Verfahren zur Herstellung eines monolithischen Bauteils

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Ausbilden eines monolithischen Bauteils und insbesondere auf ein Verfahren zum Ausbilden eines Gelenkimplantats zur Gewe beneubildung am Gelenk oder eines technischen Funktionskör pers unter Verwendung einer additiven lithographiebasierten Fertigungstechnik .

Aus der Druckschrift WO 2010/045950 Al ist ein Verfahren zum Ausbilden eines monolithischen Bauteils unter Verwendung ei ner lithographiebasierten Fertigungstechnik bekannt, wobei ein lichtpolymerisierbares Material in einer Wanne mit trans parentem Wannenboden vorgesehen ist, eine Plattform in das lichtpolymerisierbare Material bis zu einem vorbestimmten Ab stand zum Wannenboden eingetaucht wird, ein selektives Be lichten durch den Wannenboden durchgeführt wird, wodurch ein an der Plattform anhaftender polymerisierter Schichtkörper mit einer dem Abstand entsprechenden Höhe erzeugt wird, die Plattform mit dem polymerisierten Schichtkörper zur Bildung eines nachfolgenden Schichtkörpers vertikal verschoben wird, und durch Wiederholen dieser Schichtherstellungs-Schritte schichtweise das monolitische Bauteil in der gewünschten Form aufgebaut wird.

In vielen technischen Bereichen ist es notwendig Materialien herzustellen, die an unterschiedlichen Oberflächenbereichen unterschiedliche Oberflächeneigenschaften wie z.B. ein Benet zungsverhalten aufweisen. Unter Benetzungsverhalten wird nachstehend das Verhalten von Flüssigkeiten bei Kontakt mit einer Festkörperoberfläche ver standen. Die Benetzbarkeit ist hierbei die zugehörige Eigen schaft der Festkörperoberfläche für eine bestimmte Flüssig keit und wird regelmäßig über den sogenannten Kontaktwinkel eines Flüssigkeitstropfens an der Oberfläche des Festkörpers definiert. Keine oder nur geringe Benetzung liegt hierbei vor, wenn der Kontaktwinkel in einem Bereich von 180° bis 90° liegt, wobei sich ein kugel- oder halbkugelförmiger Flüssig keitstropfen ausbildet, der nur eine kleine (oder punktförmi ge) Auflagefläche aufweist und leicht über die Festkörper oberfläche gleitet (Abperlen). Eine partielle Benetzung liegt vor, wenn der Kontaktwinkel kleiner 90° ist, wobei ein Flüs sigkeitstropfen an der Festkörperoberfläche eine runde Haube ausbildet (Abgleiten). Eine vollständige Benetzung liegt vor, wenn der Kontaktwinkel nahezu 0° ist, wobei sich ein Flüssig keitstropfen an der Festkörperoberfläche in Form einer fla chen Scheibe ausbreitet. In diesem Fall bleiben Flüssigkeits reste auch bei Einwirken von starken Kräften (z.B. extreme Neigung der Oberfläche) an der Festkörperoberfläche haften.

Beim Spezialfall von Wasser als verwendete Flüssigkeit spricht man in diesem Zusammenhang von hydrophoben (wasserab weisenden) oder hydrophilen (wasseranziehenden) Festkörper oberflächen.

Sowohl bei technischen Funktionskörpern (Katalysatoren, Kon densatoren, Membrane ...) als auch bei in der Medizintechnik verwendeten Materialien und Körpern ist ein unterschiedliches Benetzungsverhalten regelmäßig gewünscht und muss bisher durch zeit- und kostentintensive Nachbehandlungsverfahren (mechanische/chemische Nachbehandlung und/oder chemische Be- Schichtung) nach Herstellung des Ausgangsmaterials realisiert werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines monolithischen Bauteils zu schaffen, wobei unterschiedliche Oberflächeneigenschaften, insbesondere hinsichtlich eines Benetzungsverhaltens, eines Abscheidever haltens und/oder einer Besiedlung mit Zellen, lokal sowie auf einfache und kostengünstige Weise realisiert werden können.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Pa tentanspruchs 1 gelöst.

Insbesondere durch das Ausbilden von unterschiedlichen Ober flächentopologien in gezielt ausgewählten Bereichen des mono lithischen Bauteils können in diesen Bereichen unterschiedli che Oberflächeneigenschaften, insbesondere hinsichtlich eines Benetzungsverhaltens, eines Abscheideverhaltens und/oder ei ner Besiedlung mit Zellen, erzeugt werden.

Vorzugsweise wird das monolithische Bauteil aus einem Ent wurf-Bauteil (CAD oder CAM) mit einer Vielzahl von Entwurf- Elementen erzeugt, wobei zumindest eine Entwurfs-Orientierung eines Entwurfelements zu einer Bauraum-Orientierung eines tatsächlichen Bauraums gezielt verändert wird.

Beispielsweise erfolgt das Ausbilden des monolithischen Bau teils unter Verwendung einer additiven Fertigungstechnik, wo bei ein lichtpolymerisierbares Material in einer Wanne mit transparentem horizontalen Wannenboden vorgesehen ist, eine Plattform in das lichtpolymerisierbare Material bis zu einem vorbestimmten Abstand zum Wannenboden eingetaucht wird, ein selektives Belichten durch den Wannenboden durchgeführt wird, wodurch ein an der Plattform anhaftender polymerisierter Schichtkörper mit einer dem Abstand entsprechenden Höhe er zeugt wird, die Plattform mit dem polymerisierten Schichtkör per zur Bildung eines nachfolgenden Schichtkörpers vertikal verschoben wird, und durch Wiederholen der vorhergehenden Schichtherstellungs-Schritte schichtweise das monolitische Bauteil in der gewünschten Form aufgebaut wird. Durch Ein stellung von Fertigungsparametern während dem Wiederholen der Schicht-Herstellungs-Schritte werden unterschiedliche Ober flächentopologien zur Realisierung der unterschiedlichen Oberflächeneigenschaften in ausgewählten Bereichen des mono lithischen Bauteils erzeugt.

