Untersuchung der prozessabhängigen Mikrostruktur und mechanischen Eigenschaften von E-PBF prozessierten Ti-27Nb-6Ta mit geringem Elastizitätsmodul auf Basis vorlegierter Pulver

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Thomas Niendorf
• Fachliche Zuordnung: Materialien und Werkstoffe der Sinterprozesse und der generativen Fertigungsverfahren ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 515937481

Die Anwendung von Strukturimplantaten im menschlichen Körper wird notwendig bei Verlust oder der Wiederherstellung verlorener Skelettfunktionalität die aufgrund von Tumoren, Missbildungen, Frakturen, Infektionen und Osteolyse auftreten kann. Die zumeist verwendeten Implantatmaterialien sind reine Metalle oder Metalllegierungen. Besonders häufig kommen Titan und seine Legierungen, insbesondere Ti-6Al-4V, zum Einsatz. Implantate aus geschmiedetem oder additiv hergestelltem Ti 6Al 4V weisen sehr gute Festigkeiten und eine gute Biokompatibilität auf. Letzteres ist auf eine native Oxidationsschicht auf der Metalloberfläche zurückzuführen. Aufgrund seiner guten Osseointegration wird Ti-6Al-4V derzeit für die Anwendung in kraniofazialen, kieferorthopädischen und orthopädischen Implantaten verwendet. Neuere Forschungsarbeiten zeigen jedoch, dass Aluminium und Vanadium die Ursache für periphere Neuropathie, Osteomalazie und Alzheimer sein können. Sehr nachteilig wirken sich zudem die Elastizitätseigenschaften von Ti-6Al-4V aus. Dieses besitzt einen Elastizitätsmodul von 110 GPa und ist somit 4 bis 7 mal steifer als ein menschlicher Knochen, was letztendlich den „stress shielding“ Effekt bewirken kann. Additive Fertigungsverfahren erlauben eine vergleichsweise günstige Herstellung individueller, speziell auf den Patienten angepasster Implantate. Zudem lassen sich mit Hilfe der additiven Fertigung strukturelle Details einbringen, die ein lastgerechtes Design des Implantats ermöglichen. In diesem Vorhaben stehen die additive Fertigung von Strukturen aus Ti-27Nb-6Ta mittels des Elektronenstrahlschmelzens (PBF-EB/M), sowie die Charakterisierung von prozess-, mikrostruktur- und geometrieabhängigen mechanischen Kennwerten unter Berücksichtigung der zur Herstellung verwendeten Pulver (Bewertung der Qualität der Pulver in drei definierten Zuständen) im Vordergrund. Die für die Untersuchungen vorgesehene Ti-Nb-Ta-Legierung besitzt generell ausreichend hohe Festigkeitswerte in Verbindung mit einem im Vergleich mit Ti-6Al-4V um ca. 45% reduzierten Kompressions- und Elastizitätsmodul. Auch wenn erste Erkenntnisse für mittels Laserschmelzen gefertigte Proben vorliegen, können bislang keine Aussagen zu geeigneten additiven Fertigungsstrategien mit höchster Ressourceneffizienz getätigt werden. Gerade Fragen hin zu den Einflüssen des Pulverzustands auf die Bauteileigenschaften nach dem PBF-EB/M werden zentrale Wissenslücken schließen. Von höchster Bedeutung sind dabei die speziellen Prozessbedingungen beim PBF-EB/M, d.h. die hohen Bauraumtemperaturen und die Prozessierung im Vakuum.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen (Transferprojekt)
• Anwendungspartner: TANIOBIS GmbH