Wir haben bereits einige coole Kompositmaterialien hergestellt, die ein großer Erfolg waren: Wir haben Materialien, die für den mechanischen Gebrauch geeignet sind, wie das Prusament PC Blend Carbon Fiber und Prusament PA11 Carbon Fiber hergestellt. Um den nächsten Schritt zu machen, haben wir uns entschlossen, ein hochentwickeltes metallgefülltes Filament zu machen, das eher für technische als für ästhetische Zwecke gedacht ist: Wir präsentieren Prusament PETG Tungsten 75%! Obwohl dieses Material in erster Linie für eine ganz bestimmte Gruppe von Anwendern gedacht ist, glauben wir, dass seine Entwicklung jeden in der 3D-Druck-Community interessieren wird. Dieses Filament hat viel zu bieten – seine nicht-reaktiven, hypoallergenen und ungiftigen Eigenschaften machen es ideal für verschiedene medizinische Anwendungen. Außerdem ist seine hohe Dichte perfekt, um komplexe strahlungsabschirmende Komponenten einfacher und schneller zu erstellen als mit herkömmlichen Methoden. Lassen Sie uns darüber im Detail sprechen.

Tungsten, auch bekannt als Wolfram (chemisches Symbol W, Ordnungszahl 74), ist eines der schwersten Metalle im Periodensystem. Mit seiner Dichte von etwa 19 Gramm pro Kubikzentimeter ist es mit Gold vergleichbar und es ist etwa 1,7 Mal dichter als Blei (chemisches Symbol Pb, Ordnungszahl 82). Aufgrund seiner Ordnungszahl kann Wolfram in verschiedenen Anwendungen als Material zur Abschirmung von Röntgen- und Gammastrahlen eingesetzt werden. Es ist ein weitgehend nicht reaktives Element, das weder mit Wasser, Sauerstoff noch mit Luft bei Raumtemperatur reagiert. Im Gegensatz zu Blei ist Wolfram hypoallergen und ungiftig, was es perfekt für medizinische Anwendungen geeignet macht.

Materialien mit einer so hohen Dichte sind in der Regel sehr schwierig zu bearbeiten, können sehr teuer sein, oder sogar giftig. Die inhärenten Eigenschaften dieser Materialien machen die klassischen Herstellungsmethoden unerwünscht. Die additive Fertigung bietet die Möglichkeit, komplexe/individuelle Abschirmkomponenten einfacher und manchmal zu geringeren Kosten herzustellen.

Strahlenabschirmung und mechanische Eigenschaften

Das Prusament PETG Tungsten 75% ist mit Wolframpulver (75 % der Masse) gefüllt und hat daher natürlich nicht die gleichen Abschirmungseigenschaften wie reines Wolfram. Wir haben die folgende Tabelle gemacht, um die Abschirmungseigenschaften von Prusament PETG Tungsten 75% im Vergleich zu reinem Blei und Wolfram zu verdeutlichen. Um die Tabelle zu verstehen, müssen wir einige grundlegende Begriffe erklären, die in der Strahlenschutzindustrie verwendet werden:

Dichte (g*cm^-3): Wenn Sie Optionen für den Strahlenschutz in Betracht ziehen, sind die wichtigsten Eigenschaften die Ordnungszahl und die Dichte des Materials. Blei und Wolfram sind die gebräuchlichsten Materialien zur Abschirmung von Röntgen- und Gammastrahlung. Deshalb vergleichen wir diese beiden (reinen) Metalle mit dem neuen Prusament.

Linearer Schwächungskoeffizient (µ): Dies ist eine Konstante, die den Anteil der geschwächten einfallenden Photonen in einem monoenergetischen Strahl pro Dickeneinheit eines Materials beschreibt. Je höher der lineare Abschwächungskoeffizient ist, desto größer ist die Abschwächungskapazität der Substanz und desto besser ist das Abschirmungsmaterial geeignet.

Halbwertsschicht HVL (mm): Bei den Eigenschaften der Strahlenabschirmung ist die Halbwertsschicht (HVL) ein wichtiger Parameter, über den man sprechen sollte. Sie stellt die Dicke des Materials dar, bei der die Intensität der Strahlung, die in das Material eindringt, um die Hälfte reduziert wird. Für die in der nuklearmedizinischen Bildgebung am häufigsten verwendete Gammastrahlungsenergie (140 keV, ^99mTc) hat reines Blei eine HVL von 0,256 mm, Wolfram kommt auf eine HVL von 0,191 mm. Mit anderen Worten: Sie brauchen weniger Wolfram als Blei, um ähnliche Abschirmungsergebnisse zu erzielen.

Vergleich der Strahlenabschirmungseigenschaften zwischen Prusament PETG Wolfram 75% und üblichen Abschirmungsmaterialien. Der lineare Schwächungskoeffizient von reinem Blei und reinem Wolfram wurde anhand der physics.nist.gov Datenbank und der Werte in diesem Artikel berechnet.

