Gayer, ChristophChristophGayer2024-02-292024-02-292022978-3-98555-037-1https://publica.fraunhofer.de/handle/publica/462653In der vorliegenden Arbeit wird ein für das Selektive Lasersintern (SLS) geeigneter Polylactid-basierter Kompositwerkstoff sowie eine an diesen Werkstoff angepasste SLS-Prozessführung entwickelt. Als Füllstoffe werden β-Tricalciumphosphat (β-TCP) und Calciumcarbonat (CC) mit einem Gewichtsanteil von ca. 20–50 % untersucht. Das Ziel ist die Entwicklung eines synthetischen Knochenersatzmaterials für die Additive Fertigung von patientenspezifischen bioresorbierbaren Implantaten. Da die Festigkeit ein wichtiger Kennwert für den Einsatz als Implantat ist, wird der Einfluss der Werkstoffeigenschaften und der SLS-Verfahrensparameter auf die Biegefestigkeit von Probekörpern untersucht (Forschungsfrage). Hinsichtlich der Werkstoffeigenschaften wird ein Anforderungsprofil ermittelt, welches Empfehlungen in Bezug auf die Polymerpartikelgröße, die Füllstoffpartikelgröße, die Molmasse, die Schmelzviskosität, die Zersetzungstemperatur, den Feuchte- und Füllstoffgehalt sowie die Schmelzenthalpie enthält. Das beste Eigenschaftsprofil weist ein Werkstoff aus 77 Gew.-% Poly(L-lactid) (inhärente Viskosität ca. 1,0 dl/g) und 23 Gew.-% Calciumcarbonat (Partikelgröße ca. 12 µm) auf. Dieser Werkstoff wird als Zielwerkstoff definiert und näher untersucht. Hinsichtlich der SLS-Verfahrensparameter wird ein Maximum der Biegefestigkeit in Abhängigkeit der Laserleistung beobachtet. Die Ergebnisse zur Variation der Scangeschwindigkeit und des Spurabstands deuten auf ein Maximum der Biegefestigkeit bei einer Flächenrate von ca. 1,3 mm²/s hin. Damit wird erstmals für das SLS gezeigt, dass eine zu kleine Flächenrate einen negativen Einfluss auf die Bauteilperformance haben kann. Während bei kleiner Flächenrate (ca. 1,3 mm²/s) eine Vergrößerung der Schichtdicke von 50 auf 100 µm ohne Verkleinerung der Festigkeit möglich ist, wird die Festigkeit bei großer Flächenrate (ca. 10 mm²/s) um ca. 18 % kleiner. Durch eine Vergrößerung des Laserstrahldurchmessers von 400 auf 800 µm wird eine Festigkeitssteigerung von bis zu 18 % erzielt. In der vorliegenden Arbeit werden Vorheiztemperaturen von 40, 60 und 80 °C untersucht, wobei die größte Festigkeit bei 60 °C erzielt wird. Die durch die Verarbeitung mittels SLS bedingte Verkleinerung der Molmasse Mw beträgt bis zu 8 %. Durch eine Vortrocknung des Pulvers bei 100 °C wird die Biegefestigkeit von Probekörpern um ca. 15 % vergrößert. Mit dem in dieser Arbeit entwickelten Werkstoff und der auf den Werkstoff abgestimmten SLS-Prozessführung werden eine Zugfestigkeit von 29 MPa, eine Dreipunktbiegefestigkeit von 51 MPa und eine Druckfestigkeit von 86 MPa erzielt. Der Zug- bzw. Biegemodul beträgt 3020 bzw. 3300 MPa und die relative Bauteildichte ca. 98 %. Für Gitterstrukturen mit einer designten Makroporosität von 50 % wird eine Druckfestigkeit von bis zu 7,4 MPa und ein Druckmodul von bis zu 330 MPa erzielt (kubische Gitterstruktur mit 800 µm Strebendurchmesser und ca. 1100 µm Porengröße). Damit leistet die vorliegende Arbeit einen wesentlichen Beitrag zur Entwicklung von patientenspezifischen bioresorbierbaren Implantaten.dedoctoral thesis