3D-Druck mit Kobalt-Chrom für Luft- und Raumfahrt sowie Medizin

Kobalt-Chrom-Legierungen (CoCr) haben sich in der additiven Fertigung, wo Festigkeit, Verschleißfestigkeit und Hochtemperaturstabilität gefordert sind, als Standard etabliert. Ursprünglich für zahnärztliche und orthopädische Implantate von Bedeutung, findet CoCr heute breite Anwendung in der Luft- und Raumfahrt für Bauteile, die Hitze, Abrieb oder zyklischer Belastung ausgesetzt sind.

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Kobalt-Chrom-Legierungen

Kobalt-Chrom bezeichnet eine Familie von Legierungen auf Kobaltbasis, die hauptsächlich mit Chrom und häufig mit Zusätzen wie Molybdän, Wolfram oder Nickel legiert sind, um Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Verschleißfestigkeit gezielt einzustellen.

Mechanische Eigenschaften von Kobalt-Chrom

• Hohe Festigkeit und Härte. CoCr-Legierungen bieten eine ausgezeichnete statische Festigkeit und behalten ihre mechanischen Eigenschaften auch bei erhöhten Temperaturen bei, wodurch sie sich für Anwendungen in Heißbereichen und verschleißkritischen Bereichen eignen.

• Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit. Chrom bildet eine stabile, schützende Oxidschicht, während andere Legierungselemente die Beständigkeit gegen Reibungsverschleiß und chemische Angriffe erhöhen.

• Biokompatibilität. Bestimmte CoCr-Typen werden aufgrund der geringen Ionenfreisetzung und der guten Gewebeverträglichkeit bei sachgemäßer Verarbeitung für medizinische Implantate akzeptiert.

• Thermische Stabilität. CoCr behält seine Festigkeit bei Temperaturen, die viele Edelstähle weich machen würden, obwohl es schwerer (höhere Dichte) als Titanlegierungen ist.

• Vor- und Nachteile. Im Vergleich zu Titan ist CoCr dichter und in der Regel schwerer bei gleichem Volumen; im Vergleich zu Edelstählen bietet es eine bessere Verschleißfestigkeit und Hochtemperaturfestigkeit, ist aber schwieriger zu bearbeiten und zu veredeln.

3D-Druckverfahren für CoCr

Pulverbettfusion (PBF/SLM)

Selektives Laserschmelzen (SLM) oder Laser-Pulverbettfusion (LPBF) ist das gebräuchlichste Verfahren für CoCr. Ein Laser schmilzt selektiv dünne Schichten von gasatomisiertem Pulver, um das Bauteil aufzubauen.

Vorteile:

• Hohe Auflösung und gute Oberflächengüte für komplexe Geometrien.

• Gut entwickelte Prozessfenster für gängige CoCr-Sorten.

Herausforderungen:

• Eigenspannungen und Verformungen müssen kontrolliert werden.

• Pulverhandhabung, Recyclingstrategie und Sauerstoffkontrolle sind von entscheidender Bedeutung.

Gerichtete Energiedeposition (DED)

Bei der DED-Methode wird Draht oder Pulver mithilfe einer fokussierten Energiequelle (Laser, Elektronenstrahl oder Plasma) auf ein Substrat aufgebracht und aufgeschmolzen.

Am besten geeignet für:

• Reparaturen oder Erweiterung bestehender Komponenten um neue Funktionen.

• Große Teile, bei denen das PBF-Bauvolumen den Rahmen sprengt.

Nachteile: gröbere Mikrostruktur und generell geringere Oberflächengenauigkeit als beim PBF-Verfahren.

Binder Jetting + Sintern

Beim Binder-Jetting wird ein Grünling aus Pulver und Bindemittel gedruckt, der anschließend gesintert und verdichtet wird (häufig mittels Heißisostatischem Pressen). Vorteile sind die höhere Baugeschwindigkeit und potenziell geringere Kosten für bestimmte Geometrien; Herausforderungen bestehen darin, die volle Dichte zu erreichen und die Schrumpfung während des Sinterns zu kontrollieren.

Technische Überlegungen

Design für AM (DfAM)

• Stützstrategie: CoCr-Bauteile benötigen häufig Stützstrukturen für Überhänge, um Verformungen zu minimieren. Dies führt jedoch zu einem erhöhten Aufwand in der Nachbearbeitung. Die Bauteile sollten so ausgerichtet werden, dass die Anzahl der kritischen Stützstrukturen minimiert wird.

