3D-Druck für Hochpräzisionskomponenten und Medizingerätetechnik: neue Anwendungsgebiete durch smarte Materialien und intelligentes Design (3DPräkomMed)

Im Projekt 3DPraekomMed (3D-Druck für Hochpräzisionskomponenten und Medizingerätetechnik: neue Anwendungsgebiete durch smarte Materialien und intelligentes Design) nutzt die Hochschule Aalen die additive Fertigung, um funktionell optimierte Komponenten zu entwickelt. Zum einen werden Komponenten mit minimierter thermischer Ausdehnung, zum anderen Formeinsätze für Hörgeräte mit höherem Tragekomfort und verbessertem akustischen Verhalten entwickelt. Projektleiter ist Prof. Dr. Markus Merkel.

Herausforderung 

Die additive Fertigung hat sich in kurzer Zeit für viele Anwendungen als alternative Herstellungsmethode etabliert. Weil die Auswahl der einsetzbaren Werkstoffe aber begrenzt ist, gibt es Anwendungen, für die noch nicht belegt ist, dass herkömmliche Verfahren ersetzt werden können. Dies gilt etwa für den metallischen Werkstoff Invar, dessen thermische Ausdehnung extrem klein ist. Invar liegt in Pulverform vor, bislang gibt es aber keine systematischen Analysen, inwieweit sich damit Komponenten mit minimierter thermischer Ausdehnung im 3D-Metalldruck fertigen lassen. Offene Fragen gibt es auch bei biokompatiblen Werkstoffen für Hörgeräte. Die erforderlichen Geometrien werden bisher zerspanend mit hohem manuellem Aufwand hergestellt; komplexe Geometrien sind nicht möglich. Zudem sind Hörgeräte wegen der individuellen Gehörgänge der Nutzer Einzelanfertigungen. Mit einem additiven Fertigungsverfahren könnte nicht nur der Aufwand gesenkt werden, es ließen sich auch neue, benutzerorientierte Funktionen umsetzen.

Ziele und Vorgehen 

Mit 3DPraekomMed sollen zwei Ziele erreicht werden: Im Teilprojekt AtheK sollen Komponenten additiv hergestellt werden, die nahezu keine thermische Ausdehnung zeigen. Dazu werden mit Hilfe von Topologieoptimierungsverfahren und der Finiten-Elemente-Methode definierte Strukturen des Werkstoffs Invar so ausgelegt, dass die Temperaturausdehnung für sie minimiert wird. Anschließend werden Optimierungen für das Material und das Fertigungsverfahren erarbeitet, die an würfelförmigen Proben getestet werden.

Im Teilprojekt SmartVent werden mit Hilfe des 3D-Drucks neue Formpassstücke für Hörgeräte (Otoplastikgeometrien) entwickelt, mit denen die Effizienz von Hörsystemen gesteigert wird. Sie sollen die Belüftung des Ohres ermöglichen und gleichzeitig die Funktionalität adaptiver Parameter der digitalen Hörgerätesignalverarbeitung erhalten. Dazu werden Demonstratoren entwickelt, die im ersten Schritt an einem Kunstkopf untersucht werden. Die dabei gewonnen Erkenntnisse werden auf das Fertigen biokompatibler Harze übertragen und von Probanden erprobt.

Innovationen und Perspektiven 

Mit dem Projekt 3DPraekomMed sollen Lösungen für zwei Anwendungen geschaffen werden, für die es bisher nur aufwendige oder unbefriedigende Verfahren gibt. Bei temperaturkritischen Anwendungen muss derzeit noch aufwendig gekühlt werden; bei Hörgeräten können nachträgliche Anpassungen nur von Akustikern ausgeführt werden. Das Besondere an den Lösungen ist, dass die angestrebte Funktionalität der Komponenten maßgeblich über das additive Fertigungsverfahren, die Gestaltung der Geometrien und die smarten Materialien ermöglicht wird.

Die Ergebnisse von AtheK könnten beispielsweise direkt in Anwendungen mit hoher Anforderung an die Maßhaltigkeit, etwa hochpräzisen Antrieben, genutzt werden. Aufgrund des verbesserten Tragekomforts und der erhöhten Effizienz von Hörgeräten, beispielsweise in einer lauten Umgebung, wird durch SmartVent die Akzeptanz von Hörsystemen gesteigert. Perspektivisch könnten die Ergebnisse für die Entwicklung einer elektrisch steuerbaren Belüftung genutzt werden.