Sensorunterstützte Prozessentwicklung für die laseradditive Fertigung von Implantaten mit komplexen Außengeometrien und Innenstrukturen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Stefan Kaierle
• Fachliche Zuordnung: Materialien und Werkstoffe der Sinterprozesse und der generativen Fertigungsverfahren ; Biomaterialien
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 449916462

Im Rahmen von Teilprojekt 1 der Forschungsgruppe 5250 wird die sensorgestützte additive Fertigung von Implantaten mit komplexen Außengeometrien und Innenstrukturen mittels selektivem Laserstrahlschmelzen (PBF-LB/M) adressiert. In der ersten Förderperiode konnten bereits umfangreiche Ergebnisse zur Herstellung komplexer permanenter Implantate aus der Titanlegierung Ti-6Al-4V generiert werden. Darauf aufbauend steht in der zweiten Förderperiode die Verarbeitung der Magnesiumlegierung WE43 zur Herstellung maßgeschneiderter bioresorbierbarer Implantate im Zentrum der Untersuchungen. Durch das Adressieren sowohl prozess- als auch systemseitiger Fragestellungen wird ein ganzheitlicher Forschungsansatz angestrebt. Zusätzlich werden die Forschungsarbeiten zur Herstellung von Titanimplantaten fortgeführt und vertieft. Dabei stehen Analysen der Reproduzierbarkeit in Abhängigkeit der Fertigungsrandbedingungen (z.B. Pulveralterung) im Fokus der Arbeiten. Im Rahmen einer umfassenden Prozessentwicklung zur Herstellung von TPMS-Gittern aus WE43 werden die Wirkzusammenhänge zwischen Prozessparametern, dem Bauteildesign und den resultierenden Bauteileigenschaften detailliert beleuchtet. Unter Verwendung effizienter statistischer Versuchsplanung und -optimierung werden empirische Modelle zur Beschreibung dieser Wirkzusammenhänge aufgestellt, wodurch die Prozessgrenzen eruiert und ein profundes Prozessverständnis erarbeitet werden. Die Auslegung und Integration eines für die Verarbeitung von Magnesiumlegierungen angepassten Prozessüberwachungssystems soll die Quantifizierung der thermischen Prozessrandbedingungen erlauben und somit die fundierte Analyse der Prozess-Gefüge-Eigenschafts-Beziehungen bei der Herstellung komplexer Strukturen ermöglichen. Insbesondere die Verknüpfung des prozessspezifischen Gefüges mit den mechanischen Eigenschaften und der Korrosionsbeständigkeit bzw. dem Degradationsverhalten der hergestellten Strukturen stellt hierbei einen elementaren Aspekt dar. Dabei kommen die Synergieeffekte des interdisziplinäreren Konsortiums zum Tragen, welche eine ganzheitliche Prozess-, Bauteil- und Werkstoffuntersuchung ermöglichen. Aufbauend auf dem erlangten Prozessverständnis und dem entwickelten Monitoringsystem wird eine Anomalie- und Defekterkennung beim PBF-LB/M von WE34 erprobt. Neben der additiven Verarbeitung selbst, werden Wärmebehandlungen hinsichtlich deren Eignung für additiv verarbeitetes WE43 untersucht und deren Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften und das Korrosionsverhalten analysiert. Durch das Vereinen prozess- und werkstoffseitiger Analysen bei der Herstellung komplexer Implantate, die Entwicklung und Erprobung angepasster Monitoringkonzepte sowie die Erweiterung der Prozesskette durch angepasste Wärmebehandlungen wird ein tiefgreifendes Prozess- und Werkstoffverständnis erarbeitet und der Grundstein für die künftige additive Herstellung permanenter und bioresorbierbarer Implantate gelegt.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 5250: Mechanismenbasierte Charakterisierung und Modellierung von permanenten und bioresorbierbaren Implantaten mit maßgeschneiderter Funktionalität auf Basis innovativer In-vivo-, In-vitro- und In-silico-Methoden