Die in der Tabelle angegebenen Ergebnisse (Dichte, μ und HVL) sind theoretisch für reines Blei und reines Wolfram. Die Dichte des Prusament PETG Tungsten 75% (4 g*cm^-3) wurde aus der Masse und den Abmessungen des Filaments berechnet. Sein μ stammt aus der Serie von Dämpfungsmessungen unter der Leitung von Ing. Jaroslav Ptáček. Jaroslav Ptáček, Ph.D. in der Abteilung für Medizinische Physik und Strahlenschutz am Krankenhaus Olomouc. Der HVL-Wert wurde dann einfach aus den experimentellen Daten berechnet.

Prusament PETG Tungsten 75% Testgerät. Der radioaktive Strahler ist auf diesem Foto nicht zu sehen.

Messmethode

Alle Messungen wurden mit metastabilem Technetium (^99mTc) durchgeführt. Bei den Dämpfungsmessungen wurde die Prusament PETG Tungsten 75% Probe einer bestimmten Dicke mit einer Quelle des Radioisotops ^99mTc bestrahlt. Die Abschwächung einer bestimmten Probe wurde mit Hilfe der engen Strahlgeometrie ermittelt. In der nuklearmedizinischen Diagnostik ist es das am häufigsten verwendete medizinische Radioisotop. Es wird als radioaktiver Tracer verwendet und sendet nachweisbare Gammastrahlen mit einer Photonenenergie von 140 keV aus.

Einige der getesteten Prusament PETG Tungsten 75% Muster. 

Die Testobjekte wurden mit Prusament PETG Tungsten 75% gedruckt, mit den folgenden Dicken: 0,1; 0,2; 0,3; 0,5; 1; 1,5; 2; und 3 mm. Die Messungen wurden senkrecht zur Oberfläche der Probe vorgenommen. Nach den Messungen berechneten wir die HVL (siehe die Ergebnisse unten).

Einbringen des metastabilen Technetiums (^99mTc) in das Testgerät.

Ergebnisse der Dämpfungsmessungen. Die Y-Achse zeigt die Menge der Gammastrahlung, die durch die getestete Probe hindurchgeht, die X-Achse stellt die Probendicke dar. Die berechnete HVL für Prusament PETG Tungsten 75% beträgt 1,402 mm (orange Markierung). Zum Vergleich: Die HVL für reines Blei ist 0,256 mm, die HVL für reines Wolfram ist 0,191 mm.

Das Prusament PETG tungsten 75% kann mit einer 0,4 mm Düse gedruckt werden, ohne dass ein Verstopfen zu befürchten ist, das beim Drucken von metallgefüllten Filamenten häufig auftritt. Wir haben das Wolfram-Feinpulver mit PETG aufgrund seiner guten Druckbarkeit, Beständigkeit gegen Strahlung und Chemikalien (z.B. verschiedene Desinfektionslösungen) gebunden. Die vollständigen mechanischen und strahlenabschirmenden Eigenschaften finden Sie in unserem technischen Datenblatt, aber hier sind die wichtigsten Parameter:

• Reine Wolfram-Abschirmungseigenschaften: HVL von 0,191 mm (^99mTc, 140 keV)
• Prusament PETG Wolfram 75% Abschirmungseigenschaften: HVL von 1,402 mm (^99mTc, 140 keV)*
• Bindendes Polymer: PETG
• Wolframgehalt: 75% der Masse
• Schlagzähigkeit: 22 kJ/m²
• Zugstreckgrenze: 39 MPa
• Stahlhärte: 79D
• HDT: für 0,45 MPa 94,2 °C; für 1,80 MPa 86,0 °C
• Gehärtete Düse erforderlich: Ja

*Wie bei den Materialtests festgestellt wurde, gibt es viele Faktoren, die das Gesamtergebnis beeinflussen, wie z.B. der Zustand des 3D-Druckers, das Slicen, usw. Daher können die Abschirmungseigenschaften Ihrer Drucke leicht abweichen.

Beachten Sie, dass das Prusament PETG Tungsten 75% Druckprofil nicht in PrusaSlicer enthalten ist. Bitte laden Sie das Config-Bundle (MK3S+) hier herunter. Wenn Sie ein Druckprofil für einen anderen Original Prusa 3D-Drucker benötigen, kontaktieren Sie unseren Support und wir helfen Ihnen gerne weiter.

Wie funktioniert es in der Praxis?

Wir haben versucht, einen Proof of Concept mit einer Abschirmvorrichtung für Spritzen zu machen, die mit nuklearmedizinischen Radiopharmaka verwendet werden. Wir haben das Prusament PETG Tungsten 75% verwendet, um ein gewünschtes Teil mit einer Dicke von ca. 8 mm dicker Abschirmung zu drucken, was 5,7 HVLs entspricht (basierend auf ^99mTc). Dieses Gerät wurde speziell für das Infusionssystem für Radiopharmazeutika entwickelt, das im Krankenhaus Olomouc in seinen Labors verwendet wird. Mit unserem 3D-gedruckten Teil kann das Krankenhauspersonal zwischen mehreren Spritzenabschirmungen wechseln.

