Selective Laser Melting of a Zr-based Bulk Metallic Glass for Medical Applications
Publikationen: Thesis / Studienabschlussarbeiten und Habilitationsschriften › Masterarbeit
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Abstract
Selektives Laserschmelzen (SLM) ist eine vielversprechende additive Fertigungstechnik zur Herstellung biokompatibler Komponenten aus massivem metallischen Glas (BMG), welche als personalisierte Implantate oder Scaffolds Anwendung finden sollen. Ziel dieser Arbeit war es, geeignete Prozessparameter zu finden, um aus einem Zr basierten metallischen Glaspulver (Handelsname VIT105) massive Proben mit amorpher Mikrostruktur herzustellen. Außerdem wurden mechanische Eigenschaften, Biokompatibilität und Einflüsse einer Nachbehandlung untersucht, um die Eignung des BMGs für den medizinischen Bereich zu ermitteln. Dazu wurde im ersten Schritt eine SLM-Parameterstudie durchgeführt. Die Proben aus dieser Studie wurden hinsichtlich ihrer relativen Dichte, Mikrostruktur und ihres thermodynamischen