Fertigungstechnische Aspekte Flashcards
Welche Bauteileigenschaften können durch eine Beschichtung beeinflusst werden?
o Biokompatibilität …
o Chemische Funktionalisierung von Oberflächen
o Korrosionsbeständigkeit
o Verklebbarkeit
o Beschichtbarkeit
o Benetzbarkeit (Hydrophilie /Hydrophobie,…)
o Selektive Permeabilität
o Barrierewirkung
o Verschleißfestigkeit
o Gleitfähigkeit
o Optische Eigenschaften
Nennen Sie die Anforderungen an Oberflächenbeschichtungen von Implantaten.
Chemische Stabilität der Schicht im biologischen Medium
Gute Haftung der Schicht (am Implantat und evtl. am Gewebe)
Porenfreiheit der Schicht (ansonsten Gefahr von Korrosionsströmen und
Unterwanderung der Schicht)
Hohe Zähigkeit der Schicht
Korrosionsstabilität über Implantationszeitraum
Welche typischen Schichtdickenbereiche lassen sich unterscheiden?
Ultradünne Schichten (> 100 Å): 10 nm…1 μm
o Immobilisierte biologisch aktive Schichten
o Plasmainduzierte Pfropfung, Silanisierung (kovalent gebundene Beschichtungen)
o Langmuir-Blodgett-Beschichtung (nicht kovalent gebunden)
Dünne Schichten: 1μm…50 μm
o PVD (Physical Vapor Deposition)-Beschichtung
o CVD (Chemical Vapor Deposition)-Beschichtung
o Diffusionsschichten
o Ionenimplantationsschichten
Dicke Schichten: 50 μm…1 mm
o Thermisches Spritzen (Beispiel: thermisches Plasmaspritzen zur Beschichtung von
Metallimplantaten mit Hydoxylapatitschichten von 100-200 μm)
o Emailleschichten
o Schmelztauchbadbeschichtung
Dicke Schichten > 1 mm
o Auftragsschweißen
o Plattierschichten
o Auftragslöten
Nennen Sie ein Anwendungsbeispiel für thermische Spritzen. In welchem Schichtdickenbereich wird das Verfahren angewendet?
Dicke Schichten: 50 μm…1 mm
o Thermisches Spritzen (Beispiel: thermisches Plasmaspritzen zur Beschichtung von
Metallimplantaten mit Hydoxylapatitschichten von 100-200 μm)
Erläutern Sie Ziele dünner Beschichtungen von Implantaten und Instrumenten.
Beeinflussung der Grenzflächeneigenschaften bei
Beibehaltung der übrigen Implantateigenschaften:
o Beeinflussung der Proteinadsorption
o Verbesserung der Hämokompatibilität durch antithrombogene
Oberflächen
o (positive oder negative) Beeinflussung der Zelladhäsion und des
Zellwachstums
o Erhöhung der Gleitfähigkeit
o Optimierung der Korrosionsbeständigkeit
o Erhöhung der Verschleißfestigkeit
o Veränderung der elektrischen Eigenschaften
Erläutern SIe kurz (1-2 Sätze) das Grundprinzip des PVD-Beschichtungsverfahrens.
Das PVD-Beschichtungsverfahren (Physical Vapor Deposition) ist ein physikalisches Beschichtungsverfahren, bei dem ein Ausgangsmaterial durch Verdampfen oder Sputtern in den Gaszustand überführt und anschließend als dünne Schicht auf ein Substrat abgeschieden wird. Das PVD-Beschichtungsverfahren erfolgt unter Vakuumbedingungen und ermöglicht hochpräzise und verschleißfeste Schichten, ist jedoch aufgrund der line-of-sight-Problematik auf direkte Sichtverbindungen zwischen Quelle und Substrat angewiesen, was die Beschichtung komplexer Geometrien erschwert.
