Third party funded individual grant
Acronym: Schm 2115/79-1
Start date : 01.08.2020
End date : 31.07.2023
In diesem Vorhaben soll ein neuartiges additives Beschichtungsverfahren zur flexiblen Herstellung funktioneller Schichten und Strukturen auf metallischen Implantaten oder Knochen bzw. knochenähnlichen Materialien für die rekonstruktive Medizin wissenschaftlich qualifiziert werden. Für das neuartige Verfahren wird mittels des additiven Fertigungsverfahrens Laser-Pulverauftragsschweißens der Hochleistungskunststoff Polyetheretherketon (PEEK), welcher sich aufgrund seiner mechanischen Eigenschaften und Biokompatibilität hervorragend für den Einsatz in der rekonstruktiven Medizintechnik eignet, verarbeitet.Aufbauend auf Vorarbeiten wird zunächst die Beschichtung von unterschiedlichen Subs-traten mit PEEK und anschließend der Aufbau von Strukturen aus PEEK auf den aufgebrachten PEEK-Schichten untersucht. Hierfür wird ein Versuchstand in Hinblick auf hohe Flexibilität im Prozess aufgebaut. Die Prozessbewertung wird einerseits an Hand der Charakteristika der Beschichtungsresultate (Haftfestigkeit, Homogenität, Dicke, Porosität, Morphologie) und andererseits durch die Online-Analyse des Prozesses durch Hochgeschwindigkeits- und Thermokameras realisiert. Durch diese Herangehensweise entsteht eine Datenbasis, welche für eine qualitative und auch quantitative Analyse der Prozessdynamik und der zu Grunde liegenden Wechselwirkungs- und Fügemechanismen herangezogen werden kann. Darüber hinaus ist die Materialoptimierung zur Prozessverbesserung (z. B. Haftfestigkeit der Schichten, Pulverzufuhr, etc.) aber auch zur Verbesserung der Funktionalität (z. B. Bioaktivität, mechanische Eigenschaften, etc.) der Pulver- und Substratwerkstoffe ein wesentlicher Gegenstand der experimentellen Untersuchungen. Methoden hierfür sind zum einen die Beimengung von Pulverzusatzstoffen (z. B. Graphit, Aerosil®, Bioglas, etc.) und zum anderen verschiedene Vorbehandlungsmethoden (z. B. Ätzen, Strukturieren, thermische Vorbehandlung etc.). Diese werden durch den direkten Einsatz im Prozess sowie durch diverse Charakterisierungsmethoden (dynamische Differenzkalometrie, Ulbricht-Kugel-Aufbau, Laser-Scanning-Mikroskop, etc.) für das Verfahren qualifiziert.Die Kombination des Laser-Pulverauftragsschweißens mit dem Hochleistungskunststoff PEEK zur Herstellung von Beschichtungen und Strukturen eröffnet im Vergleich zu typischen Beschichtungsverfahren, einzigartige Vorteile und Potentiale in der rekonstruktiven Medizin. Diese liegen im Wesentlichen in der Flexibilität des Verfahrens begründet, welche die Realisierung von partiellen Beschichtungen, selektiv variablen Schichtdicken oder Strukturbreiten, komplexen dreidimensionalen Strukturen, gradierten Schichten sowie Multi-Material-Strukturen ermöglicht. Da das Verfahren unter Atmosphärenbedingungen einsetzbar ist und dazu ein mehrachsiges Positionierungssystem eine flexible Führung des Bearbeitungskopfes erlaubt, können nahezu beliebige Substrate oder Objekte, unabhängig von Oberflächenform, Größe und Standort, bearbeitet werden.