur Verfügung stehenden Herstellungsverfahren limitiert.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines medizinischen Instruments zu schaffen, welches die Nachteile des Standes der Technik vermeidet und eine präzise und kostengünstige Herstellung ermöglicht.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmalskombination des Anspruchs 1 gelöst, die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
  • Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, dass das medizinische Instrument mittels eines additiven Herstellungsverfahrens hergestellt wird. Dieses additive Herstellungsverfahren kann erfindungsgemäß entweder für das gesamte Instrument oder für einen Teil desselben, beispielsweise für einen mit Schneiden versehenen Kopf, verwendet werden.
  • Bei den additiven Herstellungsverfahren, welche die Fertigung von medizinischen Instrumenten, beispielsweise aus Stahl, Keramik, Hartmetall, Titan oder Kunststoff ermöglichen, wird üblicherweise von einem pulverförmigen Material ausgegangen. Dieses wird schichtweise aufgeschmolzen, beispielsweise mittels Laser oder Elektronenstrahl. Es handelt sich somit um eine werkzeuglose Produktion. Hieraus folgt, dass die Geometrie, beispielsweise eines mit Schneiden versehenen Kopfes eines Dentalfräsers, nicht durch die bei der Fertigung zu verwendenden Werkzeuge beschränkt ist. Vielmehr können Hohlräume, Hinterschnitte, Spülkanäle, Lüftungskanäle oder Ähnliches, in einem einzigen Arbeitsschritt mittels des additiven Verfahrens hergestellt werden.
  • Bei den zur Rede stehenden medizinischen Instrumenten handelt es sich im Wesentlichen um sehr kleine Bauteile (insbesondere Dentalbohrer oder Dentalfräser). Die Menge des additiv aufzutragenden Materials ist somit gering. Hierdurch ergibt sich die Möglichkeit, eine sehr schnelle und damit sehr kostengünstige Fertigung von hohen Stückzahlen zu ermöglichen.
  • Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren eignet sich sowohl zur Einzelfertigung jeweils eines einzigen Instruments, als auch zur gleichzeitigen Fertigung einer Vielzahl von Instrumenten in einer gemeinsamen Vorrichtung zur additiven Fertigung.
  • Das erfindungsgemäß zu verwendende additive oder generative Herstellungsverfahren sieht somit vor, ein medizinisches Instrument schichtweise direkt strukturiert und schichtübergreifend herzustellen. Dabei ist es besonders günstig, wenn das Instrument in vertikaler Anordnung gefertigt wird. Hierdurch ist es insbesondere bei rotierenden Instrumenten möglich, diese rotationssymmetrisch zu einer Rotationsachse zu fertigen, so dass keine Nacharbeiten erforderlich sind. Weiterhin kann bei einer vertikalen Anordnung auf die Ausbildung von Stützbereichen, welche nachfolgend wieder entfernt werden müssten, verzichtet werden.
  • Die additive Fertigung erfolgt erfindungsgemäß bevorzugterweise unter Verwendung eines Pulvermaterials oder ähnlichem. Dabei wird das Instrument in einem mit dem Pulver gefüllten Behälter schichtweise aufgebaut. Die jeweilige obere Pulverschicht wird durch selektives Laserschmelzen, selektives Lasersintern, durch Elektronenstrahlauftragsschweißen oder ein DLD-Verfahren erzeugt. Nachfolgend wird die nächste Pulverschicht aufgebracht, wobei das Pulver formgenau zur Erzeugung des Instruments mittels des Lasers oder Elektronenstrahls oder in anderer Weise aufgeschmolzen und verfestigt wird. Übliche Schichtstärken liegen dabei zwischen 20 μm und 100 μm.
  • Die additiven Herstellungsverfahren erlauben eine Herstellung von medizinischen Instrumenten, deren mechanische Eigenschaften weitgehend denen des verwendeten Grundwerkstoffs entsprechen. Es ergeben sich große Bauteildichten, welche fast 100% betragen können. Hieraus folgt, dass die erfindungsgemäß hergestellten Instrumente eine hohe Festigkeit aufweisen und somit sowohl eine lange Lebensdauer als auch eine gute Schneidleistung haben.