Nennen Sie Beispiele für PVD-Beschichtungen von Instrumenten/Devices/Implantaten
PVD-beschichtete unterschiedlicher Stahlsorten
Silberbeschichtung
Silbernanopartikel in Silikonen
Was ist bei einem PVD-Prozess im Gegensatz zu einem CVD oder galvanischen Beschichtungsprozess hinsichtlich homogener Schichten und Zugänglichkeit bei der
Konstruktion zu beachten?
line-of-sight Problematik konstruktiv zu berücksichtigen bei PVD
Position der zu Beschichtenden Oberfläche zur Quelle wichtig, ggf. Bewegung des Objektes wichtig
Was zeichnet ein Niederdruckplasmaverfahren hinsichtlich der Beschichtung von Kunststoffen
aus?
Niedrige Gastemperatur: Schonende Behandlung empfindlicher Kunststoffe ohne thermische Beschädigung.
Hohe chemische Reaktivität: Effektive Aktivierung der Kunststoffoberfläche.
Gleichmäßige Beschichtung: Präzise und homogene Schichtbildung.
Verbesserte Haftung: Erhöhte Adhäsion zwischen Kunststoff und Beschichtung.
Funktionale Schichten: Ermöglicht Barriere-, Schutz- oder andere spezialisierte Beschichtungen.
Wozu dienen Silberbeschichtungen? Nennen Sie ein Anwendungsbeispiel.
Silberbeschichtungen dienen der antibakteriellen Wirkung.
Beispiel: PTFE-Gefäßprothesen, Urologie (Katheter), Dialyse- und Herz-Lungen-Maschine, Tumorprothesen
Nennen Sie einige herausragende Eigenschaften von Parylen-Beschichtungen.
Beschichtung in spez. CVD-Prozess (Gorham-Prozess)
Beschichtungsprozess findet im Vakuum bei Raumtemperatur unter Reinraumbedingungen statt
Keine Lösungsmittel, Initiatoren oder Additive
Schichtdicken einige 100 nm bis einige μm genau einstellbar
Auch dünne homogene Schicht von Löchern frei
Gute mechanische und sehr gute dielekt. Eigenschaften
Gleitfähige Oberfläche
Biokompatibel, transparent, temperaturstabil, lösemittelbeständig
gute Spaltgängigkeit der Monomere
–> homegene Beschichtung schwer zugängliche Stellen
hervorragender Korrosionsschutz und Permeationsbarriere
Poröse Substrate wie Papier und Membranen beschichtbar
Nennen Sie Anwendungsbeispiele von Parylen-Beschichtungen.
OP-Nadeln
NiTinol-Stents
Silikon-Liner
Isolationen von HF-Instrumenten/-Sonden
Welchen Temperaturen wird das Substrat bei der Parylen-Beschichtung im Gorham-
Prozess ausgesetzt? Handelt es sich um einen PVD- oder CVD-Prozess?
20-40°C
CVD-Prozess
Erläutern (skizzieren) Sie das Parylen-Beschichtungsverfahren nach dem Gorham-
Prozess.
Das Parylen-Beschichtungsverfahren nach dem Gorham-Prozess ist ein chemisches Beschichtungsverfahren, das unter Vakuumbedingungen abläuft und eine dünne, gleichmäßige Polymerbeschichtung erzeugt. Es umfasst folgende Schritte:
- Verdampfen des Dimerpulvers: Das Parylen-Rohmaterial (ein Dimer) wird in einer Heizkammer bei etwa 175°C verdampft.
- Pyrolyse: Das Dimer-Dampf wird in einer zweiten Kammer auf etwa 680 °C erhitzt, wodurch es in reaktive Monomere zerfällt.
