DE102010008781A1

DE102010008781A1 - Vorrichtung zur schichtweisen Fertigung von Bauteilen, sowie Verfahren zur schichtweisen Fertigung von Bauteilen

Info

Publication number: DE102010008781A1
Application number: DE102010008781A
Authority: DE
Inventors: Simon Dipl.-Phys. 52070 Höges; Konrad Dr. 52134 Wissenbach; Rüdiger Prof. Dr. med. 28717 Blindt
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2010-02-22
Filing date: 2010-02-22
Publication date: 2011-08-25
Anticipated expiration: 2030-02-23
Also published as: DE102010008781B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur schichtweisen Fertigung von Bauteilen aus Pulvern thermoplastischer Materialien sowie ein Verfahren zur Herstellung derartiger Bauteile bzw. Formkörper aus Pulvern thermoplastischer Materialien. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung Verwendungsmöglichkeiten sowohl der Vorrichtung als auch des Verfahrens.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur schichtweisen Fertigung von Bauteilen aus Pulvern thermoplastischer Materialien sowie ein Verfahren zur Herstellung derartiger Bauteile bzw. Formkörper aus Pulvern thermoplastischer Materialien. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung Verwendungsmöglichkeiten sowohl der Vorrichtung als auch des Verfahrens.
Trotz der deutlichen Reduktion der Restenoserate durch den Einsatz beschichteter Metallstents sind mehrere Jahre nach deren klinischer Einführung immer noch wichtige Probleme der interventionellen Kardiologie ungelöst. Bei der hohen Anzahl jährlicher Stentimplantationen ist ein gehäuftes Auftreten von akuten oder späten Stentthrombosen von hoher Relevanz, da dieses Krankheitsbild mit einer Mortalität von ca. 50% vergesellschaftet ist. Weiterhin ist bei komplexen vaskulären Läsionen das Risiko eines langsamen Zuwachsens von Stents (Restenose) nach wie vor ein relevantes klinisches Problem. Darüber hinaus ist der Einsatz von neuen bildgebenden Verfahren, die wichtige Zusatzinformationen im Rahmen der kardialen Funktionsdiagnostik ergeben oder gar diagnostische Herzkatheteruntersuchungen langfristig ersetzen können, limitiert, da Metallstents Artefakte in der an Bedeutung zunehmenden Bildgebungsdiagnostik (Magnetresonanz-Tomographie, Computertomographie) erzeugen. Diese Limitationen können durch die Verwendung polymerer Materialien überwunden werden.
Bei polymeren Werkstoffen sind die mechanischen Festigkeiten werkstoffbedingt deutlich geringer als die bisher für die Stentherstellung eingesetzten metallischen Werkstoffe (316L-Stahl, Co-Cr, Ni-Ti). Die limitierten mechanischen Eigenschaften des polymeren Werkstoffs können durch komplexe Strukturen überwunden werden, so dass stark belastete Bereiche durch z. B. eine Verstärkung der Streben unterstützt werden. Diese Möglichkeit ist mit derzeitigen Fertigungsverfahren nicht wirtschaftlich realisierbar. Die Material- und Stenteigenschaften zur Gewährleistung einer möglichst hohen mechanischen Festigkeit bei gleichzeitiger Möglichkeit zur plastischen und elastischen Verformbarkeit müssen identifiziert werden.
Hohe Temperaturen während der Schmelzverarbeitung des Polymers führen zu einer thermischen Degradation (Abbau der Molekülketten) des Polymers. Dies resultiert in einer Veränderung der mechanischen und biologischen Eigenschaften des erzeugten Körpers im Vergleich zum Ausgangsmaterial und muss durch geeignete Verfahrenstechnik vermieden werden.
Polymere Stents werden derzeit experimentell wie metallische Stents durch Schneiden der Stentstruktur aus einem Rohr hergestellt (Grabow, N. et al., „Mechanical Properties of Laser Cut Poly(L-Lactide)Micro-Specimens: Implications for Stent Design, Manufacture, and Sterilization", Journal of Biomechanical Engineering, Vol. 127, No. 1, S. 25–31, 2005; Ormiston, J. A. et al., „A bioabsorbable everolimuseluting coronary stent system for patients with single de-novo coronary artery lesions (ABSORB): a prospective open-label trial, The Lancet Vol. 371 No. 9616, S. 899–907, 2008; Gale, David, Huang, Bin, Limon, Timothy, and Gueriguian, Vincent, „Methods of fabricating stents with enhanced fracture toughness", Patent WO 2007/146354 A2, S. 13-6-2007). Die Anwendung dieser Stents ist limitiert durch unzureichende mechanische Eigenschaften (Radialfestigkeit), unzureichende Miniaturisierung, keine flexiblen Wandstärken und begrenzte Auflösung der Strukturen. Weitere Lösungsansätze zur Reduzierung der Stentrestenoseraten in der Fachliteratur beinhalten die Verwendung metallischer, resorbierbarer Werkstoffe (z. B. Magnesium), die jedoch in klinischen Studien bisher mit einer hohen Rate von Stentrestenosen (hoher „lateloss”) vergesellschaftet waren (Waksman, R. et al., „Early- and Long-Term Intravascular Ultrasound and Angiographic Findings After Bioabsorbable Magnesium Stent Implantation in Human Coronary Arteries JACC": Cardiovascular Interventions, Vol. 2, No. 4, S. 312–320, 2009). Die Problemstellung der Artefaktbildung bei der Bildgebung ist mit diesem Ansatz nicht behandelt. Nach bisheriger Patent- und Literaturrecherche existiert kein weiterer Ansatz zur Lösung der oben genannten Probleme zur Verbesserung der Bildgebung durch reduzierte Artefaktbildung und eine Verringerung der Stentrestenoserate.
