EP4225559A1 - Additive fertigungseinrichtung, verfahren sowie medizinprodukt hierzu - Google Patents

Additive fertigungseinrichtung, verfahren sowie medizinprodukt hierzu

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EP4225559A1
EP4225559A1 EP21794115.2A EP21794115A EP4225559A1 EP 4225559 A1 EP4225559 A1 EP 4225559A1 EP 21794115 A EP21794115 A EP 21794115A EP 4225559 A1 EP4225559 A1 EP 4225559A1
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EP
European Patent Office
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material layer
strands
infill
peripheral surface
outer peripheral
Prior art date
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Pending
Application number
EP21794115.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Stefan Leonhardt
Sebastian Pammer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kumovis GmbH
Original Assignee
Kumovis GmbH
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Filing date
Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • B33Y80/00—Products made by additive manufacturing

Definitions

  • the present invention relates to additive manufacturing equipment, in particular 3D printers; for producing at least one component formed in layers with at least one construction chamber; with at least one extrusion head, which is three-dimensionally movable within the build chamber; and with at least one control and/or regulation device for controlling and/or regulating the extrusion head.
  • the present invention relates to an additive manufacturing method, in particular a 3D printing method, for producing a component formed in layers.
  • the present invention relates to a medical product, in particular a medical implant, the medical product being obtained by the additive manufacturing method mentioned above.
  • Additive or generic manufacturing processes also called 3D printing processes
  • 3D printing processes have become increasingly important due to technical progress in recent decades and will continue to do so in the future.
  • the subject matter of the present invention is a specific surface structuring of components that are produced, for example, by means of filament 3D printing (FFF—“Fused Filament Fabrication” for filament 3D printing).
  • FFF “Fused Filament Fabrication” for filament 3D printing
  • This structuring is particularly advantageous for medical products such as implants.
  • This surface structuring changes the surface of the component significantly increased and the contact angle of the surface of the implant and a bone, for example, reduced.
  • the surface structure of the implant has an osseointegrative effect, which is why it is used, for example, in bone replacement implants in orthopedics (e.g. spinal fusion devices, CMF implants, total endoprostheses, etc.).
  • the surface structuring increases the primary stability of the implants (eg in the case of implants for vertebral body fusion).
  • 3D printing methods are already known from the prior art, also in connection with medical products, in particular implants.
  • a 3D printing device in particular an FFF printing device, with at least one print head unit is already known from DE 10 2015 111 504 A1, the print head unit being provided in at least one operating state for the purpose of producing an at least partially made of a high-performance plastic, in particular a high-performance thermoplastic, to melt the printed material formed.
  • EP 3 173 233 A1 which has a processing space that is heated by a processing space heating unit provided for this purpose.
  • US Pat. No. 6,722,872 B1 shows a three-dimensional modeling device which is intended to construct three-dimensional objects within a heated construction chamber.
  • US 2015/110911 A1 shows an environment monitoring or control unit that is used, for example, as an interface in additive manufacturing technologies to their respective environments.
  • WO 2016/063198 A1 shows a method and a device for the production of three-dimensional objects by “fused deposition modelling”, the production device having radiant heating elements which can heat a surface of the object to be produced which is exposed to them.
  • a method for producing a three-dimensional object with a “fused deposition modeling” printer can also be found in WO 2017/108477 A1.
  • an additive manufacturing device having the features of claim 1. Accordingly, it is provided that an additive manufacturing device, in particular a 3D printer; for producing at least one component formed in layers with at least one construction chamber; with at least one extrusion head, which is three-dimensionally movable within the build chamber; and is provided with at least one control and/or regulation device for controlling and/or regulating the extrusion head, wherein the control and/or regulation device is set up to control and/or regulate the extrusion head in such a way that at least one first Material layer of the component can be formed by forming one or more infill material strands, in particular in at least one first two-dimensional plane; that at least one second material layer of the component can be formed by the extrusion head by forming one or more infill material strands based on the first material layer, in particular in at least one second two-dimensional plane parallel to the first two-dimensional plane; and that the first and/or the second material layer can be formed by the extrusion head exclusively by the one or
  • the invention is based on the basic idea that the additive manufacturing device is intended to have a specific surface structure through the activation of the extrusion head according to the invention of the manufactured component, so that firstly the surface structure is roughened and secondly the surface area is increased.
  • These two properties of the manufactured component give it so-called osseointegrative properties, among other things.
  • the surface structuring also increases the primary stability of the manufactured component.
  • additive filament manufacturing devices are known from the prior art, which enclose a layer of material after completion of the formation or the application of the infill material strands on the respective outer peripheral surface with one or more so-called perimeter material strands along the outer peripheral surface.
  • the production device is characterized by at least one first and at least one second material layer.
  • this configuration is not limited to a single first and a single second material layer, but that the first and the second material layer each comprise a plurality of first and second material layers (e.g. multiplied by a factor of 10, 100 or 1000, etc.) from which the component to be produced is constructed by means of the production device.
  • An infill material strand (also called an infill web) is understood to mean a material in strand form that is melted and extruded continuously or clocked by an extrusion head (the additive manufacturing device), which is applied layer by layer of material and thus additively forms the component.
  • a cycled extruded strand of infill material can therefore be created from a strand of infill material that is point-extruded along its longitudinal axis. and/or is extruded in sections and thus results in this strand (of several strands or strand sections).
  • an infill strand (or strands) of material is deposited according to the required geometric contour and fills that contour in sections and sequentially (hence the name “infill” strand of material). FüH" material line).
  • the required geometric contour of a material layer is generated by a corresponding infill pattern based on the one or more infill material strands.
  • Such an infill pattern can be constructed, for example, by linear or straight sections of the infill material strand, which are aligned, for example, parallel within the required geometric contour of the material layer.
  • a reversal point of the respective strand section is reached and a reversal movement of the extrusion head takes place, eg parallel in the opposite direction of the adjacent strand section to the next reversal point, etc., where this process is repeated.
  • the reversal movement can take place under continuous extrusion or the extrusion can be stopped briefly here and only started again at the beginning of the new section.
  • a strand section thus always extends from reversal point to reversal point within the contour limits. The required contour is therefore approximated by the respective loci of the reversal points.
  • the roughness of the resulting material layer surface can also be adjusted layer by layer and thus also globally in relation to a component surface or a component surface area by approximation.
  • This explanation is based on of linear or straight infill material strand sections is to be understood purely as an example and is only used for better illustration.
  • the infill material strand sections can also have other shapes (eg curved), the same applies to the infill pattern (eg crooked).
  • the present invention relates to an additive manufacturing method, in particular a 3D printing method, for a component formed from a plurality of material layers, having the following steps:
  • the first material layer in the formed state has at least one first outer peripheral surface which externally delimits the first material layer, at least one surface treatment being carried out at least on the first outer peripheral surface in a further step.
  • the first outer peripheral surface can be improved in terms of its microstructure in addition to its macrostructure (substantially by dispensing with the perimeter strands of material).
  • One surface treatment can be another Achieve enlargement of the first outer peripheral surface, so that the osseointegrativity can be further improved and thus even more specific properties of the medical component can be achieved and these advantageously benefit a patient, for example.
  • the second material layer in the formed state has at least one second outer peripheral surface which externally delimits the second material layer, at least one surface treatment being carried out at least on the second outer peripheral surface in a further step.
  • the surface treatment includes at least etching. Etching increases the surface area of the first and second outer peripheral surfaces, particularly at the micro level, thereby further improving the osseointegrativity of the component (particularly for medical applications).
  • the surface treatment may include at least one coating.
  • the properties of the first and second outer peripheral surfaces can be changed or improved by means of coating.
  • a coating can be provided which improves the biocompatibility or wettability of the component, for example.
  • the first and second outer peripheral surfaces form the interface between the component and its surroundings (e.g. skin, organ or bone tissue in the case of an implant).
  • the coating contains antimicrobial chemical compounds, so that the tendency of the component to ignite can be reduced in the case of an implant.
  • first material layer and/or the second material layer or coatings on the outer surface (or peripheral surface) each have a layer thickness in the nano range, in particular in a range of up to approx. 250 nm, e.g. up to approx. 150 nm or up to has or have about 100 nm.
  • the outer layer is designed to be biodegradable and the inner layer has a thickness in the nano range.
  • the first material layer and/or the second material layer each have a layer thickness in a range from approximately 0.05 mm to approximately 0.5 mm. This layer thickness allows a good compromise between maximizing the roughness to increase the osseointegrativity of the first and second outer peripheral surfaces on the one hand and the required tolerances of the component to be produced on the other hand.
  • layer thicknesses can be advantageously processed economically and at a reasonable speed, since material thicknesses that are too small would mean a disproportionately long production.
  • the one or more infill material strands of the first material layer and/or the second material layer has or have a strand thickness in a range from approximately 0.1 mm to approximately 1 mm.
  • This strand thickness allows a good compromise between maximizing the roughness to increase the osseointegrativity of the first and second outer peripheral surfaces on the one hand and the required tolerances of the component to be produced on the other hand.
  • such strand thicknesses can be advantageously processed economically and at a reasonable speed, since too small strand thicknesses would mean a disproportionately long production.
  • the one or more infill material strands of the first material layer and/or the second material layer is or are each straight and/or curved.
  • Straight infill material strands in particular can be processed particularly easily and economically due to their linear or straight structure, since the control effort for the extrusion head and the resulting infill material structure can be simplified.
  • many geometries can be approximated and formed quite precisely by linear or straight infill material strands due to the additive or layered manufacturing process within the plane of the material layer due to the small material layer and strand thickness.
  • a component can also have more complex shapes, it is advantageous to supplement straight infill material strands with curved infill material strands in order to do justice to these geometries as well.
  • the respective longitudinal axes of the straight infill Material strands of the first and second material layers can also be arranged at an angle to one another. Angles from 0° to 360° are conceivable, with 90° or 270° being particularly advantageous. This arrangement would then result in a rectangular or square material layer structure between the first and second material layer. Additionally or alternatively, other material layer structures such as polygonal, (eg honeycomb, triangular or square) concentric or circular and/or corrugated material layer structures are conceivable.
  • first material layer and the second material layer each comprise at least one medically compatible plastic and/or at least one plastic that can be absorbed by the human or animal body.
  • Medically compatible plastic can contain, for example, PEEK, PEKK, PEI or PPSII
  • plastic that can be absorbed by the human or animal body can contain, for example, PCL, PDO, PLLA, PDLA, PGA or PGLA.
  • these plastics can be printed into material layers in such a way that cavities for fillings are created in the material layers. These fillings can give the component additional advantageous properties such as improved wettability, improved mechanical or chemical properties, release of hormones or drugs or further improved biocompatibility (e.g. through the integration of antimicrobial fillers).
  • the first material layer is formed exclusively by the one or more infill material strands and wherein the second material layer in the formed state has at least one second outer peripheral surface which externally delimits the second material layer, with one or more perimeter material strands are formed along the second outer peripheral surface.
  • the advantage of these differently configured two outer peripheral surfaces is that the component has surface areas (having a plurality of first and second layers of material as described above) which are selectively roughened (by omitting the outer perimeter material strands), while other surface areas are deliberately or selectively not roughened and show the surface structure as already disclosed in the prior art (by applying or forming the outer perimeter material strands).