- Polymerisation und Abscheidung: Die Monomere gelangen in die Beschichtungskammer, wo sie sich auf der Substratoberfläche abscheiden und zu einer gleichmäßigen, polymeren Parylen-Schicht reagieren. (bei 25°C)
Eine Skizze kann dabei wie folgt aussehen (verbale Darstellung):
1. Links: Heizkammer mit Dimer.
2. Mitte: Pyrolysekammer mit Reaktion zu Monomeren.
3. Rechts: Beschichtungskammer mit Substrat, auf dem Parylen polymerisiert.
4. Außen rechts: Kühlfalle (bei -196°C) mit Vakuumpumpe (0,001 Torr)
Welche Grundlegende Anforderung gilt hinsichtlich der Qualifizierung und Validierung
der Fertigung von Medizinprodukten?
i.R.d. Qualitäts- und Risikomanagement (DIN EN ISO 13485 und 14971!)
müssen Umfang und Inhalt der Qualifizierung und Validierung auf einer
dokumentierten Risikobewertung von Anlagen, Einrichtungen, Betriebsmitteln
und Prozessen beruhen und (insbesondere kritische Parameter) kontrolliert
werden (auch Änderungen müssen bzgl. Auswirkungen auf Validierung
dokumentiert bewertet werden
Definieren Sie die Begriffe „Qualifizierung“ und „Validierung“ im Kontext des
Qualitätsmanagements der Fertigung von Medizinprodukten
Qualifizierung:
Identifizierung von Ausrüstungsmerkmalen, die mit dem ordnungsgemäßen Ablauf einer
bestimmten Funktion oder von bestimmten Funktionen im Zusammenhang stehen, sowie
Festlegung von Grenzwerten oder Beschränkungen für diese Merkmale.
Prozess-)Validierung:
Dokumentierter Nachweis darüber, dass das System als Ganzes unter den üblichen
Betriebsbedingungen den Anforderungen entsprechend funktioniert. Dokumentierte und
geeignete Tests weisen nach, dass das in einem spezifizierten Prozess hergestellte Produkt
allen Freigabeanforderungen entspricht
Nennen Sie 4 Urformverfahren für Kunststoffe?
Spritzgießen, Extrudieren, Folienguß, Additive Verfahren
Nennen Sie 4 Fügeverfahren für Kunststoffe?
Vibrations- und Ultraschall-Schweißen
Heizelementschweißen
Laserdurchstrahlschweißen (teilweise Additive notwendig)
Kleben
Nennen und erläutern Sie kurz zwei unterschiedliche Klebeverfahren für Kunststoffe
Adhäsion (Haftung Kleber an Oberfläche) und Kohäsion (innere Festigkeit des
Klebers): Abbindung d. Klebers im Klebespalt d. chemische (Aushärten von
reaktionsbereiten Monomeren: Epoxide, Polyurethane, Silikone, Acrylate) o.
physikalische (verflüssigen und unter Anpressdruck verfestigen: Schmelzklebstoffe,
Dispersionskleber,…) Reaktion;
> Adhäsion durch gute Benetzbarkeit der zu fügenden Oberflächen durch Kleber, kann
durch chemische (durch sog. Primer) oder physikalische (Plasma) verbessert werden.
Diffusionskleben: Anlösen durch organisches Lösemittel (z.B. Aceton)** und
Diffusion der Moleküle der Fügepartner; Lösemittel verdampft (vollständig!), kein
Klebespalt
Nennen Sie 2(3) wesentliche Vorteile des Lösungsmittelklebens. Nennen Sie 2(3)
Kunststoffe (eine Kunststoffgruppe) die NICHT lösemittelklebbar sind.
Vorteile des Lösungsmittelklebens:
- rückstandsfrei: Lösemittel verdampft vollständig
- günstig
- schnell
Kunstsoffe, die nicht lösemittelklebbar sind:
PE, PP oder POM
Erläutern (skizzieren) Sie das Prinzip der Stereolithografie(SLA). Welche Werkstoffe kommen
dabei zum Einsatz? Welcher Schichtdickenbereich ist zu erwarten?
Die Stereolithografie ist ein additives Fertigungsverfahren, bei dem ein Werkstück schichtweise aus einem lichtempfindlichen flüssigen Harz (Photopolymer) aufgebaut wird. Das Prinzip umfasst folgende Schritte:
- Belichtung: Ein UV-Laser oder eine UV-Lichtquelle belichtet selektiv die Oberfläche des flüssigen Photopolymers, wodurch die bestrahlten Bereiche aushärten (Photopolymerisation).