Aus der DE 196 49 865 ist eine Vorrichtung zur Herstellung von Formteilen aus thermoplastischen Pulvermaterialien bekannt, bei der eine Schicht eines Pulvers auf ein Substrat aufgetragen und mittels einer Nivelliereinrichtung eingeebnet wird. Im Anschluss daran erfolgt ein Versintern des Materials beispielsweise durch einen Laserstrahl. Nachteilig hierbei ist, dass die durch die Nivelliereinrichtung aufgetragene Pulverschicht durch die lockere Auftragung nach wie vor größere Hohlräume zwischen den einzelnen Pulverpartikeln aufweist, so dass diese auch nach dem Sinterprozess noch vorhanden sind. Das hieraus erhaltene Bauteil kann somit dahingehend nachteilig sein, dass im versinterten Material, das aus dem thermoplastischen Pulver hervorgeht, nach wie vor unregelmäßig verteilt größere oder kleinere Hohlräume eingeschlossen sind, so dass das thermoplastische Bauteil relativ brüchig ist.
Einen Verbesserungsvorschlag hierzu bietet die WO 00/30790 , die eine Weiterbildung der aus der DE 196 49 865 bekannten Vorrichtung darstellt. Diese Vorrichtung weist ebenso eine Nivelliereinrichtung auf, zusätzlich ist eine Schleifvorrichtung integriert, mit der der aus den thermoplastischen Pulvern durch Versintern hergestellte Formkörper unmittelbar nach der Herstellung abgeschliffen werden kann, so dass die Oberflächeneigenschaften dieses Formkörpers verbessert werden können. Nach wie vor weist jedoch der dadurch hergestellte Formkörper eine gewisse Porosität auf.
Ausgehend hiervon ist es somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur schichtweisen Fertigung von Bauteilen aus Pulvern thermoplastischer Materialien anzugeben, mit denen sich Bauteile von hoher Dichte und Homogenität hinsichtlich des versinterten thermoplastischen Materials herstellen lassen. Ebenso ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Verwendungszwecke einer derartigen Vorrichtung sowie eines derartigen Verfahrens anzugeben.
Diese Aufgabe wird bezüglich der Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie bezüglich des Verfahrens mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 gelöst. Mit Patentanspruch 18 werden sowohl Verwendungszwecke der Vorrichtung als auch des Verfahrens angegeben. Die jeweiligen abhängigen Patentansprüche stellen dabei vorteilhafte Weiterbildungen dar.
Erfindungsgemäß wird somit eine Vorrichtung zur schichtweisen Fertigung von Bauteilen aus Pulvern thermoplastischer Materialien bereitgestellt, die folgende Mindestbestandteile aufweist:

a) ein Substrat, auf dem das zu fertigende Bauteil gefertigt wird,
b) mindestens eine Vorrichtung zur Bevorratung des Pulvers,
c) mindestens eine Vorrichtung zum Übertrag des Pulvers aus der Vorrichtung zur Bevorratung des Pulvers auf das Substrat,
d) mindestens eine Vorrichtung zur mechanischen Verdichtung des aufgetragenen Pulvers, sowie
e) mindestens eine Vorrichtung zum lokalen Erwärmen des Pulvers.

Erfindungsgemäß ist unter einem Substrat eine Unterlage bzw. eine Werkbank zu verstehen, auf der das herzustellende Bauteil schichtweise aufgewachsen wird. Die Oberfläche dieses Substrates ist bevorzugt eine planare Ebene, die im Koordinatensystem eine x-y-Ebene darstellt. Das zu fertigende Bauteil wird somit in z-Richtung auf dem Substrat sukzessive durch schichtweisen Auftrag und lokales Verschmelzen eines thermoplastischen Materials hergestellt. Die Vorrichtung zur Bevorratung des Pulvers kann beispielsweise als Vorratsbehälter etc. ausgebildet sein. Die Vorrichtung zum Übertrag des Pulvers dient dem Übertrag des Pulvers aus dem Vorratsbehältnis auf das Substrat, also den Ort, an dem das zu fertigende Bauteil entsteht. Dabei wird das Pulver in einer Schicht auf dem Substrat aufgetragen und anschließend mit der Vorrichtung zum lokalen Erwärmen des Pulvers stellenweise aufgeschmolzen. Die Vorrichtung zum lokalen Erwärmen muss daher so ausgelegt sein, dass ein Erweichen oder Aufschmelzen des thermoplastischen Materials gewährleistet ist. Erfindungsgemäß ist nunmehr vorgesehen, dass mindestens eine Vorrichtung zur mechanischen Verdichtung des auf dem Substrat aufgetragenen Pulvers vor dem Aufschmelzen erfolgt, so dass Hohlräume zwischen den Pulverpartikeln bereits vor dem Schmelzprozess reduziert bzw. vorteilhafterweise ganz ausgeschlossen werden. Die Vorrichtung zur Verdichtung reduziert daher die Schichtdicke des auf dem Substrat aufgetragenen Pulvers und führt somit zu einer Reduktion der zwischen den Pulverpartikeln enthaltenen Hohlräume.
