In der Medizintechnik punktet die SFM-AT350 von Solukon mit perfekten Ergebnissen

Additiv gefertigte Wirbelsäulenimplantate profitieren von ihrer porösen Struktur, die ein Einwachsen in den Knochen unterstützt.

Die Additive Fertigung hat sich in der Medizintechnik in vielen Bereichen etabliert. Besonders Implantate profitieren von den konstruktiven Freiheitsgraden des LPBF-Verfahrens. Offenporige Oberflächen fördern die Osseointegration, komplexe Gitterstrukturen reduzieren Gewicht und verbessern biomechanische Eigenschaften. Mit steigender Komplexität der Geometrien wachsen jedoch auch die Anforderungen an die Nachbearbeitung. Pulverreste in innenliegenden Kanälen, Poren oder Gitterstrukturen lassen sich manuell häufig nur schwer vollständig entfernen. Gleichzeitig steigen die Anforderungen an Prozessdokumentation, Reproduzierbarkeit und Arbeitsschutz.

Vor diesem Hintergrund setzt die Peter Brehm GmbH auf automatisierte Entpulverung. Das Unternehmen entwickelt und produziert Implantate für Hüft- und Knie-Endoprothetik sowie für die Wirbelsäulenchirurgie. Additiv gefertigt werden unter anderem Revisions-Hüftpfannen aus TiAl6V4 mit komplexen Gitterstrukturen. Die Bauteile entstehen auf einer TruPrint 3000 und werden anschließend automatisiert in einer Solukon SFM-AT350 entpulvert. Die Bauplatte besitzt einen Durchmesser von 300 mm bei einer Höhe von 200 mm. Der eigentliche Entpulverungsvorgang dauert rund 30 Minuten.

„Die SFM-AT350 und insbesondere ihre digitalen Features haben das Entpulvern massiv vereinfacht. Zudem sind wir schneller und verlässlicher als bei manuellen Verfahren“, sagt Florian Nowak aus der Abteilung Additive Fertigung, Peter Brehm GmbH.

Durch hochfrequente Schwingungsanregung verhält sich das Restpulver wie ein Fluid und kann so besser entfernt werden.

SPR®-Technologie mobilisiert Pulver kontrolliert aus komplexen Geometrien

Nach dem Druckprozess wird zunächst der Pulverkuchen abgesaugt. Anschließend fixieren Spannhaken oder Schrauben den Baujob in der Entpulverungsanlage. Da Titan als reaktiver Werkstoff verarbeitet wird, erfolgt zunächst die Inertisierung der Prozesskammer mit Schutzgas. Die eigentliche Pulverentfernung basiert auf der Smart Powder Recuperation-Technologie, kurz SPR. Dabei kombiniert Solukon eine programmierbare 2-Achs-Rotation mit definierter Schwingungsanregung. Das Pulver wird gezielt mobilisiert und verhält sich während des Prozesses ähnlich wie eine Flüssigkeit.

Dadurch lassen sich selbst komplexe Gitterstrukturen oder innenliegende Bereiche kontrolliert entleeren. Besonders anspruchsvoll sind feinporige Oberflächen, in denen Pulverpartikel mechanisch anhaften. In der Medizintechnik liegen die Erwartungen oft höher als in gängigen Industrieanwendungen. „Es geht nicht nur um saubere Bauteile, sondern um reproduzierbare Prozesse mit vollständiger Transparenz“, sagt Michael Sattler, Global Sales Director bei Solukon.

In Entpulverungssystemen kommen häufig mechanische Rüttler zum Einsatz. Diese arbeiten jedoch mit vergleichsweise niedrigen Frequenzen. Gerade filigrane Gitterstrukturen können dadurch in kritische Schwingungsbereiche geraten.

Sowohl Implantate als auch medizinische Geräte können in einem Durchgang gefertigt und entpulvert werden.