- Schichtaufbau: Nach der Aushärtung einer Schicht wird die Bauplattform um die Höhe der Schichtdicke abgesenkt, und eine neue Schicht des flüssigen Harzes wird aufgetragen. Für Überänge müssen zuvor Stützstrukturen konstruiert werden.
- Wiederholung: Der Prozess wiederholt sich schichtweise, bis das gesamte Werkstück erstellt ist.
Skizze:
Ein Tank mit flüssigem Harz, darüber eine Bauplattform, die in den Tank eintaucht.
UV-Laser bestrahlt die Oberfläche des Harzes punktweise, während die Plattform Schicht für Schicht abgesenkt wird, bis das Bauteil fertig ist.
Werkstoffe: flüssiges Photopolymer bzw. Stereolithografieharz speziell für medizinische
Anwendungen
Schichtdicke: 0,1mm
Erläutern (skizzieren) Sie das Prinzip des Fused Deposition Modelling (FDM).
Ablauf:
1. Ausgangsgeometriedaten als
STL Datei; Zerlegen in Schichten
(Dicke von 0,01 - 0,2 mm)
2. Automatische Berechnung der
Supportstruktur
3. Beheizter Düsenkopf trägt dünne
Fäden des Thermoplasts auf
4. Abschließend Support entfernen
und Oberflächen finishen (z.B. ABS
in Aceton-Dampf (Vorsicht!))
Skizze:
Oben: Eine Filamentrolle führt Material ( Supportmaterial und Baumaterial) zur beheizten Düse.
Unten: Eine Bauplattform, auf der Schicht für Schicht das Bauteil entsteht.
Düse bewegt sich horizontal, während die Plattform vertikal abgesenkt wird.
Material: ABS, PLA, Nylon
FDM bietet zwei Arten der
Supporterzeugung:
- Mechanisch entfernbare (z.B. durch Abbrechen)
aus Grundwerkstoff
- Wasserlösliche Strukturen (durch Waschen entfernbar; für schwer
erreichbare Bereiche bzw. Reduzierung der Handnachbearbeitung)
Erläutern (skizzieren) Sie das Prinzip des Selektiven Lasersinterns (SLS).
Ablauf:
1. Pulverauftrag: Eine dünne Schicht pulverförmigen Materials (z. B. Kunststoff, Metall oder Keramik) wird auf die Bauplattform aufgetragen.
2. Lasersintern: Ein hochpräziser Laser erhitzt die Pulverpartikel gezielt entlang der Querschnittsgeometrie der aktuellen Schicht, sodass sie aneinander haften.
3. Schichtweise Wiederholung: Nach dem Sintern wird die Bauplattform um die Höhe der Schichtdicke abgesenkt, und eine neue Pulverschicht wird aufgetragen.
4. Bauteilstabilität: Das ungesinterte Pulver bleibt als Stützstruktur erhalten und stützt überhängende Geometrien.
5. Abschluss und Nachbearbeitung: Nach Fertigstellung wird das überschüssige Pulver entfernt, und das Bauteil kann nachbearbeitet werden (z. B. Polieren, Beschichten).
Skizze:
Pulverbett: Pulver wird durch einen Rakel auf die Bauplattform verteilt.
Laser: Der Laser schmilzt die gewünschten Bereiche.
Bewegung: Plattform senkt sich schichtweise ab, und neue Pulverlagen werden aufgetragen.
Material: PA, thermoplastische Elastomere, PAEK/PEEK, PS, Keramiken und Metalle
Stützstrukturen: Bei Kunststoff unterstützt sich während des Bauprozesses selbst (keine Supportstrukturen
notwendig); bei Metallen Stützstrukturen auch für Wärmeabfuhr
Erläutern (skizzieren) Sie das Prinzip des Selektiven Laser Melting (SLM).
