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3D-gedruckte Gitterstrukturen zur Heilung von Knochendefekten

Sogenannte critical-size Knochendefekte stellen ein komplexes medizinisches Problem dar: Aufgrund des sowohl großen fehlenden Knochenvolumens als auch dem Abstand zwischen etwaig freien Knochenenden, kann der Knochen bei diesen Defekten nicht von allein ausheilen. Vor diesem Hintergrund entwickelt der Lehrstuhl Digital Additive Production DAP der RWTH im Projekt „Bio-Struct“ gemeinsam mit Partnern ein bioresorbierbares Implantat-Konzept, dessen Materialeigenschaften und geometrisches Design die komplexen Anforderungen einer patientenfreundlichen Knochenheilung erfüllen. Die Herausforderung liegt in der Wahl geeigneter und verarbeitbarer Werkstoffe sowie Geometrien, zum einen für den Körper, zum anderen aber auch für die Verarbeitung mittels der additiven Fertigungstechnologie Laser Powder Bed Fusion, durch die das Implantat-Konzept überhaupt erst umsetzbar wird.

Sowohl Zink als auch Magnesium besitzen Eigenschaften, die für resorbierbare Knochenimplantate geeignet sind. Die Wissenschaftler untersuchten deshalb unterschiedliche Legierungszusammensetzungen aus diesen Reinmetallen, um die Eigenschaften beider für den Einsatz im Körper wie auch für die Verarbeitbarkeit durch das LPBF gewinnbringend zu kombinieren. In ihren Untersuchungen gelang es den Forschenden durch die Zugabe von geringen Mengen Magnesium in das Zink eine Kornfeinung zu erzeugen und damit die Mikrostruktur gezielt einzustellen. In einem breit gefächerten Legierungsscreening verschiedener Zusammensetzungen, von reinem Zink bis zu einer Zn8Mg-Legierung, wies die ZnMg-Legierung mit ≤ 1 Gewichtsprozent Magnesium die besten Eigenschaften zur Anwendung als Knochenersatzprodukt auf.

Über das Design der Implantate, das durch das LPBF-Verfahren völlig neue Gestaltungsmöglichkeiten erhält, kann auf die patientenindividuellen Anforderungen eingegangen werden, wie z.B. mechanische Belastung und Korrosionsverhalten am Einsatzort. Hier liegt der innovative Ansatz in einem algorithmischen Gitterstrukturen-Design: Anhand der definierten Anforderungen werden Geometrie und Anordnung der einzelnen Streben bzw. Gitterzellen parametrisch generiert, die so entstandene Gitterstruktur an die Knochendefektstelle angepasst und für die Fertigung mittels LPBF aufbereitet. Der Strebendurchmesser sei in diesem Zusammenhang eine wichtige Stellschraube. Anpassungen des Gitterstrukturdesigns sollen dabei etwa eine gleichmäßige Korrosion über das komplette Bauteil hinweg sowie das Ausschwemmen von Abbauprodukten und gleichzeitig das Einwachsen von Gewebe ermöglichen, während das Implantat im Körper resorbiert wird.

Multimaterial-Bauteile für den metallischen 3D-Druck

Das von der Europäischen Union geförderte Projekt „MADE-3D“ (Multi-Material Design using 3D Printing) hat unter Leitung der Universität Paderborn zum Ziel, eine noch nie dagewesene Gestaltungsfreiheit für hochkomplexe Leichtbauteile aus Metallen ermöglichen. Dafür entwickelt das Projektteam innovative Multimaterial-Bauteile mit lokal zugeschnittenen mechanischen, elektrischen, thermischen und magnetischen Eigenschaften für Anwendungen in der Automobilindustrie, Luft- und Raumfahrt. Es besteht aus Forschungseinrichtungen, Marktführern der additiven Fertigung, Luft- und Raumfahrt, Automobiltechnik und Start-ups, die ein breites Spektrum internationaler Expertise mitbringen.

Bisherige Metallpulver genügen den vielschichtigen Anforderungen – etwa Biegsamkeit, Temperaturstabilität und magnetische Eigenschaften in einem Teil zu vereinen – aufgrund ihrer homogenen Materialeigenschaften nicht. Hinzu kommt, dass die Mehrheit der Stähle und Legierungen wegen Rissbildungen nicht gedruckt werden kann. Mit einem systematischen computerbasierten Materialdesign sollen nun für den jeweiligen Anwendungsfall die gewünschten Werkstoffeigenschaften in Abhängigkeit von der chemischen Zusammensetzung berechnet und vorausgesagt werden. Für jeden Multimaterial-Kandidaten wird dann innerhalb von zwei bis drei Iterationen eine Materialkombination erstellt, die als Blaupause für vielzählige weitere Applikationen dienen kann. Dabei soll der Einsatz von maschinellem Lernen in der Prozessentwicklung zu kürzeren Entwicklungszyklen führen und die Digitalisierung der Prozesskette vorantreiben.

Der Weg vom Pulver zum Bauteil führt dann über zwei additive Fertigungstechnologien: Durch Selektives Laserschmelzen (L-PBF) und Laserauftragschweißen (DED) werden die zerstäubten Multimaterial-Kombinationen lokal und gezielt verteilt in 3D gedruckt, sodass hochqualitative Bauteile entstehen. Darüber hinaus sollen verschiedene Verfahren im Hinblick auf die Trennungseffizienz der hybriden Bauteile getestet werden, um Materialmischungen bestmöglich recyceln zu können. Bis zu 99 Prozent des verwendeten Materials will man wieder aufbereiten können.

Mit Ultraschall zu robusteren Bauteilen beim Laserauftragsschweißen

Ziel des Projekts „Ultra Grain“ ist die Verbesserung der Ermüdungsbeständigkeit, Festigkeit, Belastbarkeit und Duktilität sowie die Reduzierung der Rissanfälligkeit von mittels Laserauftragsschweißen additiv gefertigten Metallbauteilen. Das Forschungsprojekt ist das erste finanziell dotierte Vorhaben von Fraunhofer IWS, Fraunhofer IAPT und RMIT, das direkt in einen Transfer in die industrielle Praxis münden soll.

Um gezielt die innere Kornstruktur von 3D-gedruckten Bauteilen und damit deren mechanische Eigenschaften zu beeinflussen, kombinieren die Forschenden das bewährte draht- und pulverbasierte Laserauftragschweißen mit Ultraschall. Dabei werden während des additiven Auftragsprozesses feine Vibrationen mit einer präzise definierten Frequenz durch das entstehende Bauteil gesendet. Der Ultraschall verhindert, dass sich säulenartige Strukturen bilden. Es bilden sich hingegen feinere, rund geformte Mikrokörner, die an den bearbeiteten Stellen nahezu gleichmäßig verteilt sind aus. Diese equiaxiale Ausrichtung erhöht die mechanische und chemische Belastbarkeit der additiv erzeugten Werkstücke.

Weil sich der Ultraschall gezielt steuern lässt, können Bauteil-Designer genau vorgeben, an welchen Stellen das Werkstück später im Einsatz großen Belastungen ausgesetzt sein wird. Dort kann dann eine ultraschall-gesteuerte Kornstruktur eingeplant werden. Solch eine Gradierung ist wichtig, damit beispielsweise Gastanks von Raumsonden später einmal die besonderen Herausforderungen im Weltall über Jahre hinweg aushalten oder Werkzeuge in Autofabriken selbst hohen Punktbelastungen in der Massenproduktion widerstehen.

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