Piezoelektrische Ultraschallanregung schützt empfindliche Strukturen

Um empfindliche Medizinbauteile schonender reinigen zu können, setzt Solukon unter anderem auf piezoelektrische Ultraschallanregung. Die Technologie kommt in der SFM-AT350-E zum Einsatz. Das „E“ steht für „electric“ und verweist auf die elektrische beziehungsweise piezoelektrische Anregungstechnik. Im Unterschied zu pneumatischen Rüttelsystemen arbeitet die Ultraschallanregung mit deutlich höheren Frequenzen. Dadurch bewegt sich das System oberhalb der kritischen Eigenfrequenzen der Bauteile. Ein schädliches Aufschwingen filigraner Strukturen wird vermieden.

„Mit Ultraschall können wir empfindliche Geometrien deutlich schonender reinigen. Gleichzeitig verbessert sich die Reinigungswirkung in komplexen Gitter- oder Schwammstrukturen“, sagt Michael Sattler. Die piezoelektrische Anregung erfolgt über einen kontinuierlich durchfahrenen Frequenzbereich. Dieses sogenannte Sweepen erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass Pulverpartikel auch aus schwer zugänglichen Bereichen gelöst werden. Besonders bei porösen Implantatoberflächen und langen, engen Kanälen zeigt sich der Vorteil der hochfrequenten Anregung. Darüber hinaus arbeitet die Ultraschalltechnologie nahezu geräuschlos.

Die Solukon SFM-AT350-E zum Entpulvern von Bauteilgewichten bis 100 kg und Dimensionen bis zu 400 x 400 x 400 mm. Das „E“ steht für „electric“ und verweist auf die elektrische beziehungsweise piezoelektrische Anregungstechnik.

Digitale Prozessüberwachung wird zum Qualitätsmerkmal

Neben der eigentlichen Reinigungsleistung spielt die Prozessüberwachung eine zentrale Rolle. Gerade in regulierten Branchen wie der Medizintechnik müssen sämtliche relevanten Prozessparameter nachvollziehbar dokumentiert werden. Bei Peter Brehm kommt dafür das Digital-Factory-Tool von Solukon zum Einsatz. Es überwacht unter anderem den Frequenzbereich des Hochfrequenzklopfers sowie den Restsauerstoffgehalt in der Prozesskammer. Werden definierte Grenzwerte unter- oder überschritten, stoppt die Anlage automatisch. Alle aufgezeichneten Daten werden abschließend in einem Report dokumentiert.

Zusätzlich unterstützt die OPC-UA-Schnittstelle die Einbindung in digitale Produktionsumgebungen. Entpulverungsprozesse lassen sich dadurch zentral überwachen und in automatisierte Fertigungslinien integrieren. Auch für den Arbeitsschutz spielt die automatisierte Prozessführung eine wichtige Rolle. Der direkte Kontakt der Mitarbeiter mit losem Titanpulver wird deutlich reduziert. Gleichzeitig verhindert das geschlossene System ein unkontrolliertes Austreten von Pulverresten.

Ultraschall reduziert Prozesszeiten und erweitert Designfreiheiten

Wie groß das Potenzial der Ultraschallanregung ist, zeigt ein weiterer Medizintechnik-Anwendungsfall beim zertifizierten Technologiezentrum Swiss m4m. Dort wurden komplexe Medizinbauteile mit piezoelektrischer Ultraschallanregung vollständig automatisiert entpulvert. Der Reinigungsvorgang war bereits nach 7,5 Minuten abgeschlossen. Vor allem bei filigranen Innenstrukturen zeigt sich die hohe Effizienz der Technologie. Pulverpartikel lassen sich gezielt lösen, ohne empfindliche Geometrien mechanisch stark zu belasten.

Neben der Medizintechnik sieht Solukon auch bei Bauteilen anderer Branchen mit langen engen Kanälen oder Schwamm-/Gitterstrukturen großes Potenzial. „Die additive Fertigung entwickelt sich immer stärker in Richtung hochkomplexer Funktionsbauteile. Deshalb müssen auch die Nachbearbeitungsprozesse technologisch weiterentwickelt werden. Ultraschall ist eines von vielen Tools in der Toolbox der automatisierten Entpulverung“, sagt Michael Sattler.

Die automatisierte Ultraschallentpulverung erweitert neben der Prozesssicherheit auch die konstruktiven Freiheitsgrade in der Additiven Fertigung. Denn je zuverlässiger komplexe Innenstrukturen gereinigt werden können, desto größer wird der Spielraum für neue Bauteildesigns.