Design und Herstellung gradierter zellularer Endoprothesen und Leichtbaustrukturen

Der Knochen als natürlich gewachsene Verbundstruktur aus der massiven Kortikalis und der schwammartigen Spongiosa ist Vorbild für den idealen Leichtbau, der eine hohe Steifigkeit bei geringem Gewicht gewährleistet. Die grundlegende Idee der durchgeführten Arbeiten ist die Umsetzung von biologischen Knochenumbauprozessen in ein technisches Konzept zum Design und zur Herstellung gradierter zellularer Leichtbaustrukturen. Das Leichtbaukonzept wurde für drei verschiedene Anwendungsszenarien, Werkstoffklassen und Fertigungsverfahren erfolgreich umgesetzt und getestet. Das hauptsächliche Erfolgskriterium dabei war eine Durchlaufzeit der gesamten Prozesskette - von der Aufgabenstellung bis zur Lieferung des Bauteils - von 7-14 Tagen. Zu diesen Produktionszeiten kann es nur kommen, wenn die Methodik alle Werkstoff-, fertigungs- und anwendungsbedingten Restriktionen berücksichtigt, die zu einem Abbruch des Herstellungsprozesses führen können, und weiterhin eine Software zur Verfügung steht, die alle datenverarbeitenden Aufgaben (FE-Analyse, Optimierung, Datentransfer, Schnittstellen) des Prozesses mit einer benutzerfreundlichen graphischen Oberfläche unterstützt. Alle diese Voraussetzungen wurden in diesem Vorhaben entwickelt, implementiert und getestet. Dabei konnte eine Gewichtsersparnis bei Verwendung der bionischen Methodik von bis zu 30% bei nahezu gleicher Bauteilsteifigkeit sowohl rechnerisch als auch experimentell nachgewiesen werden. In einem medizintechnischen Anwendungsszenario konnten konventionelle Konstruktionsplatten zur Behebung von Kontinuitätsdefekten im Kieferbereich durch neue zellulare Titan-Implantate prototypisch ersetzt werden. Die Herstellung der Implantate erfolgte mit dem EBM-Verfahren. In einem fahrzeugtechnischen Anwendungsszenario wurde ein konventioneller Radträger in einem Racecar durch einen belastungsgerecht optimierten gradiertzellularen Radträger aus Aluminium ersetzt. Für das Szenario wurde das zweistufige Feingießverfahren eingesetzt. In einem Szenario für Hochtemperaturbauteile wurde eine konventionelle Keramikschale eines Sinterofens durch eine gradiert zellulare Sinterschale ersetzt. Dabei kam das 3D-Printing-Verfahren zum Einsatz.

Bone material as an ideal biological composite consists of dense compact bone and spongy cancellous bone. It is characterized by high stiffness and light weight. The basic idea of the performed work is the adaption of biological bone remodeling processes to a technical concept of design and manufacturing of functionally graded cellular light weight structures. This concept was realized successfully for three different application scenarios, material classes and manufacturing techniques. The relevant criterion of success was a production time less than 7-14 days. A user-friendly software named PoreDesign was developed, implemented and tested which is able to control all stages of the production process. A weight reduction of up to 30% without loosing structural stiffness could be reached in all scenarios. In the medical scenario a conventional implant has been substituted by a graded cellular one made of titanium produced by electron beam melting. In the mechanical scenario an automotive wheel bearing has been substituted by a biomimetics approach made of aluminum produced by investment casting. And last, in the high temperature scenario, a bowl as part of a sinter oven has been substituted by a graded cellular structure made of ceramics produced by 3Dpriniting.