Bezüglich der prinzipiellen Ausgestaltungsformen einer derartigen Vorrichtung sei ergänzend auf die Ausführungen der DE 196 49 865 bzw. der WO 00/30790 verwiesen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die mindestens eine Vorrichtung zur Bevorratung des Pulvers in x- und/oder y-Richtung neben dem Substrat angeordnet und relativ zum Substrat in z-Richtung höhenverstellbar. Diese bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die Vorrichtung zur Bevorratung des Pulvers relativ zum Substrat in z-Richtung beweglich ausgeführt ist. Insofern kann das Substrat bzw. die Vorrichtung zur Bevorratung des Pulvers jeweils gegeneinander angehoben bzw. abgesenkt werden. Bevorzugt sind dabei sowohl das Substrat als auch die Bevorratungsvorrichtung in z-Richtung beweglich ausgelegt.
Ferner ist vorteilhaft, wenn die mindestens eine Vorrichtung zum Übertrag des Pulvers und/oder die mindestens eine Vorrichtung zur mechanischen Verdichtung des aufgetragenen Pulvers relativ zur Oberfläche des Substrats in x-, y- und/oder z-Richtung beweglich ausgebildet ist. Die Vorrichtung zum Übertrag des Pulvers kann somit über die Oberfläche, d. h. in x- und/oder y-Richtung des Substrates geführt werden. Zudem kann vorteilhafterweise eine Höhenverstellbarkeit, d. h. eine Beweglichkeit in z-Richtung bezüglich der Substratoberfläche gegeben sein. Eine besondere Ausführungsform der Vorrichtung sieht somit vor, dass das Vorratsgefäß für das Pulver neben dem Substrat angeordnet ist und sowohl das Vorratsgefäß als auch das Substrat in z-Richtung beweglich ausgeführt sind. Über die Vorrichtung zum Übertrag des Pulvers, die beispielsweise als Schieber, etc., ausgebildet sein kann, erfolgt nun durch entsprechende Einstellung der Position in z-Richtung sowohl des Substrats als auch der Bevorratungsvorrichtung und Bewegung der Übertragsvorrichtung in x- und/oder y-Richtung, ausgehend von der Bevorratungsvorrichtung ein Übertrag des Pulvers aus dem Vorratsgefäß in Richtung des Substrates. Mit anderen Worten wird eine Pulverschicht des thermoplastischen Materials von der Bevorratungsvorrichtung auf die Oberfläche des Substrates geschoben. Dabei findet gleichzeitig eine Nivellierung statt, so dass auf dem Substrat eine lockere Schicht des thermoplastischen Materials mit einer vorbestimmten Dicke erzeugt wird.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung sieht vor, dass die mindestens eine Vorrichtung zum Übertrag des Pulvers eine Bürste, bevorzugt eine Kohlenfaserbürste, umfasst.
Weiter ist es vorteilhaft, wenn die Vorrichtung zur mechanischen Verdichtung eine über das Substrat führbare Lamelle umfasst, die bevorzugt in Auftragsrichtung abgeschrägt ausgebildet ist. Die Lamelle ist dabei so ausgebildet, dass sie über die auf dem Substrat aufgetragene Pulverschicht geführt werden kann, wobei beim Überführen der Lamelle eine Kompression der dort befindlichen Pulverschicht stattfindet. Dabei erfolgt ebenso ein Überstreichen der Pulverschicht mit der Lamelle, wobei das auf dem Substrat befindliche Pulver platt gedrückt und so verdichtet wird. Die Lamelle ist dabei bevorzugt in Bewegungsrichtung schräg bezüglich der Substratoberfläche und der darauf befindlichen Pulverschicht angeordnet und wird so geführt, dass die Unterkante der Lamelle auf einem tieferen Niveau liegt als die obere Ebene der aufgetragenen Pulverschicht. Dadurch wird die Pulverschicht bis auf das Niveau der Unterseite der Lamelle verdichtet.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass die mindestens eine Vorrichtung zum Übertrag des Pulvers und die mindestens eine Vorrichtung zur mechanischen Verdichtung des aufgetragenen Pulvers in x- und/oder y-Richtung nacheinander angeordnet und an einer gemeinsamen Aufhängung befestigt sind, wobei die unterseitige, dem Substrat zugewandte Begrenzung der Vorrichtung zur mechanischen Verdichtung des aufgetragenen Pulvers weiter in z-Richtung zum Substrat hin ausgebildet ist, als die entsprechende Begrenzung der Vorrichtung zum Übertrag des Pulvers. Diese Ausführungsform sieht z. B. vor, dass die Unterkante der Lamelle in z-Richtung weiter in Richtung des Substrates ausgebildet ist, also tiefer liegt, als die Unterkante der Kohlefaserbürste. Wenn nun die an einer gemeinsamen Aufhängung kombinierten Vorrichtungen zum Übertrag bzw. zur mechanischen Verdichtung in einer Bewegung in x- oder y-Richtung über das Substrat geführt werden, wird dabei gewährleistet, dass durch die Vorrichtung zum Übertrag eine Pulverschicht generiert wird, die durch die in Bewegungsrichtung nach der Vorrichtung zum Übertrag angeordnete Vorrichtung zur mechanischen Verdichtung durch die weiter in Richtung des Substrates angeordnete Unterseite dieser Vorrichtung gleichzeitig verdichtet wird. Insofern wird dadurch erreicht, dass der Übertrag des Pulvers aus dem Vorratsbehältnis auf das Substrat gleichzeitig mit der Verdichtung des aufgetragenen Pulvers in einem Arbeitsschritt erfolgt.