Ein unter Verwendung dieser lithographiebasierten 3D- Drucktechnik hergestelltes Bauteil kann besonders kostengüns tig hergestellt werden, da eine Nachbearbeitung sowohl eines Grünkörpers als auch der fertig gesinterten Keramik damit er spart bleibt und auch an unzugänglichen Stellen ermöglicht ist.

Beispielsweise kann als Fertigungsparameter ein Belichtungs parameter, insbesondere eine Belichtungsintensität und/oder eine Belichtungszeit, beim selektiven Belichten durch den Wannenboden derart eingestellt werden, dass zusätzlich zum zu polymerisierenden Schichtkörper ein in den Kanten und/oder Ecken der Treppenstruktur verbleibendes lichtpolymerisierba- res Restmaterial polymerisiert bzw. vernetzt wird.

Dies ermöglicht die gleichzeitige Ausbildung von unterschied lichen Oberflächentopologien an gegenüberliegenden Oberflä chenbereichen auf besonders einfache Weise.

Ferner kann als Fertigungsparameter ein Verdrehungswinkel zwischen horizontalen Entwurfselement-Hauptachsen und hori- zontalen Bauraum-Hauptachsen bzw. einer Reihen- oder Spalten ausrichtung einer Mikrospiegel-Einheit verändert werden. Hierdurch können für jeden polymerisierten Schichtkörper an den Seitenoberflächen unterschiedliche Oberflächentopologien ausgebildet werden.

Ferner kann als Fertigungsparameter ein Verkippungswinkel zwischen einer vertikalen Entwurfselement-Hauptachse und ei ner vertikalen Bauraum-Hauptachse bzw. einer Lotrechten des horizontalen Wannenbodens verändert werden.

Hierdurch können in vertikaler Richtung unterschiedliche Oberflächentopologien ausgebildet werden.

Ferner kann als Fertigungsparameter der Abstand zwischen Plattform bzw. letztem polymerisierten Schichtkörper und dem Wannenboden während dem Wiederholen der Schichtherstellungs schritte verändert werden.

Hierdurch können in vertikaler Richtung weiterhin unter schiedliche Oberflächentopologien ausgebildet werden.

Ferner können als Fertigungsparameter die Abmessungen der von den Mikrospiegeln der Mikrospiegel-Einheit reflektierten Bildpunkte durch eine Abbildungseinheit während dem Wiederho len der Schichtherstellungsschritte verändert werden. Hierdurch können die Oberflächentopologien weiterhin verän dert werden.

In den weiteren Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispie len unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

Figur 1 eine vereinfachte Seitenansicht einer Vorrichtung zum schichtweisen Aufbau eines monolithischen Bauteils;

Figuren 2a und 2b vereinfachte Ansichten einer verwendeten MikroSpiegel-Einheit ;

Figuren 3a und 3b vereinfachte perspektivische Ansichten zur Veranschaulichung von Verfahrensschritten gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, wobei unterschiedliche Oberflä chentopologien aufgrund einer gezielten Veränderung einer Entwurfs-Orientierung eines Entwurfselements zu einer Bau raum-Orientierung ausgebildet wird;

Figuren 4a bis 4c vereinfachte Ansichten zur Veranschauli chung von Verfahrensschritten bei der selektiven Herstellung von unterschiedlichen Oberflächentopologien gemäß einem zwei ten Ausführungsbeispiel, wobei eine Verdrehung in der x,y- Ebene durchgeführt wird;

Figuren 5 vereinfachte Ansichten eines stabförmigen Bauteils zur Veranschaulichung von Verfahrensschritten bei der selek tiven Herstellung von unterschiedlichen Oberflächentopologien gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel, wobei eine Verkip pung gegenüber der z-Achse durchgeführt wird;

Figuren 6a bis 6c vereinfachte perspektivische Ansichten zur Veranschaulichung von Verfahrensschritten gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel, wobei unterschiedliche Oberflä chentopologien aufgrund einer Durchbelichtung an gegenüber liegenden Seiten gleichzeitig ausgebildet werden; und Figur 7 eine vereinfachte perspektivische Ansicht eines mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbaren Gelenkimplan tats zur Gewebeneubildung an einem Gelenk.

Die nachfolgende Beschreibung bezieht sich insbesondere auf ein Verfahren zur Herstellung eines Gelenkimplantats zur Ge webeneubildung an einem Gelenk. In gleicher Weise kann das Verfahren auch für die Herstellung von technischen Funktions materialen verwendet werden, bei dem ein Benetzungsverhalten an unterschiedlichen Oberflächenbereichen durch gezielte Än derung der Oberflächentopologien eingestellt werden kann.

Figur 1 zeigt eine vereinfachte Seitenansicht einer Vorrich tung zum schichtweisen Aufbau eines monolithischen Bauteils, wie sie zur Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet werden kann. Eine entsprechende Vorrichtung wird auch als sogenannter 3D-Drucker bezeichnet.

Ein derartiger beispielsweise von der Fa. Lithoz® hergestell ter 3D-Drucker basiert beispielsweise auf einer lithographie basierten Fertigungstechnik, wobei ausgehend von einem CAD- Modell des zu fertigenden Bauteils die entsprechenden Daten sätze direkt an eine nicht dargestellte Steuereinheit des 3D- Druckers übertragen werden.

