KMU-innovativ Optimierung der Herstellung von Hüftschäften mithilfe des selektiven Elektronenstrahlschmelzens (OptiHueftE)

Problemstellung
Durch die alternde Gesellschaft und höhere Lebenserwartung ergibt sich ein wachsender Bedarf an Implantaten für den Gelenkersatz. So gehören chirurgische Eingriffe für die Erneuerung von Hüftgelenken zu den 20 häufigsten Operationen in Deutschland. Die meisten stark belasteten Implantate, darunter auch der Hüftschaft, werden konventionell geschmiedet. Jeden dieser Schäfte gibt es in einer Reihe von Größen. Für die Produktion dieser Schäfte ist je ein Schmiedegesenk (zweiteilige Hohlform) herzustellen. Alternativ werden Einzelstücke sogar aus dem Vollen zerspant. Für individualisierte Implantate führt das zu einem hohen Arbeits- und Materialaufwand.

Projektziele
Das Ziel des KMU-innovativ-Projekts OptiHueftE ist die Entwicklung eines neuartigen Produktionsprozesses für titanbasierte Individualhüftschäfte. Durch den Einsatz eines additiven Fertigungsverfahrens, dem selektiven Elektronenstrahlschmelzen (SEBM), sollen erstmals hoch belastete Langschäfte gedruckt werden, die die Dauerfestigkeiten konventionell hergestellter Schäfte erfüllen. Schließlich werden dadurch sowohl der Materialaufwand reduziert als auch die Entwicklungsgeschwindigkeit und der Automatisierungsgrad in der Produktion erhöht.

Vorgehensweise
Das SEBM-Verfahren ist ein pulverbettbasierter 3D-Druckprozess. Hierbei schmilzt ein Elektronenstrahl einzelne Pulverlagen lokal auf, woraus Schicht für Schicht Bauteile entstehen. Für die Hüftschäfte werden dazu relevante Prozessparameter erarbeitet. Es sollen zwei Prototypen entwickelt werden, von denen einer massiv und der andere mit integrierter poröser Oberfläche gedruckt wird. Letzterer führt bestehende Fertigungsprozesse kosten- und zeiteffizient zusammen. Parallel wird eine Methode zur Wärmebehandlung und zu einer maximalen Dauerfestigkeit des gedruckten Materials erarbeitet. Die Reinigung und Finalisierung der gedruckten Schäfte erfolgt anschließend mechanisch und durch das Aufbringen von Beschichtungen, die das Einwachsen des Schaftes in den Knochen unterstützen. Ausgehend von der 3D-Vermessung werden Routinen für die Integration des neuartigen Verfahrens in die mechanische Endbearbeitung evaluiert. Die prototypischen Schäfte werden umfassend analysiert und auf ihre Dauerfestigkeit getestet.

Ergebnisse und Anwendungspotenzial
Die Integration des selektiven Elektronenstrahlschmelzverfahrens für Hüftschäfte in die Umgebung der konventionellen Fertigung ist Grundlage für eine flexible, individualisierte Fertigung weiterer Medizinprodukte. Dazu gehört die Rekonstruktion einer Hüfte, die z. B. aufgrund einer Revision stark beschädigt wurde, so dass keine weitere Hüftpfanne eingesetzt werden kann. Des Weiteren bietet eine individuelle Fertigung Vorteile bei der Implantation von künstlichen Kniegelenken, da die entsprechenden Gelenkflächen nicht mehr an die Form der Implantate angepasst werden müssen. Somit ist dieses Verfahren patientenschonend. Die Erkenntnisse sollen auf Konferenzen und in referierten Zeitschriften der Öffentlichkeit zugänglich gemacht werden. Die additiv gefertigten Hüftschäfte sollen nach Ende des Projektes durch den assoziierten Partner Merete GmbH zum Produkt weiterentwickelt und am Markt angeboten werden.

• Aristotech Industries GmbH
• Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung eingetragener Verein
• Ingenieurbüro Dipl. Ing. Kai-Uwe Volker