Weiter vorteilhaft ist, dass die Aufhängung eine Vorrichtung zur Erzeugung einer mechanischen Schwingung, die auf die mindestens eine Vorrichtung zum Übertrag des Pulvers und/oder die mindestens eine Vorrichtung zur mechanischen Verdichtung des aufgetragenen Pulvers übertragbar ist, umfasst. Die mechanische Schwingung wird beim Pulverauftragsvorgang bzw. beim Verdichtungsvorgang auch auf das Pulver bzw. die Pulverschicht übertragen. Durch die Beaufschlagung der aufgetragenen Pulverschicht mit einer mechanischen Schwingung während des Übertrags bzw. der mechanischen Verdichtung werden die Hohlräume des aufgetragenen Pulvers weiter reduziert und es lassen sich homogenere Bauteile herstellen.
Bevorzugt ist die Vorrichtung zum lokalen Erwärmen des Pulvers ein Laser, der über eine entsprechende Optik zur Abbildung des Laserstrahls auf der Oberfläche der Pulverschicht verfügt, vorzugsweise ein IR-Laser, CO₂-Laser, Nd-YAG-Laser und/oder ein Diodenlaser. Der Laser kann beispielsweise durch einen Computer gesteuert werden, so dass ein in einem vorherigen CAD-Programm entwickeltes Modell des herzustellenden Formteils direkt durch den Laser in die verdichtete Pulverschicht eingeschrieben werden kann.
Erfindungsgemäß wird ebenso ein Verfahren zur schichtweisen Fertigung von Bauteilen aus Pulvern thermoplastischer Materialien, mit einer zuvor beschriebenen Vorrichtung bereitgestellt, bei dem

a) mittels der mindestens einen Vorrichtung zum Übertrag des Pulvers ein Pulver eines thermoplastischen Materials oder einer Mischung aus Pulvern mehrerer thermoplastischer Materialien aus der Vorrichtung zur Bevorratung auf das Substrat übertragen und zu einer Schicht eingeebnet wird,
b) die mindestens eine Vorrichtung zur mechanischen Verdichtung des aufgetragenen Pulvers in x- und/oder y-Richtung über die Pulverschicht geführt wird, wobei die Pulverschicht auf eine vorbestimmte Schichtdicke zu einer verdichteten Pulverschicht verdichtet wird,
c) ein in x- und y-Richtung vordefiniertes lokales Aufschmelzen der verdichteten Pulverschicht durch die mindestens eine Vorrichtung zum lokalen Erwärmen vorgenommen wird sowie anschließende Abkühlung unter Erstarren der Schmelze,
d) das Substrat in z-Richtung relativ zur mindestens einen Vorrichtung zur Bevorratung des Pulvers abgesenkt oder die mindestens eine Vorrichtung zur Bevorratung des Pulvers in z-Richtung relativ zum Substrat angehoben wird und
e) die Schritte a) bis d) bis zur Fertigstellung des Bauteils wiederholt werden.

Bevorzugt wird die Schichtdicke des verdichteten Pulvers in Schritt b) auf 5 bis 500 μm, bevorzugt auf 10 bis 100 μm, besonders bevorzugt auf 30 bis 70 μm eingestellt.
Ein vorteilhafter Verdichtungsfaktor der Pulverschicht in Schritt b) beträgt das 0,95 bis 0,5-fache, bevorzugt das 0,8 bis 0,3-fache, besonders bevorzugt das 0,7 bis 0,4-fache der ursprünglichen Schichtdicke, d. h. der in Schritt a) aufgetragenen Schichtdicke.
Weiter bevorzugt ist, wenn während Schritt a) und/oder b) die mindestens eine Vorrichtung zum Übertrag des Pulvers und/oder die mindestens eine Vorrichtung zur mechanischen Verdichtung des aufgetragenen Pulvers mit einer mechanischen Schwingung beaufschlagt wird, vorzugsweise mit einer Frequenz zwischen 0,5 und 100 Hz, weiter bevorzugt zwischen 1 und 50 Hz, insbesondere zwischen 5 und 20 Hz.
Vorteilhaft ist ebenso, wenn die Pulverschicht in Schritt c) mit einer Geschwindigkeit zwischen 1 und 500 mm/s, bevorzugt zwischen 5 und 200 mm/s, aufgeschmolzen wird. In dieser Ausführungsform wird beispielsweise ein Laserstrahl mit den zuvor genannten Geschwindigkeiten über die komprimierte Pulverschicht geführt.
Vorteilhafte Leistungen des Lasers liegen dabei zwischen 0,01 und 20 W, bevorzugt zwischen 0,1 und 5 W.
Weiter bevorzugt wird der Laser durch eine Optik so auf der Oberfläche der Pulverschicht abgebildet, dass der Durchmesser des Laserstrahls an der Oberfläche der Pulverschicht zwischen 0,01 und 1 mm, bevorzugt zwischen 0,05 und 0,5 mm, besonders bevorzugt zwischen 0,1 und 0,3 mm liegt.
Falls Bauteile mit bestimmten Strukturen hergestellt werden sollen, die eine unterschiedliche Dicke der Strukturen an verschiedenen Stellen aufweisen, kann es ebenso von Vorteil sein, wenn der Aufschmelzschritt lokal mehrfach erfolgt, beispielsweise 2 bis 10 mal, weiter bevorzugt 2 bis 8 mal, besonders bevorzugt 2 bis 5 mal.