Hierbei kann beispielsweise ein lichtpolymerisierbares Mate rial 1 in eine Wanne mit transparentem horizontalen Wannenbo den 2 eingebracht und beispielsweise mit einem in der Höhe einstellbaren Glättelement bzw. Rakel 3 gleichmäßig in der Wanne verteilt werden. Beispielsweise kann als lichtpolymeri sierbares Material 1 eine keramische Suspension (partikelbe ladene Dispersion, auch als Schlicker bezeichnet) verwendet werden. Eine in Z-Richtung (vertikal) bewegliche Plattform 4 wird hierbei in das lichtpolymerisierbare Material 1 bis zu einem vorbestimmten Abstand zum Wannenboden 2 eingetaucht und anschließend ein selektives Belichten des lichtpolymerisier- baren Materials 1 zum Ausbilden eines polymerisierten und an der Plattform anhaftenden 3D-Schichtkörpers durchgeführt. Die Höhe des polymerisierten Schichtkörpers entspricht hierbei dem vorbestimmten Abstand der Plattform 4 vom Wannenboden 2, während seine Grundfläche einer jeweiligen Belichtungsfläche entspricht. Das selektive Belichten kann folglich insbesonde re als orts-selektives Belichten verstanden werden.

Gemäß Figur 1 kann die selektive Belichtung bzw. Bestrahlung des lichtpolymerisierbaren Materials 1 durch eine Belich tungs-Einheit 5 von unten durch den transparenten Wannenboden

2 durchgeführt werden. Beispielsweise kann hierbei blaues Licht der Wellenlänge von ca. 465 nm verwendet werden. Durch die selektive Belichtung kann das lichtpolymerisierbare Mate rial 1 polymerisiert (vernetzt bzw. verfestigt) und als an der Plattform 4 anhaftender erster polymerisierter Schicht körper eines zu erzeugenden monolithischen Bauteils bzw. Grünkörpers 7 ausgebildet werden.

Anschließend kann die Plattform 4 mit dem ersten polymeri sierten Schichtkörper in Z-Richtung vertikal nach oben ver schoben werden, optional lichtpolymersisierbares Material 1 nach Bedarf nachgefüllt werden, optional mit dem Glättelement

3 eingeebnet bzw. gleichmäßig verteilt werden und schließlich wieder bis zu einem vorbestimmten Abstand des zuletzt polyme risierten Schichtkörpers zum Wannenboden 2 in das lichtpoly merisierbare Material 1 eingetaucht und (orts-)selektiv be lichtet werden, wodurch ein weiterer polymerisierter Schicht körper ausgebildet wird. Durch die Wiederholung dieser Schichtherstellungsschritte entsteht schließlich das ge- wünschte monolithische und dreidimensionale Bauteil 7 (Grün körper) aus einer Vielzahl von polymerisierten und aneinander haftenden Schichtkörpern, wobei eine Oberfläche des Bauteils in Z-Richtung zumindest teilweise eine treppenförmige Struk tur bzw. Topologie aufweisen kann.

Gemäß Figur 1 kann die Belichtungs-Einheit 5 eine digitale Mikrospiegel-Einheit 6 aufweisen, die die selektive Belich tung des lichtpolymersisierbaren Materials 1 ermöglicht.

Die Figur 2a zeigt eine vereinfachte Ansicht einer beispiels weise verwendeten Mikrospiegel-Einheit 6 und Figur 2b zeigt eine vereinfachte Ansicht eines Ausschnitts einer zugehörigen digitalen Mikrospiegel-Vorrichtung (DMD, Digital Micromirror Device), wie sie erfindungsgemäß zur Verwendung kommen kön nen.

Gemäß Figuren 2a und 2b kann die Mikrospiegel-Vorrichtung ei ne Vielzahl von in Reihen und Spalten angeordneten schwenkba ren Mikrospiegeln M aufweisen, welche von einer Lichtquelle bzw. Strahlungsquelle L bestrahlt werden können. Die Mikro spiegel M können über eine nicht dargestellte Steuereinheit derart angesteuert werden, dass sie das einfallende Licht (1. Strahl von rechts) entweder in Richtung der Plattform 4 zur Realisierung eines Bildpunktes bzw. Pixels P und zur Vernet zung des dort befindlichen lichtpolymersisierbaren Materials 1 reflektieren (2. Strahl von rechts) oder in Richtung eines Absorbers A (keine Vernetzung des im Bereich der Plattform 4 befindlichen lichtpolymersisierbaren Materials 1) ablenken (4. Strahl von rechts). In einem nicht angesteuerten (span nungslosen) Zustand kann das Licht von den schwenkbaren Mik rospiegeln M ebenfalls in Richtung des Absorbers A abgelenkt werden (3. Strahl von rechts), weshalb wiederum keine Vernet zung von lichtpolymersisierbaren Material stattfindet.

Gemäß Figur 2b kann die Mikrospiegel-Vorrichtung etwa 1000 bis 10000 Reihen und Spalten von Mikrospiegeln M aufweisen. Ferner kann ein Mikrospiegel M einen oder mehrere Pixel bzw. Bildpunkte P darstellen. Beispielsweise kann eine Mikrospie- gel-Vorrichtung mit einer Auflösung von 4096 x 2100 Pixel (4K) verwendet werden. Die Mikrospiegel M können beispiels weise quadratisch mit einer Seitenlange von ca. 10 gm bis 20 gm ausgebildet sein. Ferner kann gemäß Figur 2b ein tatsäch lich am Wannenboden 2 abgebildeter Bildpunkt bzw. Pixel P ei ne über eine Abbildungseinheit 0 einstellbare bzw. veränder bare Größe aufweisen. Die optische Abbildungseinheit 0 ist ebenfalls über eine nicht dargestellte Steuereinheit ansteu erbar und kann eine oder mehrere Linsen aufweisen. Alternativ können die Mikrospiegel M der Mikrospiegel-Vorrichtung auch nur zwei Zustände annehmen, wobei das reflektierte Licht ent weder in den Absorber A oder in die Abbildungseinheit 0 abge lenkt wird.