  • the growth of bone onto an implant in the body can already be controlled in a targeted manner during the production of the implant.
  • the additive manufacturing process is an FFF 3D printing process.
  • This filament process which is generally known in the prior art under this name FFF (“Fused Filament Fabrication”), is particularly advantageous for processing plastics, since it is inexpensive, economical and fast and the challenges in terms of component accuracy are becoming increasingly easier to master.
  • the plastics are usually in the form of filaments and are then fed to a print head or extrusion head of the additive manufacturing device and melted there. This extrudes the molten plastic in the form of a strand (in the form of the inferfill or perimeter material strand) on one level and thus forms a layer of material strand by strand according to the required geometry, in order to build the component layer by layer by forming individual layers of material on top of each other.
  • the present invention relates to a medical product, in particular a medical implant, wherein the medical product is obtained or manufactured by the additive manufacturing method described above and wherein the medical product has at least a first material layer which is formed by one or more infill material strands, in particular within at least one first two-dimensional plane; wherein the medical product has at least one second material layer, which is formed by one or more infill material strands building up on the first material layer, in particular within at least one second two-dimensional plane parallel to the first two-dimensional plane; and wherein the first and/or second material layer is or are formed exclusively by the one or more infill material strands.
  • All structural and functional features associated with the additive manufacturing device according to the invention described above and with the additive manufacturing method and its possible embodiments can also be provided alone or in combination with the medical product according to the invention and the associated embodiments and the associated advantages can be achieved.
  • the first material layer of the medical product has at least one first outer peripheral surface in the formed state, which externally delimits the first material layer, with at least the first outer peripheral surface being surface-treated.
  • the second material layer has at least one second outer peripheral surface in the formed state, which externally delimits the second material layer, with at least the second outer peripheral surface being surface-treated.
  • first and/or second outer peripheral surface has an etching.
  • first and/or second outer peripheral surface may have a coating.
  • the first material layer and the second material layer each have a layer thickness in a range from approximately 0.05 mm to approximately 0.5 mm.
  • the one or more infill material strands of the first material layer and the second material layer each have a strand thickness in a range from approximately 0.1 mm to approximately 1 mm.
  • the one or more infill material strands of the first material layer and the second material layer can be straight and/or curved.
  • the first material layer and the second material layer each comprise at least one medically compatible plastic and/or at least one plastic that can be absorbed by the human or animal body.
  • the first material layer is formed exclusively by the one or more infill material strands and wherein the second material layer in the formed state has at least one second outer peripheral surface which externally delimits the second material layer, wherein one or more perimeter Material strands are formed along the second outer peripheral surface.
  • FIG. 1a shows a schematic perspective illustration of an exemplary embodiment of an additively manufactured component from the prior art
  • FIG. 1b shows a schematic perspective illustration of an embodiment of an additively manufactured component according to the invention, which has been manufactured by the method according to FIG. 4;
  • Fig. 2a is a schematic perspective view of a
  • Fig. 2b is a schematic perspective view of a
  • Embodiment of an additively manufactured component according to the invention which has been produced by the method according to FIG. 4;
  • FIG. 2c shows a schematic perspective illustration of an exemplary embodiment of an additively manufactured component according to the invention, which has been manufactured by the method according to FIG. 4;
  • FIG. 3 shows a schematic front representation of an exemplary embodiment of an additive manufacturing device according to the invention.
  • 4 shows a schematic representation of an exemplary embodiment of a sequence of an additive manufacturing method according to the invention.
  • FIG. 1a shows a schematic perspective view of an embodiment of an additively manufactured component 10 from the prior art.
  • the component 10 is shown as a hollow body with a square cross section and rounded corners.
  • Fig. 1a the top level is shown in more detail, in which a material layer 12 of the component 10 is formed.
  • the material layer 12 is formed by one or more so-called infill material strands 12a, which fill the material layer 12 with a filling pattern according to predetermined geometric conditions.
  • Infill material strands 12a are characterized in such a way that they are output by extrusion of a die head or an extrusion head of an additive manufacturing device (not shown in FIG. 1a) according to the geometric specifications specifically in each individual material layer together with the associated plane.
  • the infill material strands 12a were applied to form the material layer 12 in the uppermost level within a defined delimiting area (here a square hollow cross-section with rounded corners), so that these infill material strands 12a simulate the defined delimiting area or . fill up.
  • a defined delimiting area here a square hollow cross-section with rounded corners
  • the material layer 12 can in principle be formed by a single or multiple infill material strands 12a.
  • a single infill material strand 12a can be formed in such a way that the entire material layer 12 can be formed by this one infill material strand 12a without interrupting the extrusion head.
  • the material layer 12 can be formed by a plurality of infill material strands 12a, with the extrusion head interrupting and closing the extrusion at each edge point of the defined delimiting surface moves to another edge point and the extrusion starts again there and gradually builds up the material layer.
  • the outer and inner peripheral surfaces 10a, 10b serve to illustrate the basic structure of a single material layer 12 through the infill material strands 12a, depending on the geometry of the component only one peripheral surface 10a can be provided (in the case of a solid body) or two, three or more more peripheral surfaces (e.g. with complex bionic structures) are conceivable.
  • a coherent infill material strand 12a is provided, which has many infill material strand sections 12b, which are straight and parallel to one another and extend to their reversal points 12c within the outer and inner peripheral surface 10a, 10b and thus form the material layer 12 .
  • the material layer 12 is built up accordingly infill material strand section 12b for infill material strand section 12b in the striped diagram shown in Fig. 1 until the last infill material strand section 12b touches the first infill material strand section 12b and with it at the last or first reversal point 12c is linked.
  • the shape of the outer and inner peripheral surface 10a, 10b results for each individual material layer essentially from a defined projection plane or the resulting projection geometry of the component, which is assigned to the respective material layer 12.
  • the component can be built up layer by layer using a plurality of material layers 12, with the number of material layers being able to be two, three, four, five, six, etc.
  • the extrusion head adds at least one so-called perimeter to the layer of material 12 along the outer and inner peripheral surfaces 10a, 10b Material strand 12d added.
  • the lateral edge roughness of each material layer 12 caused by the reversal points 12c is smoothed and thus adapted as precisely as possible to the required geometric projection shape of the material layer 12 .
  • FIG. 1b accordingly shows a schematic perspective illustration of an exemplary embodiment of an additively manufactured component 10 according to the invention, which has been manufactured or obtained, for example, by the method according to FIG.
  • the component 10 is designed as a medical product 10 and in particular as a medical implant, the representation in FIG. 1b being only schematic and showing no relation to a specific implant.
  • the medical product 10 has at least one first material layer 12.1.
  • This first material layer 12.1 is formed by one or more infill material strands 12a within a first two-dimensional plane, comparable to FIG. 1a.
  • the medical product 10 also has at least one second material layer 12.2, which is also formed by one or more infill material strands 12a, based on the first material layer within a second two-dimensional plane parallel to the first two-dimensional plane.
  • the one or more infill material strands 12a of the first material layer 12.1 and the second material layer 12.2 are each straight.
  • Each strand of infill material 12a has a plurality of strands of infill material 12b, which are straight and parallel to one another and extend to their reversal points 12c within the outer and inner peripheral surfaces 10a, 10b and thus form the contour material layer 12.
  • the one or more infill material strands 12a of the first material layer 12.1 and of the second material layer 12.2 can each be configured in a curved manner.
  • the first and second material layers 12.1, 12.2 are each formed exclusively by the one or more infill material strands 12a.
  • first and second material layers 12.1, 12.2 do not have a perimeter material strand 12d as in the prior art.
  • the first or the second material layer 12.1, 12.2 is formed exclusively by the one or more infill material strands 12a.
  • one of the two first or second material layers 12.1, 12.2, which are not exclusively formed by the one or more infill material strands 12a, has one or more perimeter material strands 12d (not shown in FIG. 1b).
  • the resulting medical product 10 or implant has surface areas that specifically form a roughened structure (by dispensing with perimeter material strands), whereas other surface areas have an essentially smooth structure (by forming at least one perimeter material strand) .
  • the first and second material layers 12.1, 12.2 form the smallest structural unit of the medical product 10 constructed in layers, it being noted that the medical product is constructed from a plurality of these smallest structural units (e.g. a two-digit, three-digit, four-digit, five-digit, six-digit, seven-digit or eight-digit number etc.).
  • the first material layer 12.1 and the second material layer 12.2 each have a layer thickness in a range from approximately 0.05 mm to approximately 0.5 mm.
  • the one strand of infill material 12a or the plurality of strands of infill material 12a of the first material layer 12.1 and the second material layer 12.2 also each have a strand thickness in a range from approximately 0.1 mm to approximately 1 mm.
  • the first material layer 12.1 also has a first outer and inner peripheral surface 10a, 10b, which externally and internally delimits the first material layer 12.1.
  • the second material layer 12.2 also has a second outer and inner peripheral surface 10c, 10d in the formed state. on, which delimits the second material layer 12.2 externally and internally.
  • this can have only one peripheral surface (in the case of a solid body) or more than two peripheral surfaces (in the case of complex geometric structures).
  • the first and second outer peripheral surfaces 10a, 10c are further surface-treated.
  • first and second inner peripheral surfaces 10b, 10d can also be surface-treated.
  • Etching or coating can be provided as surface treatment.
  • the coating can contain anti-microbial chemical compounds or anti-inflammatory compounds, so that the inflammation tendency of the medical device can be reduced according to the use as an implant.
  • the first material layer 12.1 and the second material layer 12.2 are each formed from a medically compatible plastic.
  • Examples of the medically compatible plastic can be PEEK, PEKK, PEI or PPSU.
  • first material layer 12.1 and the second material layer 12.2 can also be made of a plastic that can be absorbed by the human or animal body.
  • plastic that can be absorbed by the human or animal body can be, for example, PCL, PDO, PLLA, PDLA, PGA or PGLA.
  • 2a shows a schematic perspective view of an embodiment of an additively manufactured medical component that has been manufactured by an additive manufacturing method known from the prior art.
  • the medical component 10 has an essentially smooth surface structure, which indicates that the respective outer perimeter material strands 12d were applied accordingly (cf. in this respect FIG. 1a).
  • the medical component 10 in a concrete configuration as a cranial implant is comparable to the component 10 from the prior art shown in very abstract form according to FIG. 1a.
  • the medical component 10 is made of the biologically compatible plastic PPSII.
  • FIG. 2b shows a schematic perspective illustration of an exemplary embodiment of an additively manufactured medical component 10 according to the invention, which was manufactured using the method according to FIG.
  • the medical component 10 is designed as a cranial implant that can replace or support areas of the cranial bone, for example.
  • the medical component 10 is made of the biologically compatible plastic PPSII.
  • the specifically roughened surface areas 10e of the implant which are formed by several material layers 12.1, 12.2, can be seen with reference to FIG. 2b are which have no perimeter strands of material (see the explanations in accordance with FIGS. 1a, 1b).
  • a substantially smooth surface area 10f of the implant can also be seen in FIG. 2b (central surface area 10f of the implant, which is surrounded by an outer roughened surface area 10).
  • This surface area 10f is correspondingly formed by a plurality of material layers which have one or more perimeter material strands 12d (see the explanations in this regard according to FIGS. 1a, 1b).