  • In besonders günstiger Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das medizinische Instrument in einer Mischbauweise oder Hybridbauweise erzeugt wird. Dabei ist es beispielsweise möglich, einen Schaft mit einem Einspannbereich spanend aus einem Halbzeug zu fertigen und nachfolgend beispielsweise den mit den Schneiden versehenen Kopf oder zumindest einen Teil des Kopfes mittels eines additiven Verfahrens zu fertigen. Diese Lösungsvariante kann sich dann als besonders vorteilhaft erweisen, wenn die spanende Fertigung eines Werkzeugs im Bereich seines Schaftes und seines Einspannbereiches automatisiert erfolgen kann und lediglich die Herstellung des Kopfes in einem einzigen additiven Herstellungsschritt vorgenommen werden kann. Es ist jedoch auch möglich, beispielsweise lediglich einen Kopf eines Instruments additiv zu fertigen und diesen dann auf andere Weise mit einem vorgefertigten Schaft zu fügen, beispielsweise durch Reibschweißen, Laserschweißen oder Ähnliches.
  • Somit wurde erfindungsgemäß erstmals eine Möglichkeit geschaffen, eine industrielle Großserienfertigung medizinischer Instrumente mittels additiver Verfahren vorzunehmen. Die Verwendung derartiger Verfahren auf dem Medizinsektor wurde bisher nicht in Betracht gezogen, da additive Herstellungsverfahren meist nur für die Prototypenfertigung oder für die Einzelfertigung verwendet werden.
  • Durch das erfindungsgemäß vorgesehen Verfahren ist es somit möglich, aus unterschiedlichsten Materialien (Titan oder Titanlegierungen, Keramik, Kunststoff, Stahl, Hartmetall oder Ähnlichem) beliebige Geometrien, insbesondere der Köpfe von medizinischen Instrumenten zu erzeugen, die ein hohes Maß an Festigkeit aufweisen und eine Gestaltung, unabhängig von den Beschränkungen durch Werkzeuge ermöglichen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich auch dazu, additiv hergestellte Bereiche des medizinischen Instruments mittels eines abtragenden Verfahrens nachzubearbeiten. So ist es beispielsweise möglich, die Schneiden, beispielsweise eines Kopfes eines Fräsers, mittels eines abtragenden Laserverfahrens zu schärfen oder zu kalibrieren. Dies kann beispielsweise auch erfolgen, um den Rundlauf eines rotierenden medizinischen Instruments zu verbessern.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:
  • 1 eine schematische Seitenansicht eines zu verwendenden Halbzeugs,
  • 2 einen Fertigungsschritt mit der Herstellung eines Schaftes, und
  • 3 ein fertig aufgebautes additives medizinisches Instrument in Form eines Bohrers oder Fräsers.
  • Die 1 zeigt als Ausgangsmaterial für ein kombiniertes Herstellungsverfahren ein Halbzeug 1, welches in Form eines Zylinderstiftes oder Drahtes, ausgebildet ist.
  • In einem nächsten Arbeitsschritt wird das Halbzeug spanend bearbeitet, um einen Schaft 2 mit einem Einspannbereich 3 und einem Hals 4 zu erzeugen. Dieses Zwischenprodukt wird anschließend mittels eines additiven Verfahrens fertiggestellt, indem schichtweise Material zur Erzeugung eines mit Schneiden versehenen Kopfes 5 aufgebracht wird.
  • Falls erforderlich, kann eine Schärfung der Schneiden mittels eines abtragenden Verfahrens, beispielsweise eines Laserabtragverfahrens, erfolgen.

Claims (9)

  1. Verfahren zur Herstellung eines medizinischen Instruments, dadurch gekennzeichnet, dass dieses zumindest zum Teil mittels eines additiven Herstellungsverfahrens hergestellt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schaft (2) mit einem Einspannbereich (3) und/oder zumindest ein Teil eines mit Schneiden versehenen Kopfes (5) spanend aus einem Halbzeug gefertigt wird und dass nachfolgend zumindest ein Teil eines Kopfes des Instruments additiv erzeugt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Instrument mit vertikaler Anordnung seiner Rotationsachse additiv gefertigt wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als additives Verfahren ein selektives Laser-Auftragsverfahren, ein selektives Laser-Sinterverfahren oder ein Elektronenstrahl-Auftragsschweißverfahren angewendet wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der additiv gefertigte Teil des Instruments aus Stahl, Keramik, Hartmetall, Titan, Titan-Legierungen oder Kunststoff besteht.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil des Kopfes (5) mittels eines abtragenden Verfahrens nachbearbeitet wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das abtragende Verfahren ein Laser-Abtragsverfahren und/oder ein spanendes Verfahren ist.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das abtragende Verfahren zur Schärfung von Schneiden oder zur Verbesserung des Rundlaufs des Instruments verwendet wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Instrument als Zahnbohrer, Fräser, Schleifinstrument, Schallspitze und/oder Sägeblatt ausgebildet ist.
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