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Ermüdungseigenschaften von additiv gefertigten Titanstrukturen im Hinblick auf den Einsatz im menschlichen Körper

Das additive Fertigungsverfahren Laserstrahlschmelzen eignet sich in besonderer Weise zur Herstellung von komplexen Strukturen geringer Stückzahlen. Folglich ist dieser Prozess prädestiniert für die Fertigung von Implantaten und Prothesen. Mit Hilfe des Laserstrahlschmelzens lassen sich Strukturen anspruchsvoller Geometrie auf relativ einfache Weise – ausgehend von einem entsprechenden CAD-Datensatz – realisieren. Dabei können metallische Werkstoffe, wie beispielsweise die hochfeste und biokompatible Titanlegierung TiAl6V4, zum Einsatz kommen. Im Hinblick auf die Ermüdungseigenschaften werden an Kompaktzugproben Schwellenwerte gegen Ermüdungsrissausbreitung und Rissgeschwindigkeitskurven experimentell ermittelt. Dabei zeigt sich, dass bei einer additiv gefertigten Titanstruktur deutlich höhere Risswachstumsraten auftreten als bei vergleichbarem Grundmaterial. Durch entsprechende Wärmebehandlungsverfahren kann die Rissempfindlichkeit der Titanlegierung TiAl6V4 jedoch deutlich gesenkt werden, so dass die bruchmechanischen Kennwerte der additiv gefertigten Strukturen denen des Grundmaterials entsprechen. Beschrieben werden im Rahmen dieses Beitrags zudem Lebensdaueruntersuchungen an einer Hüftprothese. Dabei zeigt sich, dass mittels additiver Fertigung mit anschließender Wärmebehandlung hochfeste Prothesen hergestellt werden können.

The additive manufacturing process Selective Laser Melting (SLM) is well suited for economic production of complex and individual parts in small batches (e.g. hip implants). The melting system in this work was used to process parts consisting of the high-strength and biocompatible titanium alloy Ti-6-4. The presence of the cyclic loadings within the human body requires investigations in terms of the crack growth behavior and the resulting lifetime of the product. For that purpose, fatigue crack growth rate data for various material conditions were obtained in experiments. Based on these information numerical studies regarding crack growth and lifetime of the hip implant, in the as-built and heat treated condition, were performed. It was found that the significant improvement of the fatigue crack growth performance and the increase of the lifetime of a pre-cracked part can only be achieved by elimination of residual stresses using heat treatments.