Das Verfahren zum schichtweisen Aufbau eines monolithischen Bauteils mit der Vorrichtung gemäß Figuren 1 und 2 kann bei spielsweise eine Auflösung von etwa 10-100pm in X-Y-Richtung und eine Auflösung von etwa 5-100pm in Z-Richtung realisie ren. Die maximalen 3D-Abmessungen für den auszubildenden Grünkörper 7 (3D-Druck) können beispielsweise 76 x 43 x 150 mm ³ aufweisen.

Nach der Fertigstellung des additiv hergestellten 3D-Schicht- körpers bzw. Grünkörpers 7 kann abschließend ein Reinigen, Entbindern und Sintern durchgeführt werden, wodurch man das finale monolithische Bauteil erhalten kann. Die in Figur 1 dargestellten Achsen X, Y und Z kennzeichnen die Hauptachsen des tatsächlichen Bauraums bzw. Fertigungs raums und werden nachfolgend auch als Bauraum-Orientierung bezeichnet .

Beispielsweise kann das lichtpolymerisierbare Material 1 ein Polymer, insbesondere PA, PER, PEKK, UHMWPE oder PCL; ein Metall, insbesondere Ti oder Edelstahl; eine Metall- Legierung, insbesondere Ti64 oder CoCr; eine Magnesium- Legierung, insbesondere Mg-Ca, Mg-Zr oder Mg-Zn; eine Kera mik, insbesondere A1203, Zr02 oder Ca3(P04)2; und/oder Si3N4 aufweisen. Dadurch kann beispielsweise ein mechanisch hoch festes Gelenkimplantat mit verbesserten Eigenschaften zur Ge webeneubildung bzw. ein technischer Funktionskörper mit ver besserten Eigenschaften hinsichtlich eines mechanischen Ver schleißes, einer Sensoranwendung, einer Kondensatoranwendung, einer Katalysatoranwendung, einer Elektrophorese und/oder ei ner gezielten Abscheidung von Materialien realisiert werden. Der Grünkörper kann entweder als partikelgefülltes Polymer bauteil eingesetzt werden oder nach einer nachfolgenden Pro- zessierung als metallisches/keramisches Bauteil vorliegen.

Grundsätzlich können auch weitere medizinisch zugelassene, bioinerte und biokompatible, sowie 3D-Druck-fähige Materia lien für das lichtpolymerisierbare Material 1 insbesondere zur Herstellung des Gelenkimplantats verwendet werden.

Figuren 3a und 3b zeigen vereinfachte perspektivische Ansich ten zur Veranschaulichung von Verfahrensschritten gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, wobei unterschiedliche Oberflä chentopologien aufgrund einer gezielten Veränderung einer Entwurfs-Orientierung eines Entwurfselements zu einer Bau raum-Orientierung ausgebildet werden.

In Figur 3a sind beispielhaft identische Entwurfselemente E mit unterschiedlicher Entwurfs-Orientierung (X _M , Y _M , Z _m) dar gestellt, wie sie in einer Entwurfsebene bzw. Designebene (CAD oder CAM) durch eine Drehung erzeugt werden können. Eine Vielzahl derartiger Entwurfselemente E kann ein (nicht darge stelltes) Entwurfs-Bauteil bilden.

Figur 3b zeigt zugehörige tatsächliche Bauteilelemente B, wie sie durch eine additive Fertigungstechnik in einem Bauraum (X, Y, Z) herstellbar sind. Wie in Figur 3b dargestellt ist, ergeben sich aufgrund der additiven Fertigungstechnik (schichtweiser Aufbau) für eine zu betrachtende Entwurfsober fläche 0 _M des linken Entwurfselements E stufenförmige Ober flächentopologien für die entsprechende Bauteiloberfläche 0 _B des linken Bauteilelements B.

Erfindungsgemäß kann nunmehr bereits beim Entwurf der jewei ligen Entwurfselemente E eine Entwurfs-Orientierung (X _M , Y _M , Z _m) derart gezielt verändert werden, dass für die zu betrach tende Entwurfsoberfläche 0 _M des Entwurfselements E eine un terschiedliche Oberflächentopologie und damit Oberflächenei genschaft realisiert wird. Genauer gesagt kann beispielsweise durch die in Figur 3a für das rechte Entwurfselement E darge stellte gezielte Veränderung der Entwurfs-Orientierung (X _M ,

Y _M , Z _m) gegenüber einer Bauraum-Orientierung (X, U, Z) in ei nem tatsächlichen Bauraum nunmehr eine glatte Bauteiloberflä che 0 _B erzeugt werden. Somit können in gezielt ausgewählten Bereichen eines zur erzeugenden Bauteils insbesondere hin sichtlich eines Benetzungsverhaltens, eines Abscheideverhal- tens und/oder einer Besiedlung mit Zellen lokal unterschied liche Oberflächeneigenschaften realisiert werden.

Die Figuren 4a bis 4c zeigen vereinfachte Ansichten zur Ver anschaulichung von Verfahrensschritten bei der selektiven Herstellung von unterschiedlichen Oberflächentopologien gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, wobei eine Verdrehung zwi schen den horizontalen Bauraum-Hauptachsen bzw. projezierten Mikrospiegel-Hauptachsen X, Y gemäß Figuren 2a und 2b zu den horizontalen Entwurfselement-Hauptachsen X _M , Y _M durchgeführt wird.

