Prozessentwicklung und sensorgestützte Prozessüberwachung und -regelung von laseradditiv gefertigten Implantaten mit komplexen Außengeometrien und Innenstrukturen
Die additive Fertigung, insbesondere das laserbasierte Pulverbettverfahren, ermöglicht die Fertigung komplexer Bauteile und kleiner Losgrößen. Damit ist dieses Verfahren prädestiniert für die Fertigung patientenindividueller Implantate, die durch den gezielten Einsatz gradierter Gitterstrukturen in ihrer Steifigkeit lokal angepasst werden können. Das übergeordnete Ziel von TP-1 ist daher die reproduzierbare Fertigung patientenspezifischer Implantate aus Ti-6Al-4V mit einstellbarer, gradierter Porosität. Hierzu müssen die mechanischen Eigenschaften, Oberflächentopographie, Korrosions und Versagenseigenschaften über die Prozessbedingungen des laserbasierten Pulverbettverfahrens entsprechend ausgelegt und deren Einflüsse und Wechselwirkungen untersucht werden. Zur lokalen Einstellung der Steifigkeit werden gradierte TPMS-Gitterstrukturen (triply periodic minimal surface) generiert und in ihren geometrischen Parametern variiert, untersucht und an die durch FE-Simulationen (Finite Elemente) ermittelten Belastungssituationen angepasst. Darüber hinaus werden in TP-1 Online- Prozessüberwachungsdaten erhoben, mit dem Ziel, Schmelzbadgeometrie und Prozessemissionen mit den eingestellten Prozessparametern, der entstehenden Oberflächen- und Mikrostruktur und den resultierenden Bauteileigenschaften korrelieren zu können. Um den Einfluss der Oberflächentopographie (u. a. hohe Rauheit) und der komplexen TPMS-Gitterstrukturen auf den Beschichtungsprozess und die Gewebeintegration zu untersuchen, werden den anderen Teilprojekten unterschiedliche Proben zur Verfügung gestellt. Auf Basis der Ergebnisse der Zyto- und Biokompatibilitätsuntersuchungen ergibt sich die Herausforderung, die Oberflächentopographie und die Gitterstrukturierung iterativ weiterzuentwickeln. Die Experimente werden auf Basis des Ansatzes der statistischen Versuchsplanung (DoE, Design of Experiments) geplant, durchgeführt und analysiert, sodass ein entwickeltes empirisches Modell Korrelationen und Wechselwirkungen aufzeigen und zukünftig zur Auswahl geeigneter Prozesseinstellungen für individuelle Implantate genutzt werden kann.