  • the component 10 is not limited to cranial implants; other forms of bone implants such as jaw, neck, shoulder, chest, hip, pelvis, thigh, knee and/or foot implants are also conceivable Bone or bone marrow screws, pins or plates may be provided.
  • the white rectangle on the smooth surface area 10f should not be understood as a recess, but rather as a cover for writing, with the smooth surface area 10f being of the same design along its entire extent.
  • FIG. 2c shows a further schematic perspective representation of an exemplary embodiment of an additively manufactured medical component 10 according to the invention, which was manufactured using the method according to FIG.
  • the medical component 10 is also designed as a cranial implant that can replace or support areas of the cranial bone, for example.
  • the medical component 10 is made of the biologically compatible plastic PPSII.
  • the component 10 is not limited to cranial implants; other forms of bone implants such as jaw, neck, shoulder, chest, hip, pelvis, thigh, knee and/or foot implants are also conceivable.
  • Bone or bone marrow screws, nails or plates can also be provided.
  • the white rectangle on the surface 10e should not be understood as a recess, but rather as a covering of an inscription, the surface being of the same design along its entire extent.
  • Fig. 3 shows a schematic front view of an embodiment of an additive manufacturing device 14 according to the invention.
  • the additive manufacturing device 14 for manufacturing a layered component is designed as a 3D printer.
  • the 3D printer is designed as an FFF 3D printer.
  • the additive manufacturing device 14 also has a build chamber 16 and an extrusion head 18 which can be moved three-dimensionally within the build chamber 16 by means of a corresponding linkage 20 with three arms and three associated linear guides 22 .
  • the additive manufacturing device 14 also has a control or regulation device (not shown in FIG. 3 ) for controlling or regulating the extrusion head 18 .
  • control or regulation device can also be designed as a control and regulation device for controlling and regulating the extrusion head 18 .
  • a heatable pressure bed 24 is arranged on the bottom side of the construction chamber 16, on which the component or implant to be produced is positioned.
  • An air supply device 26 is connected to the construction chamber 16 and forms a closed air circuit 28 together with the construction chamber 16 and the corresponding piping.
  • the air circuit 28 has a fan or compressor 30 for suction and air supply to the construction chamber 16 and also a heating device 32 , a filter 34 (eg a HEPA filter) and a diffuser 36 .
  • the control or regulation device is set up in such a way that it controls or regulates the extrusion head 18 in such a way that a first material layer of the implant can be formed by the extrusion head 18 .
  • the first material layer of the component is formed in such a way that one or more infill material strands (see FIGS. 1a, 1b and the associated description) are built up or formed in a first two-dimensional plane.
  • the extrusion head forms a second material layer of the component by forming one or more infill material strands, based on the first material layer, in a second two-dimensional plane parallel to the first two-dimensional plane.
  • control or regulation device is set up in such a way that the first and the second material layer can be formed by the extrusion head 18 exclusively by the one or more infill material strands.
  • first or the second material layer can be formed exclusively by the one or more infill material strands (see further explanations in this regard in FIG. 1b).
  • FIGS. 1b and 2 shows a schematic representation of an exemplary embodiment of a sequence of an additive manufacturing method according to the invention for manufacturing the medical product according to FIGS. 1b and 2.
  • the additive manufacturing method in the form of an FFF 3D printing method for a medical product formed from a plurality of material layers includes the formation of a first material layer of the medical product by formation one or more infill strands of material within a first two-dimensional plane.
  • a second material layer of the medical product is correspondingly formed by forming one or more infill material strands, based on the first material layer within a second two-dimensional plane parallel to the first two-dimensional plane (cf. also the explanations according to Fig. 1b). .
  • first and second steps S1 and S2 are carried out in such a way that the first and second material layers are each formed exclusively by the one or more infill material strands (step S3).
  • the first or the second material layer can each be formed exclusively by the one or more infill material strands.
  • a surface treatment can be carried out at least on the first peripheral surface and the second peripheral surface of the first and second material layer (see FIG. 1 b and the explanations thereon).
  • a surface treatment may be performed on the first peripheral surface or the second peripheral surface of the first or second material layer.
  • Step S4 or S5 of the surface treatment includes etching or coating.
  • a layer thickness in the nano range in particular in a range of up to approx. 250 nm , e.g. up to approx. 150 nm or up to approx. 100 nm.
  • the outer layer is designed to be biodegradable and the inner layer has a thickness in the nano range.
  • Component or medical product a first outer peripheral surface b first inner peripheral surface c second outer peripheral surface d second inner peripheral surface e specifically roughened surface areas f essentially smooth surface areas material layer .1 first material layer .2 second material layer a infill material strand; infill material strands b infill material strand sections c reversal points d perimeter material strand; perimeter strands of material additive manufacturing facility; FFF 3D printer build chamber

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Abstract

Eine additive Herstellungseinrichtung (14), insbesondere 3D-Drucker; zur Herstellung wenigstens eines schichtweise ausgebildeten Bauteils (10), mit wenigstens einer Baukammer (16); mit wenigstens einem Extrusionskopf (18), der innerhalb der Baukammer (16) dreidimensional bewegbar ist; und mit wenigstens einer Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung zur Steuerung und/oder Regelung des Extrusionskopfes (18); wobei die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung eingerichtet ist, den Extrusionskopf (18) derart zu steuern und/oder zu regeln, dass durch den Extrusionskopf (18) wenigstens eine erste Materialschicht (12.1) des Bauteils (10) durch Ausbilden eines oder mehrerer Infill-Materialstränge (12a), insbesondere in wenigstens einer ersten zweidimensionalen Ebene, ausbildbar ist; dass durch den Extrusionskopf (18) wenigstens eine zweite Materialschicht (12.2) des Bauteils (10) durch Ausbilden eines oder mehrerer Infill-Materialstränge (12a) aufbauend auf der ersten Materialschicht (12.1), insbesondere in wenigstens einer zweiten zweidimensionalen Ebene parallel zur ersten zweidimensionalen Ebene, ausbildbar ist; und dass durch den Extrusionskopf (18) die erste und/oder die zweite Materialschicht (12.2) jeweils ausschließlich durch den einen oder die mehreren Infill-Materialstränge (12a) ausbildbar ist oder sind. Ferner ein additives Herstellungsverfahren, insbesondere 3D-Druckverfahren, für ein aus mehreren Materialschichten (12.1, 12.2) ausgebildetes Bauteil (10) sowie ein durch das erfindungsgemäße additive Herstellungsverfahren hergestellte Bauteil.

Description

Additive Fertigungseinrichtunq, Verfahren sowie Medizinprodukt hierzu
Die vorliegende Erfindung betrifft eine additive Herstellungseinrichtung, insbesondere 3D-Drucker; zur Herstellung wenigstens eines schichtweise ausgebildeten Bauteils mit wenigstens einer Baukammer; mit wenigstens einem Extrusionskopf, der innerhalb der Baukammer dreidimensional bewegbar ist; und mit wenigstens einer Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung zur Steuerung und/oder Regelung des Extrusionskopfes.
Zudem betrifft die vorliegende Erfindung ein additives Herstellungsverfahren, insbesondere 3D-Druckverfahren, zur Herstellung eines schichtweise ausgebildeten Bauteils.
Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Medizinprodukt, insbesondere medizinisches Implantat, wobei das Medizinprodukt erhalten wird durch das vorstehend genannte additive Herstellungsverfahren.
Additive bzw. generische Fertigungsverfahren (auch 3D-Druckverfahren genannt) haben aufgrund des technischen Fortschrittes in den letzten Jahrzehnten zunehmend an Bedeutung gewonnen und werden dies in Zukunft weiterhin verstärkt tun.
Im Zusammenhang mit dem 3D-Druck von Materialien im Allgemeinen und von Kunststoffen im Speziellen, z.B. insbesondere für medizinische Anwendungen (z.B. für Implantate), steht vor allem die derzeit erzielbare Bauteilqualität (Verzug, Toleranzen, Festigkeit, Zähigkeit usw.) sowie spezifische Bauteileigenschaften (wie Gefüge- oder Oberflächeneigenschaften) zunehmend im Fokus vieler wissenschaftlicher Untersuchungen.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine spezifische Oberflächenstrukturierung von Bauteilen, die z.B. mittels Filament-3D-Druck (FFF - „Fused Filament Fabrication“, engl. für Filament 3D-Druck) hergestellt werden. Diese Strukturierung ist vor allem vorteilhaft bei Medizinprodukten wie Implantaten. Durch diese Oberflächenstrukturierung wird unter anderem die Oberfläche des Bauteils signifikant vergrößert und der Kontaktwinkel der Oberfläche des Implantats und einem Knochen beispielsweise reduziert. Die Oberflächenstruktur des Implantats wirkt dadurch osseointegrativ, weswegen sie z.B. bei Knochenersatzimplantaten in der Orthopädie (z.B. Spinal Fusion Devices, CMF-Implantate, Totalendoprothesen usw.) zum Einsatz kommt. Zusätzlich zur osseointegrativen Eigenschaft erhöht die Oberflächenstrukturierung die primäre Stabilität der Implantate (z.B. bei Implantaten für die Wirbelkörper-Fusion).
Aus dem Stand der Technik sind bereits 3D-Druckverfahren, auch im Zusammenhang mit medizinischen Produkten, insbesondere Implantaten, bekannt.
So ist aus der DE 10 2015 111 504 A1 bereits eine 3D-Druckvorrichtung, insbesondere eine FFF-Druckvorrichtung, mit zumindest einer Druckkopfeinheit bekannt, wobei die Druckkopfeinheit in zumindest einem Betriebszustand dazu vorgesehen ist, ein zumindest teilweise von einem Hochleistungskunststoff, insbesondere einem Hochleistungsthermoplast, gebildetes Druckmaterial aufzuschmelzen.
Im Übrigen ist in der EP 3 173 233 A1 eine dreidimensionale Fertigungsvorrichtung offenbart, die ein Verarbeitungsraum aufweist, der von einer dafür vorgesehenen Verarbeitungsraum-Heizeinheit beheizt wird.
Weiterhin ist in der US 6,722,872 B1 eine dreidimensionale Modellierungsvorrichtung gezeigt, die dazu vorgesehen ist, dreidimensionale Objekte innerhalb einer beheizten Baukammer aufzubauen.
Des Weiteren zeigt die US 2015/110911 A1 eine Umgebungs-Überwachungs- bzw. Steuerungseinheit, die beispielsweise als eine Schnittstelle bei additiven Fertigungstechnologien zu ihren jeweiligen Umgebungen verwendet wird.
Im Übrigen ist in der WO 2016/063198 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von dreidimensionalen Objekten durch „Fused Deposition Modelling“ gezeigt, wobei die Herstellungsvorrichtung Strahlungsheizelemente aufweist, welche eine ihnen ausgesetzte Oberfläche des herzustellenden Objekts erhitzen können. Aus der WO 2017/108477 A1 kann weiter ein Verfahren zur Herstellung eines dreidimensionalen Gegenstandes mit einem „Fused Deposition Modelling“-Drucker entnommen werden.