Figur 4a zeigt eine vereinfachte Draufsicht eines durch die Mikrospiegeleinheit 6 auf den Wannenboden 2 projezierbaren Bildpunktfeldes, welches die horizontalen Bauraum-Hauptachsen bzw. Mikrospiegel-Hauptachsen X, Y darstellt. Üblicherweise sind die Entwurfselement-Hauptachsen X _M ,Y _M des herzustellen den Bauteils parallel und nicht veränderbar zu diesen Mikro- spiegel-Hauptachsen X, Y ausgerichtet ( = 0°), wodurch bei spielsweise ein Schichtkörper S1 mit geraden (glatten) Sei tenflächen ausgebildet werden kann. Durch Verdrehung der Ent wurfselement-Hauptachsen X _M ,Y _M gegenüber den Mikrospiegel- Hauptachsen X,Y um einen Verdrehungswinkel können nunmehr unterschiedliche Oberflächentopologien an den Seitenflächen der ausgebildeten Schichtkörper S2 bis S4, wie in Figur 4a dargestellt, ausgebildet werden.

Gemäß Figur 4a kann demzufolge bei einem Verdrehungswinkel zwischen den Mikrospiegel-Hauptachsen X _M ,Y _{M (} horizontale Bau raum-Hauptachsen) gegenüber den Entwurfselement-Hauptachsen X,Y von = 45° eine Oberflächentopologie an den Seitenflä chen für einen Schichtkörper S4 ausgebildet werden, die im Wesentlichen durch die Abmessungen der auf den Wannenboden 2 projezierten Bildpunkte bzw. Pixel P definiert ist.

Die Figur 4b zeigt eine zugehörige perspektivische Ansicht der in Figur 4a dargestellten Draufsicht. Wie aus Figur 4c ersichtlich ist, kann bei einem aufeinanderfolgenden Schicht aufbau der Schichtkörper S1 bis S4 unter Änderung des Verdre hungswinkels von 0° bis 45° ein 3D-Körper 7 hergestellt werden, der in seinem oberen Bereich (Schichtkörper Sl) glat te Seitenoberflächen aufweist, während sein unterster Bereich (Schichtkörper S4) eine sehr raue (treppenförmige) Seiten oberfläche aufweist.

Somit kann gemäß diesem zweiten Ausführungsbeispiel durch Än derung eines Verdrehungswinkels zwischen den horizontalen Entwurfselement-Hauptachsen X _M ,Y _M und einer projezierten Rei- hen-/Spaltenausrichtung X,Y der Mikrospiegel-Einheit 6 wäh rend dem Wiederholen der Schichtherstellungsschritte eine Oberflächentopologie des monolithischen Bauteils 7 gezielt verändert werden, wodurch beispielsweise ein unterschiedli ches Benetzungsverhalten in unterschiedlichen lokalen Berei chen realisiert werden kann.

Die Figur 5 zeigt vereinfachte Ansichten von resultierenden 3D-Schichtkörpern zur Veranschaulichung von Verfahrensschrit ten bei der selektiven Herstellung von unterschiedlichen Oberflächentopologien gemäß einem dritten Ausführungsbei spiel, wobei eine Verkippung zwischen einer vertikalen Ent wurfselement-Hauptachse Z _M und einer vertikalen Bauraum- Hauptachse Z bzw. der Lotrechten des Wannenbodens 2 durchge führt wird. Gemäß Figur 5 bezeichnen X,Y die horizontalen Hauptachsen ei nes horizontalen Wannenbodens 2 und Z eine Lotrechte bzw. Senkrechte zu diesem horizontalen Wannenboden 2. Mit Z _M ist eine vertikale Entwurfselement-Hauptachse bezeichnet, entlang der die jeweiligen Schichtkörper wie vorstehend beschrieben ausgebildet werden.

Die Figur 5 zeigt als Bauteil einen Stab mit 16 verschiedenen Orientierungen zur Plattform bzw. zur vertikalen Hauptachse des Bauraums. Die vertikale Hauptachse Z _M des Entwurfs- Bauteils bzw. -Stabs Bn ist parallel zur Lotrechten Z des Wannenbodens. Die Stäbe B12 bis B14 neigen sich in der XZ- Ebene, während sich die Stäbe B21 bis B41 in der YZ-Ebene nei gen. Die weiteren in Figur 5a dargestellten Stäbe B22 bis B44 neigen sich sowohl in die XZ-Ebene als auch in die YZ-Ebene.

Die Entwurfselement-Hauptachse Z _M kann hinsichtlich der hori zontalen Hauptachsen des Wannenbodens in X-Richtung um einen Verkippungswinkel ß _x und in Y-Richtung um einen Verkippungs winkel ß _y gekippt werden. Ferner kann eine Verkippung sowohl in X- als auch in Y-Richtung stattfinden (ß _x , _y ).

Die Figur 5 zeigt ein monolithisches Bauteil Bn, welches mit einem Verkippungswinkel von ß _x = 0 und ß _y = 0 ausgebildet wor den ist, weshalb an den vier Seitenfläche des Bauteils kei nerlei treppenförmige Oberflächentopologien zu erkennen sind.

Gemäß Figur 5 sind in einer ersten Zeile drei weitere monoli thische Bauteile dargestellt, wobei ein Verkippungswinkel ß _x in X-Richtung jeweils vergrößert ist. Aufgrund des schicht weisen Aufbaus und der Verkippung in X-Richtung ergibt sich bei einem Verkippungswinkel von ß _x = 45° das in Figur 5a mit

B14 bezeichnete monolithische Bauteil, welches an seinen zwei in X-Richtung geneigten bzw. verkippten Seitenflächen eine stufenförmige Oberflächentopologie aufweist, während die in y-Richtung nicht geneigten bzw. verkippten Seitenflächen eine glatte Oberfläche aufweisen.