Bevorzugte thermoplastische Materialien, die erfindungsgemäß verwendet werden können, sind dabei insbesondere thermoplastische Kunststoffe, bevorzugt bioabbaubare thermoplastische Kunststoffe, insbesondere ein Polylactid, wie z. B. Poly-L-Lactid, Poly-D-Lactid und/oder Poly-DL-Lactid, und/oder Poly-ε-caprolacton, Polyalkylenglykole, wie z. B. Polyethylenglykol, oder ein Copolymer aus den zuvor genannten Kunststoffen.
Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf die zuvor genannten Materialien beschränkt, ebenso können beispielsweise als thermoplastische Pulvermaterialien Metalle oder generell Stoffe, die sich durch entsprechende Wärmeeinwirkung aufschmelzen lassen, verwendet werden.
Besonders gute Ergebnisse werden erzielt, wenn der mittlere Teilchendurchmesser d₅₀ des Pulvers zwischen 5 und 200 μm, bevorzugt zwischen 10 und 100 μm, besonders bevorzugt zwischen 30 und 70 μm beträgt.
Erfindungsgemäß werden ebenso Verwendungszwecke der zuvor beschriebenen Vorrichtung sowie des Verfahrens angegeben, insbesondere eignet sich die Vorrichtung und das Verfahren zur Herstellung von Formteilen mit vorbestimmter Geometrie, wie z. B. medizinischer Stents, medizinischer Knochenersatzimplantate, medizinischen Implantaten mit internen Hohlstrukturen und/oder Hinterschneidungen. Die erzeugten Bauteile zeichnen sich durch eine geringere Porosität aus, verglichen mit Bauteilen, die auf gewöhnliche Art und Weise wie aus dem Stand der Technik bekannt hergestellt werden.
Die vorliegende Erfindung wird anhand der nachfolgenden Ausführungen sowie der beigefügten Figuren näher beschrieben, ohne die Erfindung auf die dort dargestellten speziellen Parameter zu beschränken.
Dabei zeigt
1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
2 einen Detailausschnitt, der die Anordnung der Auftrags- und Verdichtungseinheit zeigt.
Der Lösungsweg basiert auf einem additiven, schichtbasierten Fertigungsverfahren. Das Verfahren ist für metallische Werkstoffe unter dem Namen ”Selective Laser Melting” bekannt. In einem bevorzugten hier vorgestellten Fall wird ein Polymer mit einem fokussierten Laserstrahl geschmolzen. Schichtweise können so komplexe Bauteile direkt aus 3D-CAD-Daten hergestellt werden. Die hergestellten Bauteile zeichnen sich durch eine hohe Dichte von annähernd 100% aus.
Der Lösungsweg beginnt mit der Auswahl eines Polymerwerkstoffs in geeigneter Pulverform. Der Ausgangswerkstoff wird mit einem geeigneten Verfahren in eine für das Laserschmelzverfahren geeignete sphärische Partikelform und -größe gebracht. Für den Laserschmelzprozess wird das Pulver z. B. mit einer Kombination aus Kohlefaserbürste und Verdichtungseinheit in dünnen Schichten (30–70 μm) aufgetragen und dabei verdichtet. Zur reproduzierbaren Generierung einer Pulverschicht ist die Vibration der Pulverauftragseinheit normal zur Auftragsrichtung vorteilhaft. Mit dieser Vorrichtung ist es möglich, dichte Bauteile mit hohen mechanischen Festigkeiten herzustellen. Als Laserstrahlquelle dient z. B. ein CO₂-Laser hoher Strahlqualität (M² < 1,1) und geringer Leistung (0,1–2 W). Der Laserschmelzprozess findet im Fokus der Laserstrahlung statt. Das Verfahren kann in Umgebungsatmosphäre, d. h. Luft erfolgen, jedoch ebenso unter einem Inertgas durchgeführt werden.
Durch spezielle Wahl von Verfahrensparametern kann eine Degradation des Polymers vermieden werden. Der Laserstrahl wird dabei z. B. mit geringer Scangeschwindigkeit (5–200 mm/s) über das Pulverbett geführt. Mit der Wahl geringer Laserleistung wird eine Verringerung der thermischen Degradation trotz vollständigem Aufschmelzen des Polymerwerkstoffs erreicht.
Die Erfindung ermöglicht ebenso die Entwicklung einer geeigneten Scanstrategie zur Erzeugung von Mikrostrukturen bei Werkstoffen mit geringer Wärmeleitfähigkeit, z. B. Polymeren. Die Erzeugung von dünnen Stegen definierter Dicke, wie sie bei der schichtweisen Herstellung von Stents auftreten, erfolgt über die wiederholte Belichtung einer einzelnen Spur, d. h. den verwendeten Laserstrahldurchmesser, sowie die eingestellte Laserleistung und Scangeschwindigkeit. Durch ein wiederholtes Belichten einer einzelnen Spur wird gradiert die Prozesstemperatur in der Wechselwirkungszone und damit die Schmelzspurbreite erhöht, so dass eine genau vordefinierte Strukturgröße eingestellt werden kann.
Dies ermöglicht z. B. die genaue Anfertigung von Stentstrukturen, die zuvor im 3D-CAD-Verfahren entwickelt wurden, auf Grund der Möglichkeit, genau vorgegebene Strebendicken für den Polymerwerkstoff durch die generative Fertigung umzusetzen. Die Umsetzung erfordert eine geeignete Aufbereitung der 3D-CAD-Daten. Diese werden in Schichten definierter Dicke unterteilt, die Definition der Scanvektoren erfolgt unter Berücksichtigung der Zielstrukturgröße. Mit dieser Methode können spezielle Wandstärken realisiert werden.