• Gitter-/Porenstrukturen: Bei medizinischen Implantaten fördern kontrollierbare poröse Architekturen das Einwachsen von Knochen; in der Luft- und Raumfahrt ermöglichen Gitterstrukturen die Anpassung der Steifigkeit und Gewichtseinsparungen.

Thermische Spannungen und Verformung

Schnelles Schmelzen und Erstarren erzeugen Eigenspannungen. Zu den Gegenmaßnahmen gehören die Optimierung der Bauausrichtung, das Vorheizen der Bauplattform, die optimierte Platzierung der Stützstrukturen und kontrollierte Scanstrategien.

Nachbearbeitung und Wärmebehandlung

• Heißisostatisches Pressen (HIP): Verringert die innere Porosität, erhöht die Dauerfestigkeit und die Duktilität.

• Lösungsglühen und Auslagern: Gezielte Einstellung der Mikrostruktur und der mechanischen Eigenschaften.

• Bearbeitung und Polieren: Notwendig für enge Toleranzen und um die erforderliche Oberflächenrauheit zu erreichen, insbesondere bei Medizinprodukten, bei denen die Oberflächenstruktur die Biokompatibilität beeinflusst.

• Oberflächenbehandlungen: Beschichtungen, Elektropolieren und Passivierung können den Verschleiß und die Korrosion verringern oder die Osseointegration von Implantaten verbessern.

Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt

In der Luft- und Raumfahrt wird CoCr dort eingesetzt, wo Verschleißfestigkeit, Ermüdungsbeständigkeit und thermische Stabilität die höhere Dichte im Vergleich zu Titan überwiegen, zum Beispiel:

1. Verschleißkritische Bauteile: Ventilsitze, Lager und Dichtungen, die abrasiven oder erosiven Umgebungen ausgesetzt sind.

2. Heißbereichskomponenten: Bauteile in der Nähe von Turbinen, bei denen Temperatur- und Oxidationsbeständigkeit erforderlich sind.

3. Teilekonsolidierung: Komplexe Baugruppen (mehrere gelötete oder verschraubte Teile) können zu einem einzigen gedruckten Bauteil zusammengefasst werden, wodurch Montageschritte und potenzielle Leckagepfade reduziert werden.

4. Reparatur: DED wird häufig zur Reparatur hochwertiger Bauteile aus CoCr oder zum punktuellen Aufbringen von Material auf abgenutzte Oberflächen eingesetzt.

Medizinische und zahnmedizinische Anwendungen

CoCr hat eine lange Geschichte im medizinischen Bereich; der 3D-Druck hat die Möglichkeiten erweitert.

Orthopädische und zahnärztliche Anwendungen

1. Orthopädische Implantate: Komponenten wie Femurköpfe, Gelenkoberflächenersatzimplantate und modulare Implantatkomponenten profitieren von der Verschleißfestigkeit und Steifigkeit von CoCr.

2. Zahnärztliche Gerüste: Herausnehmbare Teilprothesengerüste und implantatgetragene Prothesen nutzen die Festigkeit und Formstabilität von CoCr aus.

3. Patientenspezifische Implantate und Instrumente: Die additive Fertigung ermöglicht die Herstellung individueller Geometrien, die auf die Anatomie des Patienten und auf chirurgische Schablonen abgestimmt sind.

Oberflächengestaltung für die Biologie

Poröse Strukturen und eine kontrollierte Oberflächenrauheit fördern das Knochenwachstum. Designer können Porositätsgradienten erzeugen, beispielsweise feste innere Kerne mit porösen äußeren Bereichen, um ein Gleichgewicht zwischen Festigkeit und biologischer Integration zu schaffen.

Biokompatibilität und Sterilisation

Bei korrekter Verarbeitung und Oberflächenbehandlung erfüllen viele CoCr-Typen die Anforderungen an die medizinische Biokompatibilität. Sterilisationsverträglichkeit und Korrosionsbeständigkeit in physiologischen Umgebungen müssen für jedes Design und jede Oberflächenbehandlung validiert werden. Medizinproduktehersteller müssen die regulatorischen Vorgaben und Anforderungen klinischer Prüfungen in ihren Zielmärkten beachten.