In ähnlicher Weise sind gemäß Figur 5 in einer ersten Spalte drei weitere monolithische Bauteile dargestellt, wobei ein Verkippungswinkel ß _y in Y-Richtung jeweils vergrößert ist. Aufgrund des schichtweisen Aufbaus und der Verkippung in Y- Richtung ergibt sich wiederum bei einem Verkippungswinkel von ß _y = 45° das in Figur 5 mit B bezeichnete monolithische Bau teil, welches an seinen beiden in Y-Richtung geneigten bzw. verkippten Seitenflächen eine stufenförmige Oberflächentopo logie aufweist, während die beiden in X-Richtung nicht ge neigten bzw. verkippten Seitenflächen eine glatte Oberfläche aufweisen .

In ähnlicher Weise sind gemäß Figur 5 in weiteren Reihen und Spalten weitere monolithische Bauteile dargestellt, wobei je weils ein Verkippungswinkel ß _x in X-Richtung und ß _y in Y- Richtung vergrößert ist. Aufgrund des schichtweisen Aufbaus und der Verkippung in X- und Y-Richtung ergibt sich bei spielsweise bei einem Verkippungswinkel von ß _x = 45° und ß _y = 45° das in Figur 5 mit B44 bezeichnete monolithische Bauteil, welches an seinen vier in X- und Y-Richtung geneigten bzw. verkippten Seitenflächen jeweils stufenförmige Oberflächento pologien aufweist.

Die stufen- bzw. treppenförmigen Oberflächentopologien können somit auch durch eine Verkippung der vertikalen Entwurfsele ment-Hauptachse Z _M zu einer vertikalen Bauraum-Hauptachse Z bzw. der Lotrechten des horizontalen Wannenbodens 2 gezielt verändert werden, wodurch sich wiederum ein Benetzungsverhal ten an den jeweiligen Oberflächen gezielt einstellen lässt.

Ferner kann als Fertigungsparameter der Abstand zwischen Plattform bzw. letztem polymerisierten Schichtkörper und dem Wannenboden während dem Wiederholen der Schichtherstellungs schritte verändert werden. Hierdurch können durch die Verän derung einer Höhe der jeweiligen Schichtkörper in vertikaler Richtung weiterhin unterschiedliche Oberflächentopologien ausgebildet werden.

Ferner können als Fertigungsparameter die Abmessungen der von den Mikrospiegeln M der Mikrospiegel-Einheit 6 reflektierten Bildpunkte durch die Abbildungseinheit 0 während dem Wieder holen der Schichtherstellungsschritte verändert werden. Hier durch können die Oberflächentopologien weiterhin verändert werden.

Figuren 6a bis 6c zeigen vereinfachte perspektivische Ansich ten zur Veranschaulichung von Verfahrensschritten gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, wobei durch eine Durchbelichtung unterschiedliche Oberflächentopologien gleichzeitig an gegen überliegenden Oberflächenseiten ausgebildet werden können.

Beispielsweise kann ein 3D-Körper mit der in Figur 6a gezeig ten Treppenstruktur durch aufeinanderfolgendes Ausbilden ei ner Vielzahl von polymerisierten Schichtkörpern S1 bis S5 in üblicher Weise ausgebildet werden. Die Plattform 4 ist in Fi gur 3a nicht dargestellt und würde sich über dem ersten Schichtkörper S1 befinden. Wie in Figur 6a dargestellt ist, verbleibt bei diesem aufeinanderfolgenden schichtweisen Auf bau jeweils lichtpolymerisierbares Restmaterial R in den Ecken und/oder Kanten einer resultierenden Treppenstruktur. Erfindungsgemäß kann dieser Nebeneffekt dahingehend genutzt werden, dass ein Belichtungsparameter derart verändert (z.B. erhöht) wird, dass beim selektiven Belichten (8) für das Ver netzen eines jeweiligen Schichtkörpers das in den Ecken und/oder Kanten der durchlichtseitigen Treppenstruktur (9) verbleibende lichtpolymerisierbares Restmaterial R durch ei nen darunterliegenden Schichtkörper (z.B. S5) hindurch be lichtet und ebenfalls in lichtpolymerisiertes bzw. vernetztes Restmaterial umgewandelt wird (R -> R'). Das auf der auf lichtseitigen Treppenstruktur (10) verbleibende Restmaterial R wird hingegen nicht belichtet (Mikrospiegel M reflektieren das Licht in den Absorber A), weshalb in diesem Bereich keine Polymerisierung bzw. Vernetzung des Restmaterials R stattfin det. Dieses nichtvernetzte Restmaterial kann bei der an schließenden Reinigung teilweise oder vollständig entfernt werden.

Gemäß Figuren 6b und 6c ergibt sich dadurch für die auflicht seitige Treppenstruktur (10) eine rauere Oberflächentopologie und für die durchlichtseitige Treppenstruktur (9) eine durch das vernetzte Restmaterial R' geglättete Oberflächentopologie (Ecken und/oder Kanten sind aufgefüllt mit polymerisierten Restmaterial R'), wodurch beispielsweise ein unterschiedli ches Benetzungsverhalten in diesen lokalen Bereichen reali siert werden kann.