Im Stand der Technik ist jedoch bisher die gezielte Oberflächenstrukturierung bei 3D gedruckten Bauteilen bisher nicht hinreichend gewürdigt.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine additive Herstellungseinrichtung sowie ein additives Herstellungsverfahren der eingangs genannten Art in vorteilhafter Weise weiterzubilden, insbesondere dahingehend, dass medizinische Bauteile, insbesondere Implantate, mit Blick auf eine verbesserte Oberflächenstruktur herstellbar sind.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine additive Herstellungseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Danach ist vorgesehen, dass eine additive Herstellungseinrichtung, insbesondere 3D-Drucker; zur Herstellung wenigstens eines schichtweise ausgebildeten Bauteils mit wenigstens einer Baukammer; mit wenigstens einem Extrusionskopf, der innerhalb der Baukammer dreidimensional bewegbar ist; und mit wenigstens einer Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung zur Steuerung und/oder Regelung des Extrusionskopfes vorgesehen ist, wobei die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung eingerichtet ist, den Extrusionskopf derart zu steuern und/oder zu regeln, dass durch den Extrusionskopf wenigstens eine erste Materialschicht des Bauteils durch Ausbilden eines oder mehrerer Infill-Materialstränge, insbesondere in wenigstens einer ersten zweidimensionalen Ebene, ausbildbar ist; dass durch den Extrusionskopf wenigstens eine zweite Materialschicht des Bauteils durch Ausbilden eines oder mehrerer Infill-Materialstränge aufbauend auf der ersten Materialschicht, insbesondere in wenigstens einer zweiten zweidimensionalen Ebene parallel zur ersten zweidimensionalen Ebene, ausbildbar ist; und dass durch den Extrusionskopf die erste und/oder die zweite Materialschicht jeweils ausschließlich durch den einen oder die mehreren Infill-Materialstränge ausbildbar ist oder sind.
Die Erfindung basiert auf dem Grundgedanken, dass sich durch die erfindungsgemäße Ansteuerung des Extrusionskopfes die additive Herstellungseinrichtung dazu vorgesehen ist, eine spezifische Oberflächenstruktur des hergestellten Bauteils zu erzeugen, so dass erstens die Oberflächenstruktur aufgeraut wird und zweites sich so deren Oberfläche vergrößert. Diese beiden Eigenschaften des hergestellten Bauteils verleihen diesem u.a. sogenannte osseointegrative Eigenschaften. Zusätzlich zur den osseointegrativen Eigenschaften erhöht die Oberflächenstrukturierung des Weiteren die primäre Stabilität des hergestellten Bauteils. Aus dem Stand der Technik sind bisher additive Filament- Herstellungseinrichtungen bekannt, die eine Materialschicht nach Beendigung der Ausbildung bzw. der Auftragung der Infill-Materialstränge an der jeweiligen äußeren Umfangsoberflächen mit einer oder mehreren sogenannter Perimeter- Materialsträngen entlang der äußeren Umfangsfläche umschließen. Weist die jeweilige Materialschicht weitere innenliegende Umfangsflächen auf, so werden diese ebenfalls mit einem oder mehreren Perimeter-Materialsträngen umschlossen, so dass äußerlich und innerlich eine ebene bzw. glatte Oberfläche ausgebildet wird und gewisse Materialtoleranzen noch genauer eingehalten werden. Von dieser Herangehensweise führt die vorliegende Erfindung jedoch zumindest teilweise weg, da sie explizit auf das Ausbilden bzw. Aufträgen dieser Perimeter-Materialstränge entlang der jeweiligen äußeren Umfangsfläche zumindest teilweise bzw. bereichsweise verzichtet. D.h. die einzelnen Materialschichten werden jeweils ausschließlich durch den einen oder die mehreren Infill-Materialstränge ausgebildet. Erfindungsgemäß wird die Herstellungsvorrichtung gemäß Anspruch 1 anhand wenigstens einer ersten und wenigstens einer zweiten Materialschicht charakterisiert. Dennoch sollte im Rahmen der Erfindung verdeutlicht werden, dass sich diese Ausgestaltung nicht auf eine einzige erste und eine einzige zweite Materialschicht beschränkt, sondern dass es sich bei der ersten und der zweiten Materialschicht jeweils um mehrere erste und zweite Materialschichten (z.B. multipliziert mit Faktor 10, 100 oder 1000 usw.) handelt, aus denen das herzustellende Bauteils mittels der Herstellungsvorrichtung aufgebaut ist.
Unter einem Infill-Materialstrang (auch Infill-Bahn genannt) wird ein von einem Extrusionskopf (der additiven Herstellungeinrichtung) zeitlich kontinuierlich oder getaktet aufgeschmolzenes und extrudiertes Material in Strangform verstanden, welches Materialschicht für Materialschicht aufgetragen wird und so additiv das Bauteil ausbildet. Ein getaktet extrudierter Infill-Materialstrang kann folglich aus einem Infill-Materialstrang entstehen, der entlang dessen Längsachse punkt- und/oder abschnittsförmig extrudiert wird und so diesen Strang (aus mehreren Strängen oder Strangabschnitten) ergibt. Innerhalb einer einzigen Materialschicht (z.B. innerhalb einer zweidimensionalen Ebene) wird ein Infill-Materialstrang (oder mehrere Stränge) entsprechend der geforderten geometrischen Kontur aufgetragen und füllt diese Kontur abschnittsweise und sequenziell auf (daher der Name „Infill“- Materialstrang, engl. für ,,FüH“-Materialstrang). Die geforderte geometrische Kontur einer Materialschicht wird durch ein entsprechendes Infill-Muster auf Basis des einen oder der mehreren Infill-Materialstränge erzeugt. Ein derartiges Infill-Muster kann z.B. durch lineare bzw. gerade Abschnitte des Infill-Materialstrangs aufgebaut sein, die z.B. parallel innerhalb der geforderten geometrischen Kontur der Materialschicht ausgerichtet sind. Sobald eine Konturgrenze erreicht ist, ist gleichzeitig ein Umkehrpunkt des jeweiligen Strangabschnittes erreicht und es erfolgt eine Umkehrbewegung des Extrusionskopfes z.B. parallel in die entgegengesetzte Richtung des benachbarten Strangabschnittes bis zum nächsten Umkehrpunkt usw., wo dieser Prozess wiederholt wird. Die Umkehrbewegung kann unter kontinuierlicher Extrusion erfolgen oder die Extrusion kann hier kurz gestoppt werden und erst zu Beginn des neuen Abschnittes wieder begonnen werden. Ein Strangabschitt erstreckt sich somit immer von Umkehrpunkt zu Umkehrpunkt innerhalb der Konturgrenzen. Die geforderte Kontur wird demzufolge durch die jeweiligen Ortskurven der Umkehrpunkte angenähert. Da es sich um ein additives Fertigungsverfahren handelt, kann (wie der Name wortsinngemäß schon sagt) die geometrisch exakt geforderte Kontur einer jeden Materialschicht lediglich anhand der Ortskurven der Umkehrpunkte angenähert werden (vergleichbar mit einer numerischen Lösung gegenüber einer analytischen Lösung eines mathematischen Problems). Insofern folgt kein Infill-Materialstrang zur Gänze der geforderten äußeren und/oder inneren Kontur der jeweilgen Materialschicht, sondern dieser ist vielmehr als eine Annäherung zu verstehen, um die Materialschicht angenähert an die geometrische Kontur aufzufüllen. Die Genauigkeit der Annäherung ist einstellbar z.B. durch die Strangdicke, das gewählte Strang-Material bzw. die Steuerungs- bzw. Regelungsparameter des Extrusionskopfes. Folglich kann durch die Annäherung auch die Rauigkeit der entstehenden Materialschichtoberfläche Schicht für Schicht und damit auch global bezogen auf eine Bauteiloberfläche bzw. einen Bauteiloberflächenbereich eingestellt werden. Die vorliegende Erläuterung auf Basis von linearen bzw. geraden Infill-Materialstrangabschitten ist rein beispielhaft zu verstehen und dient lediglich einer besseren Veranschaulichung. Die Infill- Materialstrangabschitte können auch andere Formen (z.B. gekrümmt) aufweisen, wobei gleiches für das Infill-Muster gilt (z.B. windschief).
Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein additives Herstellungsverfahren, insbesondere 3D-Druckverfahren, für ein aus mehreren Materialschichten ausgebildetes Bauteil, aufweisend die folgenden Schritte:
- Ausbilden wenigstens einer ersten Materialschicht des Bauteils durch Ausbilden eines oder mehrerer Infill-Materialstränge, insbesondere innerhalb wenigstens einer ersten zweidimensionalen Ebene, und
- Ausbilden wenigstens einer zweiten Materialschicht des Bauteils durch Ausbilden eines oder mehrerer Infill-Materialstränge aufbauend auf der ersten Materialschicht, insbesondere innerhalb wenigstens einer zweiten zweidimensionalen Ebene parallel zur ersten zweidimensionalen Ebene, wobei die erste und/oder zweite Materialschicht jeweils ausschließlich durch den einen oder die mehreren Infill-Materialstränge ausgebildet wird oder werden.
Sämtliche im Zusammenhang mit der vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Herstellungseinrichtung sowie seiner möglichen Ausführungsformen stehenden strukturellen und funktionellen Merkmale können allein oder in Kombination auch beim erfindungsgemäßen additiven Herstellungsverfahren sowie den zugehörigen Ausführungsformen vorgesehen werden und die damit in Zusammenhang stehenden Vorteile erzielt werden.
Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass die erste Materialschicht im ausgebildeten Zustand wenigstens eine erste äußere Umfangsoberfläche aufweist, welche die erste Materialschicht äußerlich begrenzt, wobei wenigstens an der ersten äußeren Umfangsoberfläche in einem weiteren Schritt wenigstens eine Oberflächenbehandlung durchgeführt wird. Durch die Oberflächenbehandlung kann die erste äußere Umfangsoberfläche zusätzlich zu ihrer Makrostruktur (im Wesentlichen durch Verzicht auf die Perimeter-Materialstränge) hinsichtlich ihrer Mikrostruktur verbessert werden. So kann eine Oberflächenbehandlung eine weitere Vergrößerung der ersten äußeren Umfangsoberfläche erzielen, so dass sich die Osseointegrativität weiter verbessern lässt und sich so noch spezifischere Eigenschaften des medizinischen Bauteils erzielen lassen und diese vorteilhaft z.B. einem Patienten zugutekommen.
Weiter ist vorstellbar, dass die zweite Materialschicht im ausgebildeten Zustand wenigstens eine zweite äußere Umfangsoberfläche aufweist, welche die zweite Materialschicht äußerlich begrenzt, wobei wenigstens an der zweiten äußeren Umfangsoberfläche in einem weiteren Schritt wenigstens eine Oberflächenbehandlung durchgeführt wird. Die Vorteile, die im Kontext mit der Oberflächenbehandlung der ersten äußeren Umfangsoberfläche erzielt werden, lassen sich auch auf die zweite äußere Umfangsoberfläche übertragen.
Zudem ist denkbar, dass die Oberflächenbehandlung wenigstens ein Ätzen umfasst. Ätzen erhöht insbesondere auf der Mikroebene die Oberfläche der ersten und zweiten äußeren Umfangsoberfläche, so dass dadurch die Osseointegrativität des Bauteils (insbesondere für medizinische Anwendungen) weiter verbessert wird.
