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Metallische Biomaterialien

Pulverbasierte Materialentwicklung

Titelbild WBM

Resublimierter Mg-Kristall während der pulvermetallurgischen Verarbeitung. Foto: Hereon

Die Abteilung Pulverbasierte Materialentwicklung entwickelt Legierungen auf Magnesium- und Titanbasis, die zum einen auf eine Verarbeitung mittels moderner Pulvertechnologien optimiert sind und zum anderen für die jeweilige Anwendung maßgeschneiderte Eigenschaften besitzen. Bei den Technologien stehen sinterbasierte Verfahren wie das Metal Injection Moulding und 3D-Druck Verfahren mit Filament oder Granulat im Vordergrund. Ziel der Kombination aus Materialentwicklung und spezieller Fertigungstechnologie ist die Möglichkeit zur Herstellung von eigenschaftsoptimerten Komponenten mit funktionsoptimierter Geometrie. Im Rahmen der eigenen Biomaterialentwicklung werden hier vor allem Testkörper und Implantatprototypen gefertigt.

Profil

MBP-Profilbild

Pulvertechnisch herstellter Prototyp einer Implantatschraube. Foto: Hereon

Materialentwicklung ist fest mit der Herstellung von Testkörpern und Funktionsmustern verbunden, insbesondere, wenn das Ziel darin besteht, konkrete Komponenten in die Anwendung zu bekommen, wie es im Institut für Metallische Biomaterialien beabsichtigt ist. Dabei erfordern gerade medizinische Implantate eine reproduzierbare und zuverlässige Fertigung. Zu beachten ist, dass die Art der Fertigung maßgeblich die Eigenschaften des Implantats bestimmt. So können z.B. die mechanischen Eigenschaften wesentlich differieren, wenn dieselbe Legierung mittels Gießen oder Schmiedens oder z.B. durch additive Verfahren in die gewünschte Geometrie gebracht wird. Erst die Kombination aus Material und Fertigungsverfahren ergeben die speziellen Eigenschaften des Implantats. Im Fall von biodegradierbaren Magnesiumlegierungen wird neben den mechanischen Eigenschaften auch die Auflösung des Implantats durch die Fertigung beeinflusst. Versteht man jedoch diese Beeinflussung, dann kann sie für die gezielte Einstellung von gewünschten Eigenschaften ausgenutzt werden. Dieses Verständnis soll zu einsatzfähigen abbaubaren und individualisierten Implantaten mittels sinterbasierten 3D-Druck Verfahren führen.

Pulverbasierte Fertigung

Wirbelschraube

Implantierbare Schraube zur Wirbelreparatur, MIM aus TiAl6Nb7 Pulver (Design: Tricumed Medizintechnik GmbH)

Die Abteilung Pulverbasierte Materialentwicklung konzentriert sich deshalb auf die Verwendung von feinen Metallpulvern als Ausgangsmaterial, die über verschiedene Verfahren in Form gebracht und anschließend zu einer dichten, festen Komponente versintert werden. Da die Sinterung (bekannt vom Töpfern, dort Brennen genannt) erst die Eigenschaften bestimmt, besteht eine enorme Vielfalt bei der Auswahl der Formgebungstechnik, ohne diese Eigenschaften zu verändern. Zum Beispiel kann ein Spritzgießprozess wie bei der Herstellung von Kunststoffprodukten eingesetzt werden oder ein 3D-Druck-Prozess mit Filamenten wie er üblicherweise bei privaten 3D-Druckern angewendet wird. Abhängig von der Geometrie - ob z.B. Testbauteile für mechanische oder biologische Tests oder ein Implantatprototyp gefertigt werden sollen - kann das jeweils optimale Formgebungsverfahren gewählt werden. Dank eines identischen Sinterprozesses erhalten alle diese Komponenten trotz unterschiedlicher Formgebung vergleichbare Eigenschaften.

Materialentwicklung

Da die Sinterung die Materialeigenschaften bestimmt, steht dieser Prozess im Mittelpunkt der Forschungsarbeiten. Verarbeitet werden Magnesium-Legierungspulver für degradierende Implantate sowie Titan-Legierungspulver für Dauerimplantate und für technische Anwendungen. Forschungsthemen sind u.a. die Optimierung der mechanischen oder Degradationseigenschaften, das Verständnis der eventuell im Prozess eingebrachten Verunreinigungen sowie der physikalische Ablauf des Sinterprozesses an sich. Hier werden die Arbeiten durch die Entwicklung einer Sintermodellierung unterstützt. Die Themen reichen von metallphysikalischer Grundlagenforschung bis zu rein technischen Problemstellungen der Prozessierung.

Technische Ausstattung

Die Abteilung kann auf eine vollständige Fertigungskette für Sinterprodukte zurückgreifen. Für die Pulverhandhabung stehen Handschuhboxen unter Inertgas zur Verfügung, es gibt verschiedene Möglichkeiten der Vermischung von Pulvern mit Polymeren (Bindern), wie es für einige Formgebungstechniken notwendig ist, sowie Sinteröfen, die ausschließlich für Titan- bzw. Magnesiumwerkstoffe verwendet werden. Zusätzlich stehen verschiedene Analysemöglichkeiten wie ein Sinterdilatometer zur Verfügung.

Industriekooperationen

Die langjährige Erfahrung der Abteilungsmitglieder sowie die technische Ausstattung sind für die Industrie oftmals attraktiv. Wir freuen uns über Kooperationen. Sprechen Sie uns an.