Beispielsweise kann als Belichtungsparameter eine Belich tungsintensität verändert werden, wobei ein Energieeintrag der Strahlung in den jeweils untersten (auszubildenden) Schichtkörper S5 derart erhöht wird, dass auch noch das dar überliegende lichtpolymerisierbare Restmaterial R (durch-) belichtet wird. Somit wird nicht nur der eigentlich auszubil- dende Schichtkörper S5 sondern auch Restmaterial in einer darüberliegenden Schichtebene polymerisiert bzw. vernetzt, wodurch sich nach einem Reinigungsschritt die dargestellte Glättung der durchlichtseitigen Treppenstruktur 9 ergibt. Da andererseits im Bereich der auflichtseitigen Treppenstruktur 10 keine Belichtung von unten durchgeführt wird, findet auf dieser Seite keine Nachvernetzung des lichtpolymerisierbaren Restmaterials R statt, weshalb nach einem Reinigungsschritt auflichtseitig eine sehr scharfkantige Oberflächentopologie ausgebildet wird. Beispielsweise kann die Belichtungsintensi tät um einen Faktor 1,5 bis 2,5 gegenüber einer für eine vor bestimmte Schichtdicke normalen Belichtungsintensität erhöht werden.

Alternativ oder zusätzlich kann als Belichtungsparamter eine Belichtungszeit erhöht werden, wobei sich wiederum ein Ener gieeintrag der Strahlung in den untersten (auszubildenden) Schichtkörper S5 derart erhöht, dass auch noch das darüber liegende Restmaterial R (durch-) belichtet wird. Somit wird nicht nur der eigentlich auszubildende Schichtkörper S5 son dern auch lichtpolymerisierbares Restmaterial in einer dar überliegenden Schicht polymerisiert bzw. vernetzt, wodurch sich die dargestellte Glättung aufgrund des polymerisierten Restmaterials R' auf der durchlichtseitigen Treppenstruktur 9 ergibt. Wiederum wird im Bereich der auflichtseitigen Trep penstruktur 10 keine Belichtung von unten durchgeführt, wes halb auf dieser Seite keine Nachvernetzung des polymerisier baren Restmaterials R stattfindet und (z.B. bei einer Reini gung das nicht-vernetzte Restmaterial R entfernt und) eine sehr scharfkantige Oberflächentopologie ausgebildet wird. Beispielsweise kann die Belichtungszeit um einen Faktor 1,5 bis 3,5, vorzugsweise Faktor 2, gegenüber einer für eine vor- bestimmte Schichtdicke normalen Belichtungszeit verlängert werden.

Weiterhin kann alternativ oder zusätzlich durch Änderung ei ner Wellenlänge der verwendeten Strahlung ein Energieeintrag erhöht werden, um den vorstehend beschriebenen Effekt zu rea lisieren.

Obwohl hinsichtlich der Belichtungsparameter regelmäßig von Licht gesprochen wird, kann selbstverständlich jede Art von elektromagnetischer Strahlung (z.B. auch nicht sichtbares Licht, Röntgenstrahlen usw.) für das selektive Belichten ver wendet werden.

Gemäß diesem ersten Ausführungsbeispiel können demzufolge durch die gezielte Variation von Belichtungsparametern auf besonders einfache Weise und insbesondere gleichzeitig unter schiedliche Oberflächentopologien an gegenüberliegenden Sei ten eines 3D-Körpers bzw. monolithischen Bauteils in einzel nen Oberflächenbereichen ausgebildet werden.

Figur 7 zeigt eine vereinfachte perspektivische Ansicht eines mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbaren Gelenkimp lantats zur Gewebeneubildung an einem Gelenk.

Gemäß Figur 6 kann zumindest in einem Mantelbereich eine künstliche Trabekularstruktur ausgebildet werden, wobei eine Oberflächentopologie der jeweiligen Trabekel mit dem vorste hend beschriebenen Verfahren gezielt verändert werden kann. Durch die offene und für Körperflüssigkeiten durchlässige Trabekularstruktur des Gelenkimplantats wird grundsätzlich ein schnelles Besiedeln der trabekulären Oberfläche mit Zel len wie Chondroblasten oder Osteoblasten ermöglicht. Ferner kann durch die vorstehend beschriebene gezielte Veränderung der Oberflächentopologie (nicht sichtbar) ein Gelenkimplantat geschaffen werden, wobei in bestimmten Bereichen ein Wachstum eines regenerativen Faserknorpels bis hin zu einem hochwerti gen, hyalinen regenerativen Knorpels (Chondroblasten) und in anderen Bereich ein Knochenwachstum (Osteoblasten) begünstigt wird.

Vorzugsweise hat das Gelenkimplantat eine Länge von mindes tens 0,6 cm und maximal 1,2 cm für die patellare und Applika tion in Kleingelenken wie, z.B. dem Hand- oder Sprunggelenk und mindestens 0,8 cm und maximal 2,2 cm, insbesondere 1,0 cm bis 1,6 cm und weiter bevorzugt 1,25 cm, für die jeweils pro ximale und distale tibiale und femurale Applikation im Knie- und Hüftgelenk. Dadurch kann ein Optimum an Zugänglichkeit und Einwachsen von mesenchymalen Stammzellen ermöglicht wer den. Das Gelenkimplantat gemäß Figur 7 kann ferner einen Durchmesser D von mindestens 2 mm und maximal 6 mm, vorzugs weise 3 mm, aufweisen, wodurch ein Optimum an lateraler, der Synovia (Gelenkspalt) zugewandten Oberfläche zur Ausbildung von Ersatzknorpelgewebe erzielbar ist. Eine Dicke d der künstlichen Trabekularstruktur beträgt vorzugsweise 0,5 bis 2,0 mm, weiter bevorzugt 0,5 bis 1,5 mm.

