Qualifizierung der Legierung Ti 13Nb 13Zr für die additive Fertigung (PBF-LB/M) von Dentalimplantaten
Problemstellung
Die KMU-geprägte Dentalindustrie setzt für Kronen und Brücken bereits vielfach auf die ökonomische Fertigung individueller Versorgungen mittels pulverbettbasiertem Laserstrahlschmelzen (Powder Bed Fusion of Metal with a Laser Beam, PBF-LB/M). In der Dentalimplantattechnik dominieren zurzeit noch konventionelle Herstellverfahren (hier: die Zerspanung von Halbzeugen trotz der Möglichkeit des patientenangepassten Implantatdesgins durch additive Fertigung). Dabei kommen die Legierungen CP-Titan und Ti 6Al 4V zum Einsatz, deren Eigenschaften sich nur in relativ engen Grenzen einstellen lassen und die einen hohen E-Modul (100 bis 115 GPa) aufweisen. Dies kann zu Stress Shielding, Knochenrückgang, Periimplantitis, und Implantatbrüchen führen. Zudem enthält die Legierung Ti 6Al 4V mit Aluminium und Vanadium Legierungselemente, die negative Auswirkungen auf den menschlichen Körper haben können.
Projektbeschreibung un Forschungsprogramm
Das geplante Vorhaben fokussiert sich daher auf die PBF-LB/M-Fertigung individueller Implantate aus Ti 13Nb 13Zr. Die Eigenschaften dieser β-rich (α+β)-Legierung, die gegenüber den bisher eingesetzten Legierungen eine verbesserte Biokompatibilität aufweist, können durch thermo-mechanische Behandlungen und die damit verbundene Ausbildung verschiedener Phasen (α, β, α") in weiten Bereichen eingestellt werden. Der E-Modul lässt sich geringer als 80 GPa einstellen, sodass die Neigung zum Stress Shielding und die damit verbundenen Probleme verringert werden. Obwohl Ti 13Nb 13Zr medizinische Vorteile aufweist, wurde die PBF-LB/M Prozesskette inklusive des heißisostatischen Pressens (HIP) bisher nicht umfassend untersucht. Dies ist in der komplizierten Metallurgie und der speziellen thermischen Historie in Folge des PBF-LB/M-Prozesses begründet. Mittels einer HIP-Wärmebehandlung sollen Gefüge- und Eigenschaftsanpassungen erreicht werden. Die Untersuchung der Prozess-Eigenschaftsbeziehung zwischen PBF-LB/M und HIP/Wärmebehandlung ermöglicht eine gezielte Anpassung für medizintechnische An-wendungen. Weiterhin ist die Herstellung eines Demonstrators auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse vorgesehen. Die Ergebnisse dieses Vorhabens bilden die Grundlage für die Zulassung von additiv gefertigten Dentalimplantaten auf Basis von Ti 13Nb 13Zr.
Zunächst sollen einfache Bauteile und später einfache, aber aussagekräftige Muster-Dentalimplantate aus vorlegiertem Ti 13Nb 13Zr per PBF-LB/M-Verfahren gefertigt und hinsichtlich des Gefüges, der Phasen und der mechanischen Eigenschaften charakterisiert und miteinander verglichen werden. Außerdem wird die Wiederverwendbarkeit der Pulver überprüft. Im zweiten Teil des Projekts soll dann an Stelle der Verwendung von vorlegiertem Pulver im PBF-LB/M-Prozess der PBF-LB/M-Druck von Ti 13Nb 13Zr mit Hilfe von Pulvermischungen aus elementarem Ti-, Zr- und Nb-Pulver für den Einsatz im Medizintechnikbereich untersucht werden.
Neuartige Implantatdesigns führen das Implantat mittlerweile als Konus aus, auf den das Abutment gesteckt wird, Diese Strategie erscheint besonders vielversprechend für die additive Fertigung, da einerseits keine Bohrung oder Innengewinde zu realisieren sind, bzw. die entsprechend dünnen Schrauben nur zur Sicherung und nicht zum Verspannen des Implantatsystems genutzt werden, und andererseits hinreichend Material zur Verfügung steht, um die Geometrie zu verändern. Entsprechend wird zum Ende des Projekts geprüft, wie sich steifigkeitsoptimierte Grundkörper (Gyroide, Stab-Geometrien, Voronoi-Strukturen etc.) aus der Legierung Ti 13Nb 13Zr mittels PBF-LB/M herstellen lassen und bis zu welchem Grad eine Miniaturisierung möglich ist, um so die Steifgkeit des Implantatsystems gezielt einzustellen.
Projektorganisation
Projektleiter: Carsten Siemers
Projektbearbeiter: Fabian Haase
Projektpartner: Leibnitz IWT Bremen
Projektträger: Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. (DLR Projektträger)
Mitgliedsvereinigung: Arbeitsgemeinschaft Wärmebehandlung und Werkstofftechnik e. V. (AWT)
Förderkennzeichen: IGF 01IF24002N
Akronym: TNZ-Dental
Projektlaufzeit: 1. Juli 2025 bis 31. Dezember 2027