Lasersinteranlage zur Verarbeitung von hochreaktiven Metallpulvern
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Gerät wurde für Untersuchungen zum selektiven Laserstrahlschmelzen von Magnesium und Magnesiumlegierungen zur Herstellung von individuellen und bioresorbierbaren Implantaten verwendet. Die Untersuchungen wurden im Rahmen eines von der DFG geförderten Projektes durchgeführt. Die Untersuchungen hatten das Ziel, den selektiven Laserstrahlschmelzprozess für Magnesium und Magnesium grundlegend zu entwickeln und erstmalig individuelle und bioresorbierbare Implantate auf Magnesiumbasis zur Erprobung im Kleintiermodell bereitzustellen. Das selektive Laserstrahlschmelzen von Magnesium und Magnesiumlegierungen ist seit 2009 Gegenstand der Forschung. Der Prozess stellt jedoch eine besondere Herausforderung dar, sodass erst 2012 ein Bauteil gezeigt wurde. Die Herausforderungen wurden begründet durch die hohe Verdampfungsneigung von Magnesium im Laserstrahlschmelzprozess, auftretenden Prozessfehlern sowie möglichen Oxidationsprozessen. 2009 begannen parallel zu den veröffentlichten Untersuchungen erste Untersuchungen zur Machbarkeit am LZH, die Grundlage für die Beschaffung des Gerätes und des assoziierten Forschungsprojektes waren. Im Rahmen des Projektes wurde zunächst an einem Reinmagnesiumpulverwerkstoff der Prozess mit den Gerät grundlegend untersucht und erstmalig Bauteile aus Reinmagnesium hergestellt. Aufbauend auf diese Ergebnisse wurden ergänzende Untersuchungen mit dem Gerät an einer Magnesium-Calcium-Legierung sowie einer WE43-Legierung mit Yttrium und seltenen Erden durchgeführt. Mit allen Legierungen konnten die für das Forschungsprojekt notwendigen bioresorbierbaren Implantate verlässlich und in großen Stückzahlen hergestellt werden. Für alle Werkstoffe wurde eine Bauteildichte von > 90 % erzielt, wobei mit der WE43-Legierung sogar Maximaldichten von > 99 % erzeugt wurden. Mit den Ergebnissen der Untersuchungen sowie ergänzenden Untersuchungen konnte die Herausforderung des selektiven Laserstrahlschmelzens von Magnesium und Magnesiumlegierungen näher spezifiziert werden. Die Herausforderung liegt in der hohen Reaktivität von Magnesium, welche zur schnellen Ausbildung von Magnesiumoxidschichten auch im Prozess unter einer Schutzgasatmosphäre führt. Diese Oxidschichten behindern die Benetzungsprozesse der Schmelze und somit den selektiven Laserstrahlschmelzprozess. Die Verwendung von Magnesiumlegierungen mit Calcium und seltenen Erden können den Prozess signifikant verbessern. Die WE43-Legierung zeigt hier die beste Prozesssierbarkeit, da Dichten von > 99 % und Strukturauflösungen von 400 μm erzielt werden können. Dieses ist durch die hohe Reaktivität der Legierungselemente begründet. Die Oxide der Legierungselemente werden vorwiegend ausgebildet und können auch Magnesiumoxid reduzieren. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das selektive Laserstrahlschmelzen von Magnesium und Magnesiumlegierungen mit dem Gerät erstmalig systematisch untersucht und für die Implantatfertigung verwendet. Die Herausforderungen des Prozesses wurden näher spezifiziert und das Prozessverständnis somit maßgeblich erweitert. Die Ergebnisse dieser Arbeit sind somit die Grundlage für alle weiteren Untersuchungen im Bereich des selektiven Laserstrahlschmelzens von Magnesium und Magnesiumlegierungen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Selective Laser Melting of Magnesium and Magnesium Alloys. In: Magnesium Technology 2013. Tagungsband zu "142th TMS Annual Meeting: Magnesium Technology 2013", 3.-7. März 2013, San Antonio. Hoboken: Wiley, 2013. ISBN: 978-1-11860-552-3, S. 65-68
Gieseke, M.; NöIke, C.; Kaierle, S.; Wesling, V.; Haferkamp, H.
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Selective Laser Melting of Magnesium Alloys for Manufacturing Individual Implants. In: Proceedings of the Fraunhofer Direct Digital Manufacturing Conference 2014. 12.-13. März 2014, Berlin
Gieseke, M.; Wilke, C.; Kaierle, S.; Maier, H. J.; Haferkamp, H.
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Comparison of Selective Laser Melted Titanium and Magnesium Implants coated with PCL. In: International Journal of Molecular Science 16 (2015)
Matena, J.; Petersen, S.; Gieseke, M.; Teske, M.; Beyerbach, M.; Kampmann, A.; Escobar, H. M.; Haferkamp, H.; Gellrich, N.-C.; Nolte, I.
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Entwicklung des Selektiven Laserstrahlschmelzens von Magnesium und Magnesiumlegierungen zur Herstellung von individuellen und bioresorbierbaren Implantaten. Hannover : PZH Verlag, 2015. ISBN: 978-3-95900-46-8 (auch Dissertation, Universität Hannover)
Gieseke, M.
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Selektives Laserstrahlschmelzen von Magnesium und Magnesiumlegierungen. In: Tagungsband zur Rapid.Tech 2015. 10.-11. Juni 2015, Erfurt. ISBN: 978-3-932875-40-3
Gieseke, M.; Kiesow, T.; NöIke, C.; Kaierle, S.; Maier, H. J.; Haferkamp, H.
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In PolyPoly-e-caprolactone coated and functionalized porous titanium and magnesium implants for enhancing angiogenesis in critically sized bone defects international. In: J. Molec. Sciences 17 (2016)
Roland, L.; Grau, M.; Matena, J.; Teske, M.; Gieseke, M.; Kampmann, A.; Beyerbach, M.; Escobar, H. M.; Haferkamp, H.; Gellrich, N.-C.; Nolte, I.
