Additive Verarbeitung von Zink-Magnesium-Legierungen
von Maximilian VoshageGegenstand dieser Arbeit sind Untersuchungen zur additiven Verarbeitung von bioresorbierbaren Zink-Magnesium (ZnMg)-Legierungen. Das übergeordnete Ziel ist die Herstellung lasttragender, patientenindividueller Implantate mit Degradationseigenschaften zur vollständigen Auflösung im Körper ohne Schädigung des umliegenden Gewebes. Aus den Ausgangswerkstoffen Zn und Zn2Mg werden Pulvergemische hergestellt, um mittels Powder Bed Fusion of Metals using a Laser Beam Probekörper aus Zn0,5Mg und Zn1Mg herzustellen.
Der Einfluss von Legierungszusammensetzung, Laserleistung, Scangeschwindigkeit und Hatchabstand auf die erreichbare relative Bauteildichte, die Entstehung von Defektstrukturen und die Ausbildung der Mikrostruktur wird beschrieben. Dabei werden Handlungsempfehlungen zur Vermeidung von Defektstrukturen und Herstellung von Probekörpern mit einer hohen relativen Bauteildichte > 99,5% aufgezeigt. Die untersuchten ZnMg-Probekörper weisen ein untereutektisches Gefüge mit dendritisch ausgeprägten Zn-Primärphasen, hexagonaler Gitterstruktur und interdendritisch, eutektischer Zn+Mg2Zn11-Phase auf. Eine erhöhte Festigkeit bei abnehmender Duktilität wird für Zn1Mg im Vergleich zu Zn0,5Mg nachgewiesen. Untersuchungen nach DIN EN ISO 10993-5:2009 bestätigen eine gute Biokompatibilität von ZnMg-Legierung. Zur Verkleinerung der Akkumulation der Schmelze und der Ansinterungen werden Belichtungspausen zwischen kurzen, aufeinanderfolgenden Scanvektoren implementiert. Durch anschließende abrasive Nachbearbeitung wird eine seitliche Flächenrauheit von Sa = 2,85 µm erreicht. Auf dieser Basis werden Scaffoldstrukturen mit einem Strebendurchmesser von 200 µm bei einer Maßhaltigkeit von ± 20 µm hergestellt und Handlungsempfehlungen zur reproduzierbaren Herstellung komplexer Geometrien aus ZnMg-Legierungen abgeleitet. Die Prozesskette umfasst die Schritte Datenaufbereitung, additive Fertigung mit angepasster Belichtungsstrategie und Nachbearbeitung. Die Validierung erfolgt anhand parametrisch ausgelegter „critical size bone defects“ und eines patientenindividuellen Kieferimplantats.
Der Einfluss von Legierungszusammensetzung, Laserleistung, Scangeschwindigkeit und Hatchabstand auf die erreichbare relative Bauteildichte, die Entstehung von Defektstrukturen und die Ausbildung der Mikrostruktur wird beschrieben. Dabei werden Handlungsempfehlungen zur Vermeidung von Defektstrukturen und Herstellung von Probekörpern mit einer hohen relativen Bauteildichte > 99,5% aufgezeigt. Die untersuchten ZnMg-Probekörper weisen ein untereutektisches Gefüge mit dendritisch ausgeprägten Zn-Primärphasen, hexagonaler Gitterstruktur und interdendritisch, eutektischer Zn+Mg2Zn11-Phase auf. Eine erhöhte Festigkeit bei abnehmender Duktilität wird für Zn1Mg im Vergleich zu Zn0,5Mg nachgewiesen. Untersuchungen nach DIN EN ISO 10993-5:2009 bestätigen eine gute Biokompatibilität von ZnMg-Legierung. Zur Verkleinerung der Akkumulation der Schmelze und der Ansinterungen werden Belichtungspausen zwischen kurzen, aufeinanderfolgenden Scanvektoren implementiert. Durch anschließende abrasive Nachbearbeitung wird eine seitliche Flächenrauheit von Sa = 2,85 µm erreicht. Auf dieser Basis werden Scaffoldstrukturen mit einem Strebendurchmesser von 200 µm bei einer Maßhaltigkeit von ± 20 µm hergestellt und Handlungsempfehlungen zur reproduzierbaren Herstellung komplexer Geometrien aus ZnMg-Legierungen abgeleitet. Die Prozesskette umfasst die Schritte Datenaufbereitung, additive Fertigung mit angepasster Belichtungsstrategie und Nachbearbeitung. Die Validierung erfolgt anhand parametrisch ausgelegter „critical size bone defects“ und eines patientenindividuellen Kieferimplantats.