Außerdem ist es möglich, dass die Oberflächenbehandlung wenigstens ein Beschichten umfasst. Mittels Beschichten können die Eigenschaften der ersten und zweiten äußeren Umfangsoberfläche verändert bzw. verbessert werden. So kann eine Beschichtung vorgesehen werden, welche beispielsweise die Biokompatibilität oder die Benetzbarkeit des Bauteils verbessern, schließlich bildet die erste und zweite äußere Umfangsoberfläche in vielen Fällen die Schnittstelle zwischen dem Bauteil und seiner Umgebung (z.B. bei einem Implantat Haut-, Organ- oder Knochengewebe). Ferner kann vorgesehen sein, dass die Beschichtung antimikrobielle chemische Verbindungen enthält, so dass die Entzündungsneigung des Bauteils im Falle eines Implantats verringert werden kann.
Grundsätzlich ist auch denkbar, dass die erste Materialschicht und/oder die zweite Materialschicht bzw. Beschichtungen der Außenfläche (bzw. Umfangsoberfläche) jeweils eine Schichtdicke im Nanobereich, insbesondere in einem Bereich bis ca. 250 nm, z.B. bis ca. 150 nm bzw. bis ca. 100 nm aufweist bzw. aufweisen.
Denkbar ist auch beispielsweise, dass die äußere Schicht biodegradabel ausgebildet ist und die innere Schicht eine Dicke im Nanobereich aufweist. Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass die erste Materialschicht und/oder die zweite Materialschicht jeweils eine Schichtdicke in einem Bereich von ca. 0,05 mm bis ca. 0,5 mm aufweist bzw. aufweisen. Diese Schichtdicke erlaubt einen guten Kompromiss zwischen einer Maximierung der Rauigkeit zur Erhöhung der Osseointegrativität der ersten und zweiten äußeren Umfangsoberflächen einerseits sowie den geforderten Toleranzen des herzustellenden Bauteils auf der anderen Seite. Zudem lassen sich derartige Schichtdicken wirtschaftlich und in einer angemessenen Geschwindigkeit vorteilhaft verarbeiten, da zu geringe Materialdicken eine unverhältnismäßig lange Herstellung bedeuten würden.
Ebenfalls ist vorstellbar, dass der eine oder die mehreren Infill-Materialstränge der ersten Materialschicht und/oder der zweiten Materialschicht jeweils eine Strangdicke in einem Bereich von ca. 0,1 mm bis ca. 1 mm aufweist oder aufweisen. Diese Strangdicke erlaubt einen guten Kompromiss zwischen einer Maximierung der Rauigkeit zur Erhöhung der Osseointegrativität der ersten und zweiten äußeren Umfangsoberflächen einerseits sowie den geforderten Toleranzen des herzustellenden Bauteils auf der anderen Seite. Zudem lassen sich derartige Strangdicken wirtschaftlich und in einer angemessenen Geschwindigkeit vorteilhaft verarbeiten, da zu geringe Strangdicken eine unverhältnismäßig lange Herstellung bedeuten würden.
Darüber hinaus ist denkbar, dass der eine oder die mehreren Infill-Materialstränge der ersten Materialschicht und/oder der zweiten Materialschicht jeweils gerade und/oder gekrümmt ausgebildet ist oder sind. Insbesondere gerade Infill- Materialstränge lassen sich aufgrund ihrer linearen bzw. geraden Struktur besonders leicht und wirtschaftlich verarbeiten, da der Steuerungsaufwand für den Extrusionskopf und die daraus entstehende Infill-Materialstruktur vereinfachbar sind. Zudem können viele Geometrien aufgrund des additiven bzw. schichtweisen Fertigungsverfahrens innerhalb der Ebene der Materialschicht aufgrund der geringen Materialschicht- und Strangdicke recht genau durch lineare bzw. gerade Infill- Materialstränge angenähert und ausgebildet werden. Da sich jedoch ein einem Bauteil auch komplexere Formen finden, ist die Ergänzung von geraden Infill- Materialsträngen durch gekrümmte Infill-Materialstränge vorteilhaft, um auch diesen Geometrien gerecht zu werden. Die jeweiligen Längsachsen der geraden Infill- Materialstränge der ersten und zweiten Materialschicht können auch zueinander in einem Winkel angeordnet sein. So sind Winkel von 0° bis 360° denkbar, wobei 90° bzw. 270° besonders vorteilhaft sind. Diese Anordnung würde sodann eine rechteckige bzw. quadratische Materialschichtstruktur zwischen erster und zweiter Materialschicht ergeben. Zusätzlich oder alternativ sind andere Materialschichtstrukturen wie polygonförmige, (z.B. wabenförmig, dreieckig oder, viereckig) konzentrische bzw. kreisförmige und/oder wellenförmige Materialschichtstrukturen denkbar.
Weiter ist möglich, dass die erste Materialschicht und die zweite Materialschicht jeweils wenigstens einen medizinisch kompatiblen Kunststoff und/oder wenigstens einen vom menschlichen oder tierischen Körper resorbierbaren Kunststoff umfassen. Diese Werkstoffe sind für eine große Anzahl von Anwendungen für Implantate interessant, so dass deren Einsatz im Rahmen dieser Erfindung besonders vorteilhaft ist. Medizinisch kompatibler Kunststoff kann beispielsweise PEEK, PEKK, PEI oder PPSII enthalten kann, wohingegen vom menschlichen oder tierischen Körper resorbierbarer Kunststoff z.B. PCL, PDO, PLLA, PDLA, PGA oder PGLA enthalten kann. Ferner können diese Kunststoffe so zu Materialschichten gedruckt werden, dass in den Materialsichten Hohlräume für Füllungen entstehen. Diese Füllungen können dem Bauteil ergänzende vorteilhafte Eigenschaften wie eine verbesserte Benetzbarkeit, verbesserte mechanische oder chemische Eigenschaften, eine Hormon- bzw. Medikamentenabgabe oder nochmals verbesserte Biokompatibilität (z.B. durch Integration von antimikrobiellen Füllstoffen) verleihen.
Zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die erste Materialschicht ausschließlich durch den einen oder die mehreren Infill-Materialstränge ausgebildet wird und wobei die zweite Materialschicht im ausgebildeten Zustand wenigstens eine zweite äußere Umfangsfläche aufweist, welche die zweite Materialschicht äußerlich begrenzt, wobei ein oder mehrere Perimeter-Materialstränge entlang der zweiten äußeren Umfangsfläche ausgebildet werden. Der Vorteil dieser unterschiedlich ausgebildeten beiden äußeren Umfangsflächen (eine ist mit Perimeter-Materialsträngen versehen, die andere nicht) besteht darin, dass das Bauteil Oberflächenbereiche (mit mehreren ersten und zweiten wie vorstehend beschriebenen Materialschichten) aufweist, die selektiv aufgeraut sind (durch Weglassen der äußeren Perimeter-Materialstränge), während andere Oberflächenbereiche gezielt bzw. selektiv nicht aufgeraut werden und die Oberflächenstruktur wie bereits im Stand der Technik offenbart (durch Aufträgen bzw. Ausbilden der äußeren Perimeter-Materialstränge) zeigen. So kann z.B. bei einem Implantat durch selektive Osseointegrativität das Knochenanwachsen an ein Implantat im Körper schon bei der Herstellung des Implantats gezielt gesteuert werden.
Ferner ist vorstellbar, dass das additive Herstellungsverfahren ein FFF-3D- Druckverfahren ist. Dieses im Stand der Technik grundsätzlich unter dieser Bezeichnung FFF („Fused Filament Fabrication“) bekannte Filament-Verfahren eignet sich besonders vorteilhaft zur Verarbeitung von Kunststoffen, da es kostengünstig, wirtschaftlich und schnell ist und die Herausforderungen hinsichtlich der Bauteilgenauigkeit zunehmend besser beherrschbar sind. Die Kunststoffe liegen zunächst meist in Filamentform vor und werden sodann einem Druckkopf bzw. Extrusionskopf der additiven Fertigungseinrichtung zugeführt und dort aufgeschmolzen. Dieser extrudiert den aufgeschmolzenen Kunststoff strangförmig (in Form des Inferfill- oder Perimeter-Materialstrangs) auf einer Ebene und bildet so Strang für Strang eine Materialschicht entsprechend der geforderten Geometrie aus, um so das Bauteil schichtweise durch Ausbilden einzelner Materialschichten aufeinander auszubilden.
Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Medizinprodukt, insbesondere medizinisches Implantat, wobei das Medizinprodukt erhalten bzw. hergestellt wird durch das vorstehend beschriebene additive Herstellungsverfahren und wobei das Medizinprodukt wenigstens eine erste Materialschicht aufweist, die durch einen oder mehrere Infill-Materialstränge, insbesondere innerhalb wenigstens einer ersten zweidimensionalen Ebene, ausgebildet ist; wobei das Medizinprodukt wenigstens eine zweite Materialschicht aufweist, die durch einen oder mehrere Infill- Materialstränge aufbauend auf der ersten Materialschicht, insbesondere innerhalb wenigstens einer zweiten zweidimensionalen Ebene parallel zur ersten zweidimensionalen Ebene, ausgebildet ist; und wobei die erste und/oder zweite Materialschicht jeweils ausschließlich durch den einen oder die mehreren Infill- Materialstränge ausgebildet ist oder sind. Sämtliche im Zusammenhang mit der vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen additiven Herstellungseinrichtung und mit dem additiven Herstellungsverfahren sowie ihrer möglichen Ausführungsformen stehenden strukturellen und funktionellen Merkmale können allein oder in Kombination auch beim erfindungsgemäßen Medizinprodukt und den zugehörigen Ausführungsformen vorgesehen sein und die damit in Zusammenhang stehenden Vorteile erzielt werden.
Folglich kann diesbezüglich vorgesehen sein, dass die erste Materialschicht des Medizinprodukts im ausgebildeten Zustand wenigstens eine erste äußere Umfangsoberfläche aufweist, welche die erste Materialschicht äußerlich begrenzt, wobei wenigstens die erste äußere Umfangsoberfläche oberflächenbehandelt ist.
Zudem vorstellbar ist, dass die zweite Materialschicht im ausgebildeten Zustand wenigstens eine zweite äußere Umfangsoberfläche aufweist, welche die zweite Materialschicht äußerlich begrenzt, wobei wenigstens die zweite äußere Umfangsoberfläche oberflächenbehandelt ist.
Außerdem ist denkbar, dass die erste und/oder zweite äußere Umfangsoberfläche eine Ätzung aufweist.
Des Weiteren ist möglich, dass die erste und/oder zweite äußere Umfangsoberfläche eine Beschichtung aufweist.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die erste Materialschicht und die zweite Materialschicht jeweils eine Schichtdicke in einem Bereich von ca. 0,05 mm bis ca. 0,5 mm aufweist.
Im Übrigen ist vorstellbar, dass der eine oder die mehreren Infill-Materialstränge der ersten Materialschicht und der zweiten Materialschicht jeweils eine Strangdicke in einem Bereich von ca. 0,1 mm bis ca. 1 mm aufweist oder aufweisen.
