Durchführung des Technologievorhabens an zwei ausgewählten Demonstratoren

 

Durch die zwei gewählten Demonstratoren ergeben sich im Projektverlauf zwei Entwicklungslinien, die alle fünf Arbeitspakete durchlaufen, wobei sich die Partner Mathys Orthopädie GmbH und Fraunhofer IKTS, gemeinsam mit dem Fraunhofer IWU, auf die Entwicklung der Kniekondyle fokussieren werden. Bach Resistor Ceramics GmbH und das IWU werden sich den keramischen Heizelementen in Formwerkzeugen aus Werkzeugstahl zuwenden. Beiden Entwicklungslinien gemeinsam ist die Nutzung des LBM-Verfahrens zur Formgebung der metallischen Verbundbauteilkomponente.

 

Das Projekt gliedert sich in fünf Arbeitspakete (AP): In AP 1 werden die Spezifikationen für die Testbauteile bzw. für die Demonstratoren anhand derzeit bestehender Systeme erarbeitet. Im weiteren Verlauf soll in AP 2 das Werkstoffverbunddesign stattfinden. Dabei werden unter anderem makroskopische und mikroskopische Strukturen für das hybride Verbunddesign untersucht. In AP 3 werden die keramischen Komponenten, die ATZ-Komponente der Kniekondyle über das LCM-Verfahren durch das IKTS und die keramischen Heizelemente über konventionelle Formgebung durch Bach R.C. entwickelt und für die Hybridisierung vorgefertigt. Im AP 4 werden die im AP 3 erzeugten keramischen Teilkomponenten mittels LBM-Verfahren integriert bzw. Vervollständigt, sodass eine Charakterisierung der Werkstoffverbunde durchgeführt werden kann. Abschließend werden im AP 5 die funktionellen Hybrid-Demonstratoren fertig entwickelt, gefertigt und Analysiert.

Abbildung 1: Darstellung des Projektverlaufes und der einzelnen Arbeitspakete

Demonstrator Kniekondyle

 

Der Endoprothetik-Demonstrator ist eine keramische Kniekondyle in innovativer Hybridbauweise aus ATZ-Keramik und Titan. Die Artikulationsseite der Kondyle besteht aus Keramik und wird additiv über das LCM-Verfahren hergestellt. Die dem Knochen zugewandte Seite besteht aus über das LBM-Verfahren realisierten porösen Titanstrukturen. Der neuartige hybride Aufbau ermöglicht erstmals eine zementfreie Verankerung einer keramischen Kniekondyle über eine Titanstruktur, da eine direkte Osseointegration keramischer Oberflächen nicht erfolgversprechend ist.

Demonstrator keramisches Heizelement

 

Keramische Heizelemente bieten eine sehr gute Möglichkeit, hohe Energieimpulse auf kleinem Bauraum einzubringen. Mit der gegenwärtig zur Verfügung stehenden Fertigungstechnologien ist der Einsatz von keramischen Heizelementen mit einem sehr hohen Fertigungs- und Montageaufwand verbunden. Durch die Kombination additiver Fertigungsverfahren im Werkzeugbau und den klassischen Fertigungsverfahren der Herstellung keramischer Heizelemente, lässt sich dieser Aufwand reduzieren. Der Demonstrator soll hierbei eine Basis zeigen, wie die Heizelemente eingebettet werden und es ermöglicht mit dieser Technologie Werkzeuge zu erstellen.

Technische Ziele

 

Folgende technische Ziele haben die einzelnen Projektpartner:

 

Mathys Orthopädie GmbH
• Prüfung der Machbarkeit einer keramischen Kniekondyle in Hybridbauweise aus zukunftsfähiger ATZ-Keramik und langzeiterprobtem Titan

 

Bach Resistor Ceramics GmbH
• punktgenaue Integration von Heizelementen an kritischen Stellen im Werkzeug, um lokal Wärme einzubringen und eine genauere Regelung der Kavitätstemperatur zu ermöglichen
•Verbesserung des Wärmeüberganges zwischen Keramikheizer und Metallwerkzeug
• verbesserte Dynamik der Werkzeugtemperierung

 

Fraunhofer IKTS
• Erzielung dickwandigerer Bauteile über den LCM-Prozess
• Erzeugung von Ankerstrukturen zur verbesserten Anbindung einer zweiten Materialkomponente
• Prozessentwicklung zur Verbundwerkstoffherstellung durch Hybridisierung zweier additiver Fertigungsverfahren

 

Fraunhofer IWU
• Prozessentwicklung zur Herstellung poröser Titanstrukturen mittels Laserstrahlschmelzen
• Prozessparameterentwicklung für den Interfacebereich zwischen Keramik und Titan bzw. Stahl zur Herstellung einer stoff- bzw. mindestens einer kraftschlüssigen Verbindung
• Prozessentwicklung zur Einstellung definierter Druckspannungen im Stahlbauteil