Ablauf:
1. Pulverauftrag: Eine dünne Schicht aus Metallpulver wird mittels eines Beschichters (z. B. Rakel oder Walze) gleichmäßig auf die Bauplattform aufgetragen.
2. Laseraufschmelzen: Ein hochenergetischer Laserstrahl schmilzt das Metallpulver gezielt entlang der Querschnittsgeometrie der aktuellen Schicht auf.
3. Erstarrung: Das geschmolzene Metall erstarrt schnell zu einer festen Struktur.
4. Schichtweise Wiederholung: Die Bauplattform wird nach jeder Schicht um die Höhe der Schichtdicke abgesenkt, und eine neue Pulverlage wird aufgetragen. Der Prozess wird wiederholt, bis das Bauteil fertiggestellt ist.
5. Nachbearbeitung: Das fertige Bauteil wird von überschüssigem Pulver befreit und häufig wärmebehandelt, um Spannungen zu reduzieren.
Skizze:
Pulverbett: Eine gleichmäßige Schicht Metallpulver auf der Bauplattform.
Laser: Der Laser schmilzt das Pulver in der gewünschten Geometrie auf.
Bewegung: Die Plattform senkt sich schichtweise ab, und neue Pulverlagen werden aufgetragen.
Material: tandardlegierungen werden unter
Schutzgasatmosphäre zu Pulver verdüst (Aluminiumlegierungen, Stahl, CoCr, Gold/Silber)
Stützmaterial: Anders als beim SLS sind beim SLM Stützstrukturen erforderlich, da das Bauteil während des Prozesses vollständig aufgeschmolzen wird.
- Stabilisieren überhängende Geometrien.
- Leiten Wärme ab, um Verzug zu minimieren.
- Werden nach dem Druck mechanisch entfernt.
Welche Vorteile bieten Rapid Prototyping Verfahren, wie das SLS oder SLM, bei der
Fertigung von Dentalkomponenten?
Flexibilität in der individuellen Formgebung
einfache Herstellung
(teil-)poröser Strukturen
einfache Kombination unterschiedlicher Materialien
Wie unterscheiden sich die Verfahren hinsichtlich notwendiger Supportstrukturen?
Welche Vorteile/Nachteile hat dies?
Additive Fertigung (SLA, FDM, SLS) benötigt in der Regel Supportstrukturen für komplexe Geometrien, wobei SLS als Vorteil gilt, da es keine externen Stützen benötigt (außer Pulver), was Material spart und Nachbearbeitung erleichtert.
Bei FDM können wasserlösliche Stützstrukturen verwendet werden.
Ein Nachteil von Stützstrukturen sind die meist raue Oberfläche und die notwendige Nachbearbeitung.
Welche Anwendungen von Rapid-Prototyping-Verfahren kennen Sie in der Medizin?
Fertigung von Dentalkomponenten: Kronen, Zahnimplantate
Fertigung für Individualimplantate (Kleinstsereien): Cranio-Implantat, Hüft-pfannenimplantate
Chirurgische Instrumente (Kleinstserie)
NiTiNol-Stents (Kleinstserie)
Nennen Sie 2 Beispiele bei denen die additive Fertigung von metallischen Bauteilen mit
einer spanenden Nachbearbeitung kombiniert werden muss.
Personalisierte Implantate (z. B. Hüft- oder Knieprothesen)
Dentalimplantate und Zahnprothesen
Erläutern Sie den Ablauf des LCM-Verfahrens? Bei welchem Material wird das
Verfahren genutzt?
Prinzip:
* Eintauchen der beweglichen Plattform
(von oben!) in Keramik-Binder-
Suspension (in rotierender Wanne)
* DLP (Digital light processing) -
maskenbasierte selektive Belichtung
(photopolymerisation des Binders)
(Schichtdicke 10-200μm)
> Grünling
* Ausbrennen des Binders
* Sintern
Material: z.B. Silizium-Nitrid