Ebenso ist möglich, dass der eine oder die mehreren Infill-Materialstränge der ersten Materialschicht und der zweiten Materialschicht jeweils gerade und/oder gekrümmt ausgebildet ist oder sind. Zudem ist denkbar, dass die erste Materialschicht und die zweite Materialschicht jeweils wenigstens einen medizinisch kompatiblen Kunststoff und/oder wenigstens einen vom menschlichen oder tierischen Körper resorbierbaren Kunststoff umfassen.
Im Übrigen kann vorgesehen sein, dass die erste Materialschicht ausschließlich durch den einen oder die mehreren Infill-Materialstränge ausgebildet ist und wobei die zweite Materialschicht im ausgebildeten Zustand wenigstens eine zweite äußere Umfangsfläche aufweist, welche die zweite Materialschicht äußerlich begrenzt, wobei ein oder mehrere Perimeter-Materialstränge entlang der zweiten äußeren Umfangsfläche ausgebildet sind.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen nun anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert werden.
Es zeigen:
Fig. 1a eine schematische perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines additiv hergestellten Bauteils aus dem Stand der Technik;
Fig. 1 b eine schematische perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen additiv hergestellten Bauteils, das durch das Verfahren gemäß Fig. 4 hergestellt worden ist;
Fig. 2a eine schematische perspektivische Darstellung eines
Ausführungsbeispiels eines additiv hergestellten Bauteils;
Fig. 2b eine schematische perspektivische Darstellung eines
Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen additiv hergestellten Bauteils, das durch das Verfahren gemäß Fig. 4 hergestellt worden ist;
Fig. 2c eine schematische perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen additiv hergestellten Bauteils, das durch das Verfahren gemäß Fig. 4 hergestellt worden ist;
Fig. 3 eine schematische Front-Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen additiven Herstellungseinrichtung; und Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Ablaufs eines erfindungsgemäßen additiven Herstellungsverfahrens.
Fig. 1a zeigt eine schematische perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines additiv hergestellten Bauteils 10 aus dem Stand der Technik.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das Bauteil 10 als Hohlkörper mit quadratischem Querschnitt und abgerundeten Ecken dargestellt.
In Fig. 1a ist die oberste Ebene detaillierter dargestellt, in der eine Materialschicht 12 des Bauteils 10 ausgebildet ist.
Die Materialschicht 12 ist durch einen oder mehrere sogenannter Infill- Materialstränge 12a ausgebildet, welche die Materialschicht 12 gemäß vorgegebener geometrischer Bedingungen durch ein Füllmuster auffüllen.
Infill-Materialstränge 12a sind so gekennzeichnet, dass diese durch Extrusion eines Düsenkopfes bzw. eines Extrusionskopfes einer additiven Herstellungseinrichtung (nicht in Fig. 1a gezeigt) entsprechend den geometrischen Vorgaben spezifisch in jeder einzelnen Materialschicht samt zugeordneter Ebene ausgegeben werden.
Gemäß Fig. 1a wurden die Infill-Materialstränge 12a zur Ausbildung der Materialschicht 12 in der obersten Ebene innerhalb einer definierten begrenzenden Fläche (hier ein quadratischer Hohl-Querschnitt mit abgerundeten Ecken) aufgetragen, so dass diese Infill-Materialstränge 12a die definierte begrenzende Fläche nachbilden bzw. auffüllen.
Die Materialschicht 12 kann grundsätzlich durch einen einzelnen oder mehrere Infill- Materialstränge 12a ausgebildet werden.
Ein einzelner Infill-Materialstrang 12a kann derart ausgebildet werden, dass die gesamte Materialschicht 12 ohne Unterbrechung des Extrusionskopfes durch diesen einen Infill-Materialstrang 12a ausbildbar ist.
Alternativ oder zusätzlich kann die Materialschicht 12 durch mehrere Infill- Materialstränge 12a ausgebildet werden, wobei hierbei bei jedem Randpunkt der definierten begrenzenden Fläche der Extrusionskopf die Extrusion unterbricht und zu einem weiteren Randpunkt verfährt und dort die Extrusion von neuem beginnt und so nach und nach die Materialschicht aufbaut.
Die äußere und innere Umfangsoberflächen 10a, 10b dienen zur grundsätzlichen Veranschaulichung des Aufbaus einer einzelnen Materialschicht 12 durch die Infill- Materialstränge 12a, wobei je nach Geometrie des Bauteils lediglich eine Umfangsoberfläche 10a vorgesehen sein kann (bei einem Vollkörper) bzw. zwei, drei oder noch mehr Umfangsoberflächen (z.B. bei komplexen bionischen Strukturen) denkbar sind.
Gemäß Fig. 1a ist ein zusammenhängender Infill-Materialstrang 12a vorgesehen, der viele Infill-Materialstrangabschnitte 12b aufweist, die gerade und zueinander parallel ausgebildet und sich bis zu ihren Umkehrpunkten 12c innerhalb der äußeren und inneren Umfangsoberfläche 10a, 10b erstrecken und so die Materialschicht 12 ausbilden.
Die Materialschicht 12 wird demgemäß Infill-Materialstrangabschnitt 12b für Infill- Materialstrangabschnitt 12b in dem in Fig. 1 gezeigten gestreiften Schema aufgebaut, bis der letzte Infill-Materialstrangabschnitt 12b den ersten Infill- Materialstrangabschnitt 12b berührt und mit diesem an dem letzten bzw. ersten Umkehrpunkt 12c verknüpft wird.
Die Form der äußeren und inneren Umfangsoberfläche 10a, 10b ergibt sich für jede einzelne Materialschicht im Wesentlichen durch eine definierte Projektionsebene bzw. der daraus resultierenden Projektionsgeometrie des Bauteils, die der jeweiligen Materialschicht 12 zugeordnet ist.
Auf diese Weise kann das Bauteil mittels mehrerer Materialschichten 12 Schicht für Schicht aufgebaut werden, wobei die Anzahl der Materialschichten zweistellig, dreistellig, vierstellig, fünfstellig, sechsstellig usw. sein kann.
Sobald eine Materialschicht 12 innerhalb der definierten begrenzenden Flächen (gemäß Fig. 1a definiert durch die äußere und innere Umfangsoberfläche 10a, 10b) wie vorstehend beschrieben ausgebildet ist, fügt der Extrusionskopf der Materialschicht 12 entlang der äußeren und inneren Umfangsoberfläche 10a, 10b mindestens einen sogenannten Perimeter-Materialstrang 12d hinzu. Dadurch werden die seitlichen, durch die Umkehrpunkte 12c entstehenden, Randrauigkeiten jeder Materialschicht 12 geglättet und so an die geforderte geometrische Projektionsform der Materialschicht 12 möglichst genau angepasst.
Genau an diesem Punkt setzt die erfindungsgemäße Lösung an, die im folgenden anhand der Fig. 1b beschrieben wird.
Fig. 1b zeigt demnach eine schematische perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen additiv hergestellten Bauteils 10, das z.B. durch das Verfahren gemäß Fig. 4 hergestellt bzw. erhalten worden ist.
Das Bauteil 10 ist als ein Medizinprodukt 10 und insbesondere als ein medizinisches Implantat ausgebildet, wobei sich die Darstellung in Fig. 1b nur schematisch ist und keinen Bezug zu einem konkreten Implantat zeigt.
Das Medizinprodukt 10 weist wenigstens eine erste Materialschicht 12.1 auf.
Diese erste Materialschicht 12.1 ist durch einen oder mehrere Infill-Materialstränge 12a vergleichbar zu Fig. 1a innerhalb einer ersten zweidimensionalen Ebene ausgebildet.
Das Medizinprodukt 10 weist weiter wenigstens eine zweite Materialschicht 12.2 auf, die ebenfalls durch einen oder mehrere Infill-Materialstränge 12a, aufbauend auf der ersten Materialschicht innerhalb einer zweiten zweidimensionalen Ebene parallel zur ersten zweidimensionalen Ebene, ausgebildet ist.
Der eine oder die mehreren Infill-Materialstränge 12a der ersten Materialschicht 12.1 und der zweiten Materialschicht 12.2 sind jeweils gerade ausgebildet.
Jeder Infill-Materialstrang 12a weist mehrere Infill-Materialstrangabschnitte 12b auf, die gerade und zueinander parallel ausgebildet und sich bis zu ihren Umkehrpunkten 12c innerhalb der äußeren und inneren Umfangsoberfläche 10a, 10b erstrecken und so die Kontur Materialschicht 12 ausbilden.
Zusätzlich oder alternativ können der eine oder die mehreren Infill-Materialstränge 12a der ersten Materialschicht 12.1 und der zweiten Materialschicht 12.2 jeweils gekrümmt ausgebildet sein. lm Unterschied zu Fig. 1a (gemäß Stand der Technik) ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die erste und zweite Materialschicht 12.1 , 12.2 jeweils ausschließlich durch den einen oder die mehreren Infill-Materialstränge 12a ausgebildet sind.
Demnach weist die erste und zweite Materialschicht 12.1 , 12.2 keinen Perimeter- Materialstrang 12d wie im Stand der Technik auf.
Alternativ ist ebenfalls denkbar, dass die erste oder die zweite Materialschicht 12.1 , 12.2 ausschließlich durch den einen oder die mehreren Infill-Materialstränge 12a ausgebildet sind.
In diesem Fall weist eine der beiden ersten oder zweiten Materialschichten 12.1 , 12.2, die nicht ausschließlich durch den einen oder die mehreren Infill- Materialstränge 12a ausgebildet sind, einen oder mehrere Perimeter-Materialstränge 12d (nicht in Fig. 1 b dargestellt) auf.
Hintergrund dieser Struktur ist, dass das so entstehende Medizinprodukt 10 bzw. Implantat Oberflächenbereiche aufweist, die gezielt eine aufgeraute Struktur ausbilden (durch Verzicht von Perimeter-Materialsträngen), wohingegen andere Oberflächenbereiche eine im Wesentlichen glatte Struktur aufweisen (durch Ausbilden mindestens eines Perimeter-Materialstranges).
Die erste und zweite Materialschicht 12.1 , 12.2 bilden die kleinste Struktureinheit des schichtweise aufgebauten Medizinprodukts 10 aus, wobei anzumerken ist, dass das Medizinprodukt aus einer Mehrzahl dieser kleinsten Struktureinheiten aufgebaut ist (z.B. eine zweistellige, dreistellige, vierstellige, fünfstellige, sechsstellige, siebenstellige oder achtstellige Anzahl usw.).
Die erste Materialschicht 12.1 und die zweite Materialschicht 12.2 weisen jeweils eine Schichtdicke in einem Bereich von ca. 0,05 mm bis ca. 0,5 mm auf.
Der eine Infill-Materialstrang 12a oder die mehreren Infill-Materialstränge 12a der ersten Materialschicht 12.1 und der zweiten Materialschicht 12.2 weisen zudem jeweils eine Strangdicke in einem Bereich von ca. 0,1 mm bis ca. 1 mm auf. Die erste Materialschicht 12.1 weist ferner im ausgebildeten Zustand eine erste äußere und innere Umfangsoberfläche 10a, 10b auf, welche die erste Materialschicht 12.1 äußerlich und innerlich begrenzt.
Dementsprechend weist auch die zweite Materialschicht 12.2 im ausgebildeten Zustand eine zweite äußere und innere Umfangsoberfläche 10c, 10d. auf, welche die zweite Materialschicht 12.2 äußerlich und innerlich begrenzt.
