Herstellung, Charakterisierung und pulverbettbasiertes Laserstrahlschmelzen biodegradierbarer Kompositpulver

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Michael Schmidt; Professor Dr. Nicolas Vogel
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 491804341

Additive Fertigungsprozesse wie das pulverbettbasierte Laserstrahlschmelzen gewinnen zunehmend an Bedeutung zur Herstellung komplexer Bauteile mit individualisierter Form. Besonders im biomedizinischen Sektor sind solche Verfahren zur personalisierten Fertigung passgenauer Implantate. Einen wesentlichen, limitierenden Faktor in diesem Feld stellt die Verfügbarkeit geeigneter Kompositpulver dar, die biodegradierbare Polymere mit funktionellen Additiven kombinieren. Das Ziel unseres Projektes ist die Erweiterung dieses verfügbaren Materialspektrums durch die Entwicklung einer neuen, „bottom-up“ Plattform zu Herstellung definierter Kompositpulver. Unser Ansatz verwendet Suprapartikel als Pulvermaterialien, die sich aus der kontrollierten Selbstorganisation definierter Primärpartikelmischungen herstellen lassen. Diese Suprapartikel bieten mehrere wichtige Vorteile für das Pulverbett Laserstrahlschmelzen: i) eine breite Palette polymerer Materialien wird durch etablierte Methoden wie Miniemulsionsprozesse als Pulversysteme zugänglich, ii) die Komposition kann durch die Mischung der Primärpartikel präzise eingestellt werden und führt zu homogenen Verteilungen der Komponenten auf nanoskaliger Ebene im hergestellten Bauteil, iii) eine definierte und einstellbare Oberflächenrauheit resultiert aus der Größe der Primärpartikel und fördert Fließfähigkeit und damit ein homogenes und dichtes Pulverbett. Die Vorteile dieses Prozesses sollen am Beispiel eines biomedizinisch-relevanten Materialsystems bestehend aus bioabbaubaren Polyactid Polymerpartikeln mit funktionellen Additiven zur Steuerung der resultierenden Eigenschaften gezeigt werden. Um die neuen Pulversysteme effektiv verarbeiten- und die verschiedenen Freiheitsgrade im Pulverdesign realisieren zu können, muss ein materialschonender Druckprozess etabliert werden. Dieser bedingt die Entwicklung einer Desktop-Laserstrahlschmelzanlage zur Verarbeitung kleiner Pulvermengen. Des Weiteren spielt die Interaktion zwischen der Laserstrahlquelle und der Struktur der Pulverpartikel eine entscheidende Rolle für die resultierenden Bauteileigenschaften. Standardmäßig werden für das Laserstrahlschmelzen von thermoplastischen Kunststoffen CO2 Laser verwendet, da Polymere im langwelligen IR-Spektralbereich ein hohes Absorptionsvermögen aufweisen. Dieses führt jedoch zu einem hohen Wärmeeintrag und riskiert daher die Degradierung thermolabiler Biopolymere wie PLA und eingebrachter therapeutischer Moleküle. Im Projekt wird daher ein Wechsel zu einem Diodenlasersystem (445nm) angestrebt, das die volumenartige Einkopplung der Laserstrahlung direkt über beigesetzte Nanopartikel ermöglicht und somit weniger Energie in das Pulver einbringen muss. Übergreifendes Ziel des Projekts ist die Etablierung fundamentaler Prozess-Struktur-Eigenschaftsbeziehungen, die eine Optimierung des Druckprozesses und der resultierenden Eigenschaften über die Struktur, Morphologie und Komposition der Suprapartikel-Pulver ermöglicht.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen