Verbundprojekt: Erforschung einer neuartigen ZnMg-Legierung für die additive Fertigung von bioresorbierbaren Implantaten mit integrierter algorithmenbasierter Gitterstruktur (BioStruct); Teilvorhaben: Erforschung von neuartigen ZnMg-Legierung und Implementierung von Gitterstrukturen basierend auf Algorithmen - LeGit

Abstract

Gegenstand des BioStruct-Projektes sind Untersuchungen zur additiven Verarbeitung von bio-resorbierbaren Zink-Magnesium (ZnMg)-Legierungen. Das übergeordnete Ziel ist die Herstellung lasttragender, patientenindividueller Implantate mit Degradationseigenschaften zur vollständigen Auflösung im Körper ohne Schädigung des umliegenden Gewebes. Aus den Ausgangswerkstoffen Zn und ZnXMg wird ein Pulvergemisch hergestellt, um laserbasiert mittels Powder Bed Fusion of Metals using a Laser Beam (PBF-LB/M), im Rahmen des Berichtes als Laser Powder Bed Fusion (LPBF) bezeichnet, Probekörper aus ZnxMg in unterschiedlichen Zusammensetzungen herzustellen. Dazu wird zunächst die relative Bauteildichte im Querschliff anhand quaderförmiger Probekörpern ermittelt, die mit verschiedenen Verfahrensparametern hergestellt sind. Zudem werden die statischen mechanischen und mikrostrukturellen Eigenschaften bestimmt. Der Einfluss von Legierungszusammensetzung, Laserleistung, Scangeschwindigkeit und Hatchabstand auf die erreichbare relative Bauteildichte, die Entstehung von Defektstrukturen und Ausbildung der Mikrostruktur werden beschrieben. Dabei werden Handlungsempfehlungen zur Vermeidung von Defektstrukturen und Herstellung von Probekörpern mit einer relativen Bauteildichte > 99,5% aufgezeigt. Die untersuchten ZnMg-Legierungen weisen ein untereutektisches Gefüge mit dendritisch ausgeprägten Zn-Primärphasen, hexagonaler Gitterstruktur und interdendritisch, eutektischer Zn+Mg2Zn11-Phase auf. Eine erhöhte Festigkeit bei abnehmender Duktilität wird für Zn1Mg im Vergleich zu Zn0,5Mg nachgewiesen. Auf Basis der Untersuchungen an quaderförmigen Volumenkörpern mit 5 mm Kantenlänge werden die Abmessungen auf Scaffoldstrukturen mit einem Strebendurchmesser von 200 μm übertragen und eine Maßhaltigkeit von ± 20 μm erreicht. Aufgrund der geringen zu belichtenden Fläche sind bei Scaffoldstrukturen die Scanvektoren entsprechend verkürzt. Als Folge wird die Oberflächenrauheit vergrößert und die Maßhaltigkeit nimmt ab. Durch anschließende abrasive Nachbearbeitung kann die seitliche Flächenrauheit auf Sa = 2,85 μm verkleinert werden. Auf Grundlage dieser Ergebnisse werden Handlungsempfehlungen zur reproduzierbaren Herstellung komplexer Geometrien aus der niedrigverdampfenden ZnMg-Legierung mittels LPBF abgeleitet. Die Prozesskette zur Fertigung von Probekörpern aus ZnMg-Legierungen umfasst die Schritte Datenaufbereitung, LPBF-Prozess mit angepasster Belichtungsstrategie und Nachbearbeitung. Die erforschte Prozesskette wird anhand eines parametrisch ausgelegten Gitter-Demonstrator für Tierversuche und eines individuellen Kieferimplantats anwendungsorientiert demonstriert. Dabei werden durch das parametrische Design die Anforderungen an das Implantat in das patientenindividuelle Design, basierend auf der Datenbank, umgesetzt. Bspw. können die Art der Elementarzelle, der Strebendurchmesser oder die Zellgröße angepasst werden.