Je nach geometrischer Struktur der ersten und zweite Materialschicht 12.1 , 12.2 kann diese nur eine Umfangsoberfläche (bei einem Vollkörper) oder mehr als zwei Umfangsoberflächen (bei komplexen geometrischen Strukturen) aufweisen.
Die erste und zweite äußere Umfangsoberfläche 10a, 10c sind ferner oberflächenbehandelt.
Zusätzlich oder alternativ können auch die erste und zweite innere Umfangsoberfläche 10b, 10d oberflächenbehandelt sein.
Als Oberflächenbehandlung kann eine Ätzung oder eine Beschichtung vorgesehen sein.
Die Beschichtung kann anti-mikrobielle chemische Verbindungen enthalten oder entzündungshemmende Verbindungen, so dass die Entzündungsneigung des Medizinprodukts gemäß der Verwendung als Implantat verringert werden kann.
Die erste Materialschicht 12.1 und die zweite Materialschicht 12.2 sind jeweils aus einen medizinisch kompatiblen Kunststoff ausgebildet.
Beispiele des medizinisch kompatiblen Kunststoffes können PEEK, PEKK, PEI oder PPSU sein.
Zusätzlich oder alternativ können die erste Materialschicht 12.1 und die zweite Materialschicht 12.2 auch aus einen vom menschlichen oder tierischen Körper resorbierbaren Kunststoff ausgebildet sein.
Beispiele des vom menschlichen oder tierischen Körper resorbierbaren Kunststoffs können z.B. PCL, PDO, PLLA, PDLA, PGA oder PGLA sein. Fig. 2a zeigt eine schematische perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines additiv hergestellten medizinische Bauteils, das durch ein aus dem Stand der Technik bekanntes additives Herstellungsverfahren hergestellt worden ist.
Wie in Fig. 2a zu sehen ist, weist das medizinische Bauteil 10 eine im Wesentlichen glatte Oberflächenstruktur auf, was darauf hindeutet, dass die jeweiligen äußeren Perimeter-Materialstränge 12d entsprechend aufgetragen wurden (vgl. hierzu Fig. 1a).
Das medizinische Bauteil 10 ist in konkreter Ausgestaltung als Schädelimplantat mit dem sehr abstrakt dargestellten Bauteil 10 aus dem Stand der Technik gemäß Fig. 1a vergleichbar.
Das medizinische Bauteil 10 ist aus dem biologisch kompatiblen Kunststoff PPSII ausgebildet.
Andere biologisch bzw. medizinisch kompatible Kunststoffe wie PEEK, PEKK oder PEI können ebenfalls verwendet werden. Das weiße Rechteck auf der Oberfläche soll nicht als Aussparung verstanden werden, sondern als Abdeckung eines Schriftzuges, wobei die Oberfläche entlang ihrer gesamten Erstreckung gleich ausgebildet ist.
Fig. 2b zeigt eine schematische perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen, additiv hergestellten medizinischen Bauteils 10, das durch das Verfahren gemäß Fig. 4 hergestellt worden ist. Das medizinische Bauteil 10 ist als Schädelimplantat ausgebildet, das z.B. Bereiche des Schädelknochens ersetzen bzw. unterstützen kann.
Das medizinische Bauteil 10 ist aus dem biologisch kompatiblen Kunststoff PPSII ausgebildet.
Andere biologisch bzw. medizinisch kompatible Kunststoffe wie PEEK, PEKK oder PEI können ebenfalls verwendet werden.
Anhand von Fig. 2b sind die spezifisch aufgerauten Oberflächenbereiche 10e des Implantats zu sehen, die durch mehrere Matenalschichten 12.1 , 12.2 ausgebildet sind, die keine Perimeter-Materialstränge aufweisen (siehe Erläuterungen hierzu gemäß Fig. 1a, 1 b).
Allerdings sind in Fig. 2b auch im Wesentlichen einer glatter Oberflächenbereich 10f des Implantats zu sehen (zentraler Oberflächenbereich 10f des Implantats, der durch einen äußeren aufgerauten Oberflächenbereich 10 umschlossen ist).
Dieser Oberflächenbereich 10f ist entsprechend durch mehrere Matenalschichten ausgebildet, die einen oder mehrere Perimeter-Materialstränge 12d aufweisen (siehe Erläuterungen hierzu gemäß Fig. 1a, 1 b).
Das Bauteil 10 ist jedoch nicht auf Schädelimplantate beschränkt, auch weitere Formen von Knochen-Implantaten wie Kiefer-, Hals-, Schulter-, Brustkorb-, Hüft-, Becken-, Schenkel-, Knie und/oder Fuß-Implantate sind denkbar.Auch Knochenoder Knochenmarkschrauben, -nägel bzw. platten können vorgesehen sind.
Das weiße Rechteck an dem glatten Oberflächenbereich 10f soll nicht als Aussparung verstanden werden, sondern als Abdeckung eines Schriftzuges, wobei der glatte Oberflächenbereich 10f entlang seiner gesamten Erstreckung gleich ausgebildet ist.
Fig. 2c zeigt eine weitere schematische perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen, additiv hergestellten medizinischen Bauteils 10, das durch das Verfahren gemäß Fig. 4 hergestellt worden ist.
Das medizinische Bauteil 10 ist ebenfalls als Schädelimplantat ausgestaltet, das z.B. Bereiche des Schädelknochens ersetzen bzw. unterstützen kann.
Das medizinische Bauteil 10 ist aus dem biologisch kompatiblen Kunststoff PPSII ausgebildet.
Andere biologisch bzw. medizinisch kompatible Kunststoffe wie PEEK, PEKK oder PEI können ebenfalls verwendet werden.
Anhand von Fig. 2c ist der gesamte spezifisch aufgeraute Oberflächenbereich 10e des Implantats zu sehen, der durch mehrere Materialschichten 12.1 , 12.2 ausgebildet ist, die keine Perimeter-Materialstränge 12d aufweisen (siehe Erläuterungen hierzu gemäß Fig. 1a, 1 b). Das Bauteil 10 ist jedoch nicht auf Schädelimplantate beschränkt, auch weitere Formen von Knochen-Implantaten wie Kiefer-, Hals-, Schulter-, Brustkorb-, Hüft-, Becken-, Schenkel-, Knie und/oder Fuß-Implantate sind denkbar.
Auch Knochen- oder Knochenmarkschrauben, -nägel bzw. platten können vorgesehen sind.
Das weiße Rechteck auf der Oberfläche 10e soll nicht als Aussparung verstanden werden, sondern als Abdeckung eines Schriftzuges, wobei die Oberfläche entlang ihrer gesamten Erstreckung gleich ausgebildet ist.
Fig. 3 zeigt eine schematische Front-Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen additiven Herstellungseinrichtung 14.
Die additive Herstellungseinrichtung 14 zur Herstellung eines schichtweise ausgebildeten Bauteils ist als 3D-Drucker ausgebildet.
Insbesondere ist der 3D-Drucker als FFF-3-D-Drucker ausgebildet.
Die additive Herstellungseinrichtung 14 weist weiter eine Baukammer 16 und einen Extrusionskopf 18 auf, der innerhalb der Baukammer 16 mittels eines entsprechenden Gestänges 20 mit drei Armen und drei zugeordneten Linearführungen 22 dreidimensional bewegbar ist.
Die additive Herstellungseinrichtung 14 weist zudem eine Steuerungs- oder Regelungseinrichtung (nicht in Fig. 3 gezeigt) zur Steuerung oder Regelung des Extrusionskopfes 18 auf.
Die Steuerungs- oder Regelungseinrichtung kann alternativ auch als Steuerungsund Regelungseinrichtung zur Steuerung und Regelung des Extrusionskopfes 18 ausgebildet sein.
Bodenseitig ist in der Baukammer 16 ist ein beheizbares Druckbett 24 angeordnet, auf welchem das herzustellende Bauteil bzw. Implantat positioniert ist.
An die Baukammer 16 ist eine Luftversorgungseinrichtung 26 angeschlossen, die zusammen mit der Baukammer 16 und der entsprechenden Verrohrung einen geschlossenen Luftkreislauf 28 ausbildet. Der Luftkreislauf 28 weist gemäß Fig. 1 einen Lüfter bzw. Verdichter 30 zur Absaugung und Luftversorgung der Baukammer 16 auf sowie ferner eine Heizeinrichtung 32, einen Filter 34 (z.B. einen HEPA Filter) sowie einen Diffusor 36 auf.
Die Funktion der additiven Herstellungseinrichtung 14 lässt sich nun wie folgt beschreiben:
Die Steuerungs- bzw. Regelungseinrichtung ist so eingerichtet, dass sie den Extrusionskopf 18 derart steuert bzw. regelt, dass durch den Extrusionskopf 18 eine erste Materialschicht des Implantats ausbildbar ist.
Die erste Materialschicht des Bauteils wird derart ausgebildet, dass ein oder mehrere Infill-Materialstränge (siehe Fig. 1a, 1 b und zugehörige Beschreibung) in einer ersten zweidimensionalen Ebene aufgebaut bzw. ausgebildet werden.
Ferner wird durch den Extrusionskopf eine zweite Materialschicht des Bauteils durch Ausbilden eines oder mehrerer Infill-Materialstränge, aufbauend auf der ersten Materialschicht in einer zweiten zweidimensionalen Ebene parallel zur ersten zweidimensionalen Ebene ausgebildet.
Ferner ist die Steuerungs- bzw. Regelungseinrichtung so eingerichtet, dass durch den Extrusionskopf 18 die erste und die zweite Materialschicht jeweils ausschließlich durch den einen oder die mehreren Infill-Materialstränge ausbildbar sind.
Alternativ ist auch denkbar, dass die erste oder die zweite Materialschicht jeweils ausschließlich durch den einen oder die mehreren Infill-Materialstränge ausbildbar sind (siehe hierzu weiterführende Erläuterungen in Fig. 1b).
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Ablaufs eines erfindungsgemäßen additiven Herstellungsverfahrens zur Herstellung des medizinischen Produkts gemäß Fig. 1 b und Fig. 2.
Das additive Herstellungsverfahren in Form eines FFF-3D-Druckverfahrens für ein aus mehreren Materialschichten ausgebildetes Medizinprodukt weist gemäß Schritt S1 das Ausbilden einer ersten Materialschicht des Medizinprodukts durch Ausbilden eines oder mehrerer Infill-Materialstränge innerhalb einer ersten zweidimensionalen Ebene auf.
Gemäß eines zweiten Schrittes S2 wird entsprechend eine zweite Materialschicht des Medizinprodukts durch Ausbilden eines oder mehrerer Infill-Materialstränge, aufbauend auf der ersten Materialschicht innerhalb einer zweiten zweidimensionalen Ebene parallel zur ersten zweidimensionalen Ebene, ausgebildet (vgl. hierzu auch Erläuterungen gemäß Fig. 1 b).
Der erste und zweite Schritt S1 und S2 werden jedoch so durchgeführt, dass die erste und zweite Materialschicht jeweils ausschließlich durch den einen oder die mehreren Infill-Materialstränge ausgebildet werden (Schritt S3).
