Rubin - reACT - Vertical 3: Bone Repair - Erforschung konduktiv stimulativer Osteosyntheseimplantate für kritische Knochendefekte; TP 3.2: Prozessierung resorbierbarer Implantate auf Eisenbasis mittels Micro Laser Powder Bed Fusion

Abstract

Im Teilprojekt 3.2 des RUBIN‑Bündnisses „reACT – Vertical 3: Bone Repair“ wird eine Prozesskette zur additiven Fertigung resorbierbarer Osteosyntheseimplantate auf Eisenbasis mittels Micro Laser Powder Bed Fusion (µ‑LPBF) entwickelt. Ziel ist die Herstellung mechanisch stabiler, bioresorbierbarer Implantate mit filigranen Strukturen < 100 µm und anwendungsrelevanter Degradationsrate.

Auf Basis einer Literaturrecherche und in Abstimmung mit den Verbundpartnern wird das System Fe–Mn–Si als Zielsystem definiert; Fe35Mn6Si wird als Ziellegierung festgelegt. Rapid‑Alloy‑Development‑Versuche mit Elementarpulvern zeigen jedoch deutliche Grenzen dieses Ansatzes (starke Inhomogenität, schlechte Fließfähigkeit) und führen zur Ableitung klarer Anforderungen an zukünftige Pulver (sphärische Partikel, Feinkorn < 25 µm). Erste Ultraschall‑Verdüsungen von Fe35Mn7Si ergeben gut sphärische, fließfähige Pulver, jedoch mit zu grober Korngrößenverteilung, was die notwendige Weiterentwicklung von Hochtemperatur‑Konfiguration und Klassierung verdeutlicht.

Die µ‑LPBF‑Laboranlage wird für Fe‑Mikropulver qualifiziert, der vibrationsangeregte Pulverauftrag optimiert und eine kamerabasierte Pulverbettüberwachung implementiert. Mit einem gasverdüsten Fe35Mn‑Mikropulver (< 25 µm) wird ein robustes Prozessfenster erarbeitet, das relative Werkstoffdichten bis > 99,5 % und Strukturauflösungen von etwa 70–100 µm erlaubt. Gepulste Strategien ermöglichen Wandstärken bis ~73 µm und As‑built‑Rauheiten von Sa < 4 µm. Gefügeanalysen identifizieren Manganoxid‑Ausscheidungen in Schmelzbadüberlappungen als korrosionsaktive Zonen und verknüpfen Prozessführung, Legierungshomogenität und Degradationsverhalten.

Auf dieser Basis werden Wirbelsäulen‑Cages aus Fe35Mn ohne makroskopisch messbaren Magnetismus sowie Scaffold‑Segmente für Critical‑Bone‑Size‑Defects und standardisierte Coin‑Proben bereitgestellt. Das Projekt schafft damit eine belastbare Grundlage für weiterführende mechanische und biologische Untersuchungen sowie die Übertragung des µ‑LPBF‑Ansatzes auf resorbierbare Fe‑Mn‑Si‑Legierungen und weitere Indikationen.