Prusament PETG Tungsten 75% gedruckte Abschirmung

Obwohl die 3D-gedruckte Abschirmung erheblich dicker war als das reine Wolfram, das im Handel verwendet wird, war der 3D-Druck deutlich schneller (wenn man die Bestellung, den Transport usw. berücksichtigt). In manchen Fällen kann die Bestellung von Ersatzteilen zu kompliziert sein und das Prusament PETG Tungsten 75% kann dabei helfen, einen geeigneten Ersatz zu schaffen. Dies birgt großes Potenzial für verschiedene schnelle Reparaturen und Verbesserungen bei radiologischen Instrumenten. Und schließlich kann die additive Fertigung bei einigen Teilen nicht nur Zeit, sondern auch Geld sparen.

Preis, Farbe und Gewicht

Normalerweise machen wir Filamente in verschiedenen Farben für ästhetische Zwecke. Technische Materialien, insbesondere metall- und kohlenstoffgefüllte, werden jedoch in der Regel durch das feine Pulver im Inneren des Polymers gefärbt. Deshalb ist unser Wolfram-Filament nur in dunklem Metallic-Grau gefärbt. Die Standardspule enthält 1 kg Material, was 100 m Filament entspricht. Daneben bieten wir aber auch 100g-Proben an, die ca. 10 m Filament enthalten. Bitte beachten Sie, dass aufgrund des hohen Wolframanteils das Gesamtvolumen des Materials deutlich geringer ist. Der Preis für 1 kg Material beträgt 229 USD / 249 EUR (inkl. MwSt.), die 100g Probe kostet 23,99 USD / 25,99 EUR (inkl. MwSt.).

Kalibrieren Sie Ihren Drucker mit unserem Tool, bevor Sie große und schwere Teile drucken

Bitte bedenken Sie, dass Sie den Drucker in seinem bestmöglichen Zustand benötigen. Jegliche Verstopfung oder andere Mängel führen zu schlechteren Strahlungsabschirmungseigenschaften. Wir können zwar nicht garantieren, dass Sie genau die gleichen Werte erhalten, die wir in unseren Tests gefunden haben, aber wir können Ihnen helfen, die bestmöglichen Ergebnisse zu erzielen. Dazu haben wir diesen Kalibrierungsblock entworfen, der mindestens 5,4g wiegen sollte, wenn er gedruckt ist. Wir empfehlen Ihnen, ihn zu drucken und zu wiegen, bevor Sie mit der Erstellung großer und schwerer Teile beginnen. Auf diese Weise können Sie herausfinden, ob Ihr Drucker im besten Zustand ist, der für ein erfolgreiches Drucken mit Prusament PETG Tungsten 75%. Wenn Sie Fehler auf dem Block sehen oder feststellen, dass das Gewicht deutlich unter 5,4g liegt, reinigen Sie Ihren Drucker gründlich und wiederholen Sie den Vorgang. Abschließend empfehlen wir Ihnen, Ihre Drucke zu testen, um die genaue HVL herauszufinden, so wie wir es mit dem metastabilen Technetium getan haben.

Ein Vergleich von zwei 3D-gedruckten Blöcken, der linke repräsentiert einen gut kalibrierten Drucker, der rechte zeigt Unter-Extrusion (möglicherweise eine teilweise verstopfte Düse).

Typische Anwendungen

Was die beste Verwendung angeht, so haben wir das Prusament PETG Tungsten 75% zum Teil für medizinische Anwendungen (z.B. Radiologie) entwickelt, aber wir zielen auf die gesamte Strahlenschutzindustrie ab. Dazu gehören zum Beispiel die Luft- und Raumfahrt, die Kernenergieindustrie, die zerstörungsfreie Prüfung, Röntgenbildgeräte usw. Wir sind uns bewusst, dass das Prusament PETG Tungsten 75% nicht für die Allgemeinheit gedacht ist, sondern eher für die spezialisierte Forschung und den Einsatz im High-End-Bereich. Wir glauben, dass wir schon bald viele fantastische Abschirmteile sehen werden, die von Ihnen entworfen und gedruckt werden. Wenn Sie Ideen haben, die unsere Zusammenarbeit erfordern, lassen Sie es uns bitte wissen. Wir sind immer bereit, etwas Neues auszuprobieren!

Examples of usage

Abschirmung von Radiopharmazeutika	Abschirmung von Radiopharmazeutika (vollständig demontiert)
Testgerät für diagnostische Radiologiegeräte (Der quadratische Boden ist mit reinem Prusament PETG gedruckt)	Testwerkzeug für diagnostische Radiologiegeräte, die unter dem Röntgenstrahl fotografiert werden (Die konzentrischen Kreise sind mit Prusament PETG Tungsten 75% gedruckt, das helle Quadrat ist das reine PETG)
Maßgeschneiderte Gammakamera-Kollimatoren	Maßgeschneiderte abschirmende Abdeckung (Zur Verwendung in Röntgenräumen)