Durch eine definierte, repetitive, an die natürliche Trabeku larstruktur angelehnte Netzstruktur der künstlichen Trabeku larstruktur oder eine Kanalstruktur mit entsprechend ange passter Form des Gelenkimplantats und insbesondere in Kombi nation mit dem vorstehend beschriebenen Verfahren zur Ausbil dung von unterschiedlichen Oberflächentopologien in gezielt ausgewählten Bereichen kann ein optimales Einwachsen von kör pereigenem Gewebe in das Grenzvolumen zwischen Gelenkimplan tat und Vertiefung bzw. Bohrkanal, insbesondere in das Innen volumen des Gelenkimplantats und oberhalb des zur Synovia zeigenden Endes des Gelenkimplantats ermöglicht werden. Erfindungsgemäß kann insbesondere ein Gelenkimplantat somit in seinem Deckenbereich und oberen Mantelbereich eine hydro phobe und damit eine eine chondroblastäre Differenzierung be günstigende Oberfläche aufweisen, während der Bodenbereich und der untere Teil des Mantelbereichs eine hydrophile Ober fläche zur Begünstigung einer osteoblastären Differenzierung von mesenchymalen Stammzellen aufweist. Dadurch kann im obe ren (der Synovia zugewandten) Bereich des Gelenkimplantats ein Knorpelwachstum und im unteren (dem Knochenmarkraum zuge wandten) Bereich des Gelenkimplantats ein Knochenwachstum be günstigt werden.

Alternativ können auch technische Funktionskörper wie z.B. Katalysatoren, Kondensatoren, Membrane usw. als derartige mo nolithische Bauteile mit lokal unterschiedlichen Oberflächen eigenschaften hergestellt werden. Aufgrund eines selektiv einstellbaren Benetzungsverhaltens können somit technische Funtionskörper (3D-Körper) gezielt und nur für definierte Be reiche z.B. mit elektrisch leitfähigem Material, mit kataly tisch wirksamen Material, mit verschleißfestem Material, mit Sensor-Material, mit Kondensator-Material usw. beschichtet werden. Hochkomplexe und sehr kleine Funktionskörper sind da mit erstmalig mit relativ geringen Kosten herstellbar.

Es sei darauf hingewiesen, dass jeder Schritt des vorstehend beschriebenen Verfahrens durch Computer-Programm-Befehle im plementiert sein kann. Diese Computer-Programm-Befehle können auf einen Computer oder ein anderes programmierbares Gerät geladen werden, um eine Vorrichtung zu erzeugen, wobei die im Computer oder einem anderen programmierbaren Gerät ausgeführ ten Befehle Mittel zum Implementieren der Funktionsweisen er zeugen, wie sie in den Verfahrensschritten beschrieben sind. Diese Computer-Programm-Befehle können ebenfalls in einem di gitalen Speichermedium, wie beispielsweise einer DVD, CD oder Diskette gespeichert sein, die einen Computer oder ein ande- res programmierbares Gerät zur Realisierung einer bestimmten Funktionalität anweist. Darüber hinaus können die Computer- Programm-Befehle bzw. der Programm-Code aus beispielsweise einem Telekommunikationsnetzwerk heruntergeladen werden, um Betriebsschritte hervorzurufen, die auf einem Computer oder einem anderen programmierbaren Gerät ausgeführt werden, um einen computer-implementierten Prozess zu erzeugen, der die Durchführung der Verfahrensschritte ermöglicht.

Die Erfindung umfasst daher ferner ein digitales Speicherme dium mit elektronisch auslesbaren Steuersignalen, die so mit einem Computer-System Zusammenwirken können, dass sie die be schriebenen Verfahrensschritte ausführen können. Ferner be zieht sich die Erfindung auf ein Computer-Programm-Produkt mit auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Pro gramm-Code zur Durchführung der beschriebenen Verfahrens schritte, wenn das Programm auf einem Rechner abläuft. Im Üb rigen betrifft die vorliegende Erfindung ein Computer- Programm mit Programm-Code zur Durchführung der vorstehend beschriebenen Verfahrensschritten, wenn das Programm auf ei nem Computer abläuft.

Die Erfindung wurde vorstehend anhand von bevorzugten Ausfüh rungsbeispielen beschrieben. Sie ist jedoch nicht darauf be schränkt und umfasst insbesondere auch Kombinationen der vor stehend beschriebenen Ausführungsbeispiele. Insbesondere kann eine Belichtung auch durch Laser anstelle der Mikrospiegel- Einheit erfolgen. Ferner können anstelle des beschriebenen Lithographieverfahrens auch andere additive 3-D- Druckverfahren verwendet werden. Bezugszeichenliste

1 lichtpolymerisierbares Material

2 Wannenboden

3 Glättelement

4 Plattform

5 Belichtungs-Einheit

6 MikroSpiegel-Einheit

7 monolithisches Bauteil (bzw. Grünkörper)

8 selektives Belichten

9 durchlichtseitige Treppenstruktur

10 auflichtseitige Treppenstruktur 11 Bildpunktfeld 12 Hubmechanismus

S1-S5 Schichtkörper

M Mikrospiegel

L Lichtquelle

A Absorber

P Bildpunkt (bzw. Pixel)

0 optische Abbildungseinheit

E Entwurfselement

OM Oberfläche Entwurfselement

B Bauteilelement

OB Oberfläche Bauteilelement

R lichtpolymerisierbares Restmaterial

R' lichtpolymerisiertes Restmaterial

X,Y horizontale Bauraum-Orientierung (Mikrospiegel-

Hauptachsen)

XM YM Z Entwurfselement-Orientierung

Z vertikale Bauraum-Orientierung (Lotrechte des Wannenbodens)

Verdrehungswinkel ßx Verkippungswinkel in x-Richtung ß _y Verkippungswinkel in y-Richtung

B ₁₁ -B ₄₄ bei Verkippung hergestellte Bauteile