Zusätzlich oder alternativ können die erste oder die zweite Materialschicht jeweils ausschließlich durch den einen oder die mehreren Infill-Materialstränge ausgebildet werden.
Gemäß eines vierten und fünften Schrittes S4, S5 können wenigstens an der ersten Umfangsoberfläche und der zweiten Umfangsoberfläche der ersten und zweiten Materialschicht jeweils eine Oberflächenbehandlung durchgeführt werden (siehe hierzu Fig. 1 b sowie die Erläuterungen dazu).
Alternativ kann an der ersten Umfangsoberfläche oder der zweiten Umfangsoberfläche der ersten oder zweiten Materialschicht eine Oberflächenbehandlung durchgeführt werden.
Der Schritt S4 bzw. S5 der Oberflächenbehandlung umfasst ein Ätzen bzw. ein Beschichten.
Grundsätzlich ist hier denkbar, dass beim Beschichten der Außenfläche bzw. die erste Materialschicht und/oder die zweite Materialschicht bzw. die Beschichtung der ersten Umfangsoberfläche der ersten und/oder zweiten Materialschicht jeweils eine Schichtdicke im Nanobereich, insbesondere in einem Bereich bis ca. 250 nm, z.B. bis ca. 150 nm bzw. bis ca. 100 nm aufweist bzw. aufweisen.
Denkbar ist auch beispielsweise, dass die äußere Schicht biodegradabel ausgebildet ist und die innere Schicht eine Dicke im Nanobereich aufweist. Bezüglich weiterer Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens, die sich im Wesentlichen auf das herzustellende Bauteil bzw. Medizinprodukt beziehen wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf die Figurenbeschreibung gemäß Fig. 1b verwiesen.
Ferner ist die vorstehend gemäß Fig. 3 erläuterte erfindungsgemäße additive Herstellungseinrichtung zur Durchführung des vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet.
Bezuqszeichenliste
Bauteil bzw. Medizinprodukt a erste äußere Umfangsoberfläche b erste innere Umfangsoberfläche c zweite äußere Umfangsoberfläche d zweite innere Umfangsoberfläche e spezifisch aufgeraute Oberflächenbereichef im Wesentlichen glatte Oberflächenbereiche Materialschicht .1 erste Materialschicht .2 zweite Materialschicht a Infill-Materialstrang; Infill-Materialstränge b Infill-Materialstrangabschnitte c Umkehrpunkte d Perimeter-Materialstrang; Perimeter-Materialstränge additive Herstellungseinrichtung; FFF-3D-Drucker Baukammer
Extrusionskopf
Gestänge
Linearführungen
Druckbett
Luftversorgungseinrichtung
Luftkreislauf
Lüfter
Heizeinrichtung
Filter
Diffusor erster Schritt zweiter Schritt dritter Schritt vierter Schritt S5 fünfter Schritt

Claims

- 26 -
Ansprüche Additive Herstellungseinrichtung (14), insbesondere 3D-Drucker; zur Herstellung wenigstens eines schichtweise ausgebildeten Bauteils (10), mit wenigstens einer Baukammer (16); mit wenigstens einem Extrusionskopf (18), der innerhalb der Baukammer (16) dreidimensional bewegbar ist; und mit wenigstens einer Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung zur Steuerung und/oder Regelung des Extrusionskopfes (18), wobei die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung eingerichtet ist, den Extrusionskopf (18) derart zu steuern und/oder zu regeln, dass durch den Extrusionskopf (18) wenigstens eine erste Materialschicht (12.1 ) des Bauteils (10) durch Ausbilden eines oder mehrerer Infill-Materialstränge (12a), insbesondere in wenigstens einer ersten zweidimensionalen Ebene, ausbildbar ist; dass durch den Extrusionskopf (18) wenigstens eine zweite Materialschicht (12.2) des Bauteils (10) durch Ausbilden eines oder mehrerer Infill-Materialstränge (12a) aufbauend auf der ersten Materialschicht (12.1 ), insbesondere in wenigstens einer zweiten zweidimensionalen Ebene parallel zur ersten zweidimensionalen Ebene, ausbildbar ist; und dass durch den Extrusionskopf (18) die erste und/oder die zweite Materialschicht (12.2) jeweils ausschließlich durch den einen oder die mehreren Infill-Materialstränge (12a) ausbildbar ist oder sind. Additives Herstellungsverfahren, insbesondere 3D-Druckverfahren, für ein aus mehreren Materialschichten (12.1 , 12.2) ausgebildetes Bauteil (10), aufweisend die folgenden Schritte (S1 , S2, S3):
- Ausbilden wenigstens einer ersten Materialschicht (12.1 ) des Bauteils (10) durch Ausbilden eines oder mehrerer Infill-Materialstränge (12a), insbesondere innerhalb wenigstens einer ersten zweidimensionalen Ebene, und
- Ausbilden wenigstens einer zweiten Materialschicht (12.2) des Bauteils (10) durch Ausbilden eines oder mehrerer Infill-Materialstränge (12a) aufbauend auf der ersten Materialschicht (12.1 ), insbesondere innerhalb wenigstens einer zweiten zweidimensionalen Ebene parallel zur ersten zweidimensionalen Ebene, wobei die erste und/oder zweite Materialschicht (12.2) jeweils ausschließlich durch den einen oder die mehreren Infill-Materialstränge (12a) ausgebildet wird oder werden. Herstellungsverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Materialschicht (12.1 ) im ausgebildeten Zustand wenigstens eine erste äußere Umfangsoberfläche (10a) aufweist, welche die erste Materialschicht (12.1 ) äußerlich begrenzt, wobei wenigstens an der ersten äußeren Umfangsoberfläche (10a) in einem weiteren Schritt (S4) wenigstens eine Oberflächenbehandlung durchgeführt wird. Herstellungsverfahren nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Materialschicht (12.2) im ausgebildeten Zustand wenigstens eine zweite äußere Umfangsoberfläche (10c) aufweist, welche die zweite Materialschicht (12.2) äußerlich begrenzt, wobei wenigstens an der zweiten äußeren Umfangsoberfläche (10c) in einem weiteren Schritt (S5) wenigstens eine Oberflächenbehandlung durchgeführt wird. Herstellungsverfahren nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenbehandlung wenigstens ein Ätzen umfasst. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenbehandlung wenigstens ein Beschichten umfasst. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Materialschicht (12.1) und/oder die zweite Materialschicht (12.2) jeweils eine Schichtdicke in einem Bereich von ca. 0,05 mm bis ca. 0,5 mm aufweist. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der eine oder die mehreren Infill-Materialstränge (12a) der ersten Materialschicht (12.1 ) und/oder der zweiten Materialschicht (12.2) jeweils eine Strangdicke in einem Bereich von ca. 0,1 mm bis ca. 1 mm aufweist oder aufweisen. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der eine oder die mehreren Infill-Materialstränge (12a) der ersten Materialschicht (12.1 ) und der zweiten Materialschicht (12.2) jeweils gerade und/oder gekrümmt ausgebildet ist oder sind. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Materialschicht (12.1 ) und die zweite Materialschicht (12.2) jeweils wenigstens einen medizinisch kompatiblen Kunststoff und/oder wenigstens einen vom menschlichen oder tierischen Körper resorbierbaren Kunststoff umfassen. Herstellungsverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Materialschicht (12.1 ) ausschließlich durch den einen oder die mehreren Infill-Materialstränge (12a) ausgebildet wird und wobei die zweite Materialschicht (12.2) im ausgebildeten Zustand wenigstens eine zweite äußere Umfangsfläche aufweist, welche die zweite Materialschicht (12.2) äußerlich begrenzt, wobei ein oder mehrere Perimeter-Materialstränge (12d) entlang der zweiten äußeren Umfangsfläche ausgebildet werden. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das additive Herstellungsverfahren ein FFF-3D- Druckverfahren ist. Medizinprodukt, insbesondere medizinisches Implantat, wobei das Medizinprodukt erhalten wird durch ein additives Herstellungsverfahren, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 12, und wobei das Medizinprodukt wenigstens eine erste Materialschicht (12.1 ) aufweist, die durch einen oder mehrere Infill-Materialstränge (12a), insbesondere innerhalb wenigstens einer ersten zweidimensionalen Ebene, ausgebildet ist; - 29 - wobei das Medizinprodukt wenigstens eine zweite Materialschicht (12.2) aufweist, die durch einen oder mehrere Infill-Materialstränge (12a) aufbauend auf der ersten Materialschicht (12.1 ), insbesondere innerhalb wenigstens einer zweiten zweidimensionalen Ebene parallel zur ersten zweidimensionalen Ebene, ausgebildet ist; und wobei die erste und/oder zweite Materialschicht (12.2) jeweils ausschließlich durch den einen oder die mehreren Infill-Materialstränge (12a) ausgebildet ist oder sind. Medizinprodukt nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Materialschicht (12.1) im ausgebildeten Zustand wenigstens eine erste äußere Umfangsoberfläche (10a) aufweist, welche die erste Materialschicht (12.1) äußerlich begrenzt, wobei wenigstens die erste äußere Umfangsoberfläche (10a) oberflächenbehandelt ist. Medizinprodukt nach Anspruch 13 oder Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Materialschicht (12.2) im ausgebildeten Zustand wenigstens eine zweite äußere Umfangsoberfläche (10c) aufweist, welche die zweite Materialschicht (12.2) äußerlich begrenzt, wobei wenigstens die zweite äußere Umfangsoberfläche (10c) oberflächenbehandelt ist. Medizinprodukt nach Anspruch 14 oder Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder zweite äußere Umfangsoberfläche (10a, 10c) eine Ätzung aufweist. Medizinprodukt nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder zweite äußere Umfangsoberfläche (10a, 10c) eine Beschichtung aufweist. Medizinprodukt nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Materialschicht (12.1) und/oder die zweite Materialschicht (12.2) jeweils eine Schichtdicke in einem Bereich von ca. 0,05 mm bis ca. 0,5 mm aufweist. - 30 - Medizinprodukt nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der eine oder die mehreren Infill-Materialstränge (12a) der ersten Materialschicht (12.1 ) und/oder der zweiten Materialschicht (12.2) jeweils eine Strangdicke in einem Bereich von ca. 0,1 mm bis ca. 1 mm aufweist oder aufweisen. Medizinprodukt nach einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der eine oder die mehreren Infill-Materialstränge (12a) der ersten Materialschicht (12.1 ) und der zweiten Materialschicht (12.2) jeweils gerade und/oder gekrümmt ausgebildet ist oder sind. Medizinprodukt nach einem der Ansprüche 13 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Materialschicht (12.1 ) und die zweite Materialschicht (12.2) jeweils wenigstens einen medizinisch kompatiblen Kunststoff und/oder wenigstens einen vom menschlichen oder tierischen Körper resorbierbaren Kunststoff umfassen. Medizinprodukt nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Materialschicht (12.1 ) ausschließlich durch den einen oder die mehreren Infill- Materialstränge (12a) ausgebildet ist und wobei die zweite Materialschicht (12.2) im ausgebildeten Zustand wenigstens eine zweite äußere Umfangsfläche aufweist, welche die zweite Materialschicht (12.2) äußerlich begrenzt, wobei ein oder mehrere Perimeter-Materialstränge (12d) entlang der zweiten äußeren Umfangsfläche ausgebildet sind.
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