Experimental analysis and predictive modeling of the tensile and flexural strength of FDM-printed PLA for clinical devices

Stellen Sie sich eine Welt vor, in der die Werkzeuge, die Ärzte zur Heilung verwenden, nicht in Fabriken massengefertigt werden, sondern einzeln gefertigt werden, perfekt angepasst an die einzigartige Form des Körpers eines Patienten. Dies ist das Versprechen der additiven Fertigung, oft auch als 3D-Druck bezeichnet. Im Gegensatz zu traditionellen Methoden, bei denen Material aus einem massiven Block herausgeschnitten wird, baut diese Technologie Objekte Schicht für Schicht auf, wie das Stapeln dünner Teigscheiben, bis ein Laib seine Form annimmt. Eines der beliebtesten Materialien für diesen Prozess ist ein Kunststoff, der aus Maisstärke oder Zuckerrohr gewonnen wird, bekannt als Polylactid oder PLA. Es wird bevorzugt, da es sicher für den menschlichen Körper ist, sich mit der Zeit natürlich zersetzt und relativ einfach zu drucken ist. Damit diese gedruckten Objekte jedoch als medizinische Geräte, wie etwa chirurgische Führungen oder maßgeschneiderte Implantate, verwendet werden können, müssen sie stark genug sein, um den Kräften des menschlichen Körpers standzuhalten, ohne zu brechen oder sich zu verbiegen. Die Herausforderung liegt darin, dass die Art und Weise, wie ein 3D-Drucker diesen Kunststoff ablegt, winzige Schwachstellen im Inneren des Materials erzeugt, was dazu führt, dass es sich je nach Richtung des Zuges oder Drucks unterschiedlich verhält.

Ein Forscherteam der Universität Tunis El Manar und der Universität Monastir machte sich daran, dieses Rätsel zu lösen, indem sie den 3D-Druckprozess wie ein präzises Rezept behandelten. Sie wollten genau verstehen, wie drei spezifische Einstellungen – wie dick jede Schicht des Kunststoffs ist, wie schnell sich der Drucker bewegt und wie viel zusätzlicher Kunststoff durch die Düse gepresst wird – die Festigkeit des fertigen Objekts verändern. Während Wissenschaftler schon lange wissen, dass Schichtdicke und Geschwindigkeit eine Rolle spielen, blieb die Menge des herausgepressten Kunststoffs, bekannt als Extrusionsverhältnis, ein Mysterium. Die Forscher vermuteten, dass das Auspressen etwas mehr Kunststoff als die Standardeinstellung des Druckers winzige Lücken zwischen den Schichten füllen könnte, was zu einem dichteren, stärkeren Bauteil führt. Um dies zu testen, verließen sie sich nicht auf bloßes Raten. Stattdessen druckten sie hunderte kleiner Teststücke, jedes mit einer anderen Kombination dieser drei Einstellungen, und unterzogen sie dann strengen physikalischen Tests. Sie zogen die Stücke auseinander, um ihre Zugfestigkeit zu messen – also die Kraft, die erforderlich ist, um sie zu brechen – und bogen sie, um ihre Biegefestigkeit zu messen, also wie gut sie dem Brechen unter Druck widerstehen.

Die Ergebnisse enthüllten eine klare und überraschende Wahrheit darüber, wie diese gedruckten Teile zusammenhalten. Die Forscher fanden heraus, dass die Menge des durch die Düse gepressten Kunststoffs der entscheidende Einzelfaktor bei der Bestimmung der Festigkeit war. Als sie das Extrusionsverhältnis auf 110 Prozent erhöhten, was bedeutete, dass sie zehn Prozent mehr Material als die Standardeinstellung auspressten, verschwanden die internen Lücken und winzigen Löcher innerhalb des Kunststoffs fast vollständig. Diese einfache Anpassung verwandelte das Material und machte es signifikant widerstandsfähiger. Sie entdeckten, dass die gedruckten Teile von Natur aus anisotrop sind, was bedeutet, dass sie in einigen Richtungen stärker sind als in anderen. Bei Biegebelastungen konnten die Stücke einer Kraft von 34 bis 51 Megapascal standhalten, aber wenn sie direkt auseinandergezogen wurden, hielten sie nur 12 bis 24 Megapascal stand. Dieser Unterschied entsteht, weil die Schichten an der Außenseite miteinander verschmolzen sind, sich aber leichter trennen lassen, wenn man direkt an ihnen zieht.

Um das perfekte Gleichgewicht für die Erstellung der stärkstmöglichen medizinischen Geräte zu finden, nutzte das Team einen mathematischen Ansatz, um all ihre Daten zu analysen und die idealen Einstellungen vorherzusagen. Sie ermittelten, dass die beste Kombination zur Maximierung von sowohl Festigkeit als auch Steifigkeit darin bestand, eine Schichtdicke von 0,20 Millimetern, eine Druckgeschwindigkeit von 40 Millimetern pro Sekunde und jenes entscheidende Extrusionsverhältnis von 110 Prozent zu verwenden. Als sie diese spezifischen Einstellungen an neuen Proben testeten, entsprachen die realen Ergebnisse mit bemerkenswerter Genauigkeit ihren Vorhersagen, mit Fehlern von nur 1,89 Prozent und maximal 6,32 Prozent. Diese Präzision bestätigt, dass Ingenieure durch die sorgfältige Kontrolle der Materialabgabe die Schwachstellen eliminieren können, die 3D-gedruckte Teile normalerweise plagen. Die Studie kommt zu dem Schluss, dass diese optimierte Methode eine zuverlässige Blaupause für die Herstellung von Hochleistungs-PLA-Komponenten bietet und einen Weg für die Fertigung maßgeschneiderter medizinischer Werkzeuge, Implantate und anderer Geräte ebnet, die sowohl leicht als auch unglaublich widerstandsfähig sein müssen.