Additive Fertigung von massiven und offenporigen Formkörpern aus beta-Titan-Niob und werkstoffspezifische Einstellung ihrer mechanischen Eigenschaften für individualisierte Implantatanwendungen

• Antragstellerinnen: Dr. Annett Gebert; Professorin Dr.-Ing. Martina Zimmermann
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen ; Biomaterialien
• Förderung: Förderung seit 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 419952351

In diesem Vorhaben erfolgen grundlegende Studien zu Struktur-Eigenschafts-Beziehungen von Gitterstrukturen, die auf der Basis von dreifach periodischen Minimalflächen (TPMS) gestaltet und aus β-Ti-42Nb durch pulverbettbasiertes Laserstrahlschmelzen (LPBF) prozessiert werden. Die numerischen und experimentellen Arbeiten zielen darauf ab, die Kombination aus biomimetischem Design, biokompatiblem Material und individualisierbarer Herstellung für zukünftige Knochenimplantatanwendungen zu erschließen. Erste Arbeiten konzentrieren sich auf die Prozessparameter- und Designabhängigkeit von mesostrukturellen Imperfektionen wie Oberflächenrauheit und Formabweichung. Aus den mittels CT-Messungen bestimmten Parametern zur Soll-Ist-Abweichung wird ein Regressionsmodell zur Vorhersage für das Auftreten von LPBF-inhärenten Gitterfehlern in verschiedenen TPMS-Strukturen abgeleitet. Zudem wird ein prozessphysikalisches Modellierungskonzept für die numerische Rekonstruktion der charakteristischen defektbehafteten Mesostruktur entwickelt, das Aussagen über die mit Imperfektionen einhergehenden mechanischen Implikationen erlaubt. Die Korrelation von experimentellen und numerischen Daten liefert hierbei wertvolle Einblicke in die jeweiligen Anteile der verschiedenskaligen Defekttypen (Rauheit, Formabweichung) an der Gesamtstrukturdegradation. Auf der Basis gezielter Prozessparametermodulation werden gradierte TPMS-Gitter mit hoher Form- und Maßgenauigkeit gefertigt und die lokalen mechanischen Eigenschaften u. a. mittels Nanoindentationsmessungen charakterisiert. Die Studien zielen darauf ab, potenzielle Zusammenhänge zwischen der Gittermorphologie und den resultierenden Eigenschaften zu identifizieren, wobei insbesondere der Einfluss der Lage im Gitter (Zentrum/Peripherie) sowie der heterogenen Gradierungsbereiche untersucht wird. Die hochaufgelösten Werkstoffdaten werden durch Multimaterial-Formulierungen in FE-Berechnungen integriert und die numerischen Ergebnisse mit den begleitend erfolgenden in situ DIC-Verformungsauswertungen verglichen. Ermüdungsversuche an biomimetischen TPMS-Scaffolds und begleitende SEM/EBSD-Analysen liefern Einblicke in die Korrelation von Gefügemorphologie und -textur einerseits und Schadensinitiierung und -akkumulation andererseits. Hierbei werden neben der as-built Konfiguration auch durch Wärmebehandlung veredelte Legierungszustände betrachtet. Schließlich werden Berechnungsvorschriften für die Ermüdungslebensdauer abgeleitet. Durch den ganzheitlichen Forschungsansatz bestehend aus additiver Fertigungstechnik, innovativer Materialwissenschaft und effizienter FE-Simulation schafft dieses Vorhaben die Grundvoraussetzung für den künftigen Einsatz von biomimetischen TPMS-Gittern aus der biokompatiblen LPBF-prozessierten Ti-42Nb-Legierung als Knochenimplantate.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: USA
• Mitverantwortlich: Professor Dr.-Ing. Markus Kästner
• Kooperationspartner: Professor Dr. Udo Schwarz