Mit diesem verfahrenstechnischen Ansatz zur Herstellung können die oben vorgestellten Probleme gelöst werden. Die Verbesserung der Qualität bildgebender Verfahren wird durch die Verwendung von polymeren Werkstoffen mit Vermeidung der Artefaktbildung erreicht. Die Gefahr einer späten Stentthrombose kann durch die Verwendung von bioresorbierbaren polymeren Werkstoffen (z. B. auf Milchsäure basierende Polymere) reduziert werden. Resorbierbare Stents degradieren nach der Stabilisierung des Gefäßes und werden durch den natürlichen Ausscheidungszyklus abgebaut. Damit wird die Gefahr des langsamen Zuwachsens des Gefäßes vermieden, da kein Fremdkörper im Gefäß die Bildung von Gerinseln und Thrombosen begünstigt.
Mit Auswahl des Werkstoffs zusammen mit der definierten und belastungsangepassten Einstellung der Strukturgröße der Stentstrukturen können die mechanischen Eigenschaften des Polymerstents den Bedürfnissen der medizinischen Anwendung (mechanische Stabilisierung der Arterie, Flexibilität zum Einführen des Stents, plastische Verformbarkeit des Stents bei der Expansion) angepasst werden. Durch eine geeignete Wahl der Verfahrensparameter (geringe Laserleistung, geringe Scangeschwindigkeit) kann die thermische Degradation des Polymers nahezu vermieden werden. Durch die Verwendung von polymeren Werkstoffen kann die Qualität von bildgebenden Verfahren gesteigert werden. Bei der Verwendung resorbierbarer Werkstoffe kann die Gefahr der Stentrestenose reduziert werden.
1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 1 weist dabei eine Prozesskammer 30 mit einem Schutzgaseinlass 31 sowie einem Schutzgasauslass 32 auf. Jedoch kann die Vorrichtung auch ohne separate Kammer 30 bzw. ohne Schutzgasein- bzw. -auslass 31 und 32 ausgeführt sein. Die Prozesskammer 30 weist dabei eine Bodenfläche 33 auf. Unterhalb der Bodenfläche 33 der Prozesskammer ist einerseits ein Vorratsbehältnis 3 angeordnet, das über einen Hubtisch 3a, der über einen Kolben 3b in z-Richtung beweglich führbar ist, angeordnet. Das Vorratsbehältnis 3 ist dabei mit einem Pulver 10 eines thermoplastischen Materials, beispielsweise eines thermoplastischen Kunststoffes, gefüllt. Neben dem Vorratsbehältnis 3 ist in x-Richtung ein Substrat 2 in Form eines weiteren Tisches vorgesehen, der über einen Hubkolben 2a in z-Richtung beweglich führbar ist. Auf dem Substrat 2 ist bereits ein teilweise aufgewachsenes und noch nicht fertig gestelltes Bauteil 100 dargestellt, das durch Verschmelzen des thermoplastischen Pulvermaterials hergestellt ist. Dieses noch nicht ganz fertig gestellte Bauteil 100 ist vom zusätzlichen, nicht verschmolzenen Pulver 10 des thermoplastischen Materials umgeben, bzw. in diesem Material eingebettet. Der Übertrag des Pulvermaterials aus dem Vorratsbehältnis 3 in Richtung des Substrates 2 erfolgt generell durch die Übertragsvorrichtung 4 sowie die mit der Übertragsvorrichtung 4 kombinierten Verdichtungseinheit 5, die in 1 lediglich schematisch dargestellt sind. Zu den weiteren erfindungsgemäßen Details der Übertrags- bzw. Verdichtungsvorrichtung wird auf die Ausführungen zu 2 verwiesen. Die Übertrags- und Verdichtungsvorrichtung 4, 5 wird in Richtung des Pfeiles 20 von dem Vorratsbehältnis 3 in Richtung des Substrates 2 geführt, wobei der Höhenabstand der Übertragsvorrichtung 4 zur Bodenfläche 33 so eingestellt wird, dass eine gewisse Menge an thermoplastischem Pulver von dem Vorratsbehältnis 3 in Richtung 20 des Substrates 2 mitgeschleppt wird. Durch die in Pfeilrichtung 20 hinter der Übertragsvorrichtung 4 angeordnete Verdichtungseinheit 5 erfolgt dabei gleichzeitig eine Verdichtung der aufgetragenen bzw. mitgeschleppten Pulverschicht. Nach Übertrag wird die auf dem Substrat befindliche oberste Pulverschicht über einen Laser 6, der einen Laserstrahl 13 erzeugt, der über eine Optik 11 gezielt auf die Oberfläche 33 abbildbar ist, zum Bauteil 100 zusammengeschmolzen. Die optische Vorrichtung 11, die den Laserstrahl 13 auf das Substrat 2 abbildet, kann beispielsweise von einem Computer 15, dem CAD-Daten 17 des zu fertigenden Bauteils zugrunde liegen, gesteuert werden. Ebenso kann eine Pumpvorrichtung 25 zum Einspeisen von Inertgasen vorgesehen sein. Durch die vorgegebene Anordnung der Öffnung 31 bzw. des Auslasses 32 für Inertgas ist ebenso eine Strömungsrichtung des Inertgases 24 vorgegeben. Ebenso ist eine Antriebsvorrichtung 14 für die Hubkolben 2a und/oder 3b vorhanden.
In 2 ist nunmehr im Detail die Pulverauftragseinheit, die in 1 mit 4,5 bezeichnet war, dargestellt. Abgebildet ist ein Ausschnitt aus der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur schichtweisen Fertigung von Bauteilen, bei dem die Pulverauftragseinheit über das Substrat 2 mit einem darauf bereits teilweise fertig gestellten Bauteil 100 in Richtung des Pfeils 20 geführt wird. Der Auftrag des Pulvers mit der Pulverauftragseinheit erfolgt hier in Bildrichtung von rechts nach links. Insofern ist auch das in 2 nicht dargestellte Vorratsbehältnis 3 für das Pulver rechter Hand des dort dargestellten Bildausschnittes angeordnet. Die Pulverauftragseinheit umfasst eine Kohlenfaserbürste 4, mit der das Pulver 10 aus dem nicht dargestellten Vorratsbehältnis 3 über das Substrat 2 geschoben werden kann. Dabei wird durch die Bürste 4 bereits eine erste Einebnung des aufgetragenen Pulvers 10 zu einer ersten Pulverschicht mit einer Schichtdicke 9a erzielt. In Auftragsrichtung hinter der Bürste 4 ist eine Vorrichtung zur Verdichtung 5 der ersten Pulverschicht mit der Dicke 9a angeordnet. Diese Verdichtungsvorrichtung 5 ist dabei in Form einer Lamelle ausgebildet, die in Auftragsrichtung abgewinkelt ausgebildet ist. Insofern erfolgt ein Andrücken der durch die Bürste lose aufgetragenen Pulverschicht mit der Dicke 9a in z-Richtung des Substrates. Dabei findet eine Komprimierung der durch die Bürste 4 locker aufgetragenen Pulverschicht mit der Schichtdicke 9a statt, so dass eine komprimierte Pulverschicht mit einer reduzierten Schichtdicke 9b resultiert. Durch die Reduktion der aufgetragenen Pulverschicht findet gleichzeitig eine Reduktion der in der ursprünglichen Pulverschicht mit der Schichtdicke 9a enthaltenen Hohlräume statt, so dass beim anschließenden Verschmelzen der verdichteten Pulverschicht auch ein thermoplastischer Werkstoff mit weniger Hohlräumen erhalten werden kann. Zusätzlich verfügt die Pulverauftragseinheit an der gemeinsamen Aufhängung 7 für die Bürste 4 und die Lamelle 5 über eine Vorrichtung zur Erzeugung von mechanischen Schwingungen 8. Durch die Übertragung der mechanischen Schwingung auf sowohl die Bürste 4 und die Lamelle 5 und somit auf das Pulver 10 ist eine weitere Reduktion der Hohlräume in der Pulverschicht möglich.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19649865 [0006, 0007, 0012]
WO 00/30790 [0007, 0012]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Grabow, N. et al., „Mechanical Properties of Laser Cut Poly(L-Lactide)Micro-Specimens: Implications for Stent Design, Manufacture, and Sterilization”, Journal of Biomechanical Engineering, Vol. 127, No. 1, S. 25–31, 2005 [0005]
Ormiston, J. A. et al., „A bioabsorbable everolimuseluting coronary stent system for patients with single de-novo coronary artery lesions (ABSORB): a prospective open-label trial, The Lancet Vol. 371 No. 9616, S. 899–907, 2008 [0005]
Gale, David, Huang, Bin, Limon, Timothy, and Gueriguian, Vincent, „Methods of fabricating stents with enhanced fracture toughness”, Patent WO 2007/146354 A2, S. 13-6-2007 [0005]
Waksman, R. et al., „Early- and Long-Term Intravascular Ultrasound and Angiographic Findings After Bioabsorbable Magnesium Stent Implantation in Human Coronary Arteries JACC”: Cardiovascular Interventions, Vol. 2, No. 4, S. 312–320, 2009 [0005]

Claims

Vorrichtung zur schichtweisen Fertigung von Bauteilen (1) aus Pulvern thermoplastischer Materialien, umfassend a) ein Substrat (2), auf dem das zu fertigende Bauteil gefertigt wird, b) mindestens eine Vorrichtung (3) zur Bevorratung des Pulvers, c) mindestens eine Vorrichtung (4) zum Übertrag des Pulvers aus der Vorrichtung (3) zur Bevorratung des Pulvers auf das Substrat (2), d) mindestens eine Vorrichtung (5) zur mechanischen Verdichtung des aufgetragenen Pulvers, sowie e) mindestens eine Vorrichtung (6) zum lokalen Erwärmen des Pulvers.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass a) die mindestens eine Vorrichtung (3) zur Bevorratung des Pulvers in x- und/oder y-Richtung neben dem Substrat (2) angeordnet ist und relativ zum Substrat (2) in z-Richtung höhenverstellbar ist, und/oder b) die mindestens eine Vorrichtung (4) zum Übertrag des Pulvers und/oder die mindestens eine Vorrichtung (5) zur mechanischen Verdichtung des aufgetragenen Pulvers relativ zur Oberfläche des Substrats (2) in x-, y- und/oder z-Richtung beweglich ausgebildet ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Vorrichtung (4) zum Übertrag des Pulvers eine Bürste, bevorzugt eine Kohlenfaserbürste umfasst.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur mechanischen Verdichtung eine über das Substrat (2) führbare Lamelle umfasst, die bevorzugt in Auftragsrichtung abgeschrägt ausgebildet ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Vorrichtung (4) zum Übertrag des Pulvers und die mindestens eine Vorrichtung (5) zur mechanischen Verdichtung des aufgetragenen Pulvers in x- und/oder y-Richtung nacheinander angeordnet und an einer gemeinsamen Aufhängung (7) befestigt sind, wobei die unterseitige, dem Substrat (2) zugewandte Begrenzung (5a) der Vorrichtung (5) zur mechanischen Verdichtung des aufgetragenen Pulvers weiter in z-Richtung zum Substrat (2) hin ausgebildet ist, als die entsprechende Begrenzung (4a) der Vorrichtung (4) zum Übertrag des Pulvers.
Vorrichtung (1) nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufhängung (7) eine Vorrichtung (8) zur Erzeugung einer mechanischen Schwingung, die auf die mindestens eine Vorrichtung (4) zum Übertrag des Pulvers und/oder die mindestens eine Vorrichtung (5) zur mechanischen Verdichtung des aufgetragenen Pulvers übertragbar ist, umfasst.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Vorrichtung (6) zum lokalen Erwärmen des Pulvers ein Laser, vorzugsweise ein IR-Laser, CO₂-Laser, Nd-YAG-Laser und/oder ein Diodenlaser ist.
Verfahren zur schichtweisen Fertigung von Bauteilen aus Pulvern thermoplastischer Materialien, mit einer Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem a) mittels der mindestens einen Vorrichtung (4) zum Übertrag des Pulvers ein Pulver eines thermoplastischen Materials oder einer Mischung aus Pulvern mehrerer thermoplastischer Materialien aus der Vorrichtung (3) zur Bevorratung auf das Substrat (2) übertragen und zu einer Schicht (9a) eingeebnet wird, b) die mindestens eine Vorrichtung (5) zur mechanischen Verdichtung des aufgetragenen Pulvers in x- und/oder y-Richtung über die Pulverschicht (9a) geführt wird, wobei die Pulverschicht (9a) auf eine vorbestimmte Schichtdicke zu einer verdichteten Pulverschicht (9b) verdichtet wird, c) ein in x- und y-Richtung vordefiniertes lokales Aufschmelzen der verdichteten Pulverschicht (9b) durch die mindestens eine Vorrichtung (6) zum lokalen Erwärmen vorgenommen wird sowie anschließende Abkühlung unter Erstarren der Schmelze, d) das Substrat (2) in z-Richtung relativ zur mindestens einen Vorrichtung (3) zur Bevorratung des Pulvers abgesenkt oder die mindestens eine Vorrichtung (3) zur Bevorratung des Pulvers in z-Richtung relativ zum Substrat (2) angehoben wird und e) die Schritte a) bis d) bis zur Fertigstellung des Bauteils wiederholt werden.
Verfahren nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke des verdichteten Pulvers (9b) in Schritt b) auf 5 bis 500 μm, bevorzugt auf 10 bis 100 μm, besonders bevorzugt auf 30 bis 70 μm eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) die Pulverschicht (9a) auf das 0,95 bis 0,5-fache, bevorzugt auf das 0,8 bis 0,3-fache, besonders bevorzugt auf das 0,7 bis 0,4-fache der ursprünglichen Schichtdicke zur Pulverschicht (9b) verdichtet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass während Schritt a) und/oder b) die mindestens eine Vorrichtung (4) zum Übertrag des Pulvers und/oder die mindestens eine Vorrichtung (5) zur mechanischen Verdichtung des aufgetragenen Pulvers mit einer mechanischen Schwingung beaufschlagt wird, vorzugsweise mit einer Frequenz zwischen 0,5 und 100 Hz, weiter bevorzugt zwischen 1 und 50 Hz, insbesondere zwischen 5 und 20 Hz.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulverschicht (9b) in Schritt c) mit einer Geschwindigkeit zwischen 1 und 500 mm/s, bevorzugt zwischen 5 und 200 mm/s aufgeschmolzen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zum Aufschmelzen ein Laser mit einer Leistung zwischen 0,01 und 20 W, bevorzugt zwischen 0,1 und 5 W verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zum Aufschmelzen ein Laser verwendet wird, und der Durchmesser des Laserstrahls an der Oberfläche der Pulverschicht (9b) zwischen 0,01 und 1 mm, bevorzugt zwischen 0,05 und 0,5 mm, besonders bevorzugt zwischen 0,1 und 0,3 mm eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass pro aufgetragener Pulverschicht (9b) der Schritt des Aufschmelzens c) zumindest stellenweise mehrmals, bevorzugt 2 bis 10 mal, weiter bevorzugt 2 bis 8 mal, besonders bevorzugt 2 bis 5 mal, durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass als thermoplastisches Material thermoplastische Kunststoffe, bevorzugt ein bioabbaubarer thermoplastischer Kunststoff, insbesondere ein Polylactid, wie z. B. Poly-L-Lactid, Poly-D-Lactid und/oder Poly-DL-Lactid, und/oder Poly-ε-caprolacton, Polyalkylenglykole, und/oder Copolymere hieraus verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Teilchendurchmesser d₅₀ des Pulvers zwischen 5 und 200 μm, bevorzugt zwischen 10 und 100 μm, besonders bevorzugt zwischen 30 und 70 μm beträgt.
Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 und/oder eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 8 bis 16 zur Herstellung von Formteilen mit vorbestimmter Geometrie, insbesondere medizinischer Stents, medizinischer Knochenersatzimplantate, medizinischen Implantaten mit internen Hohlstrukturen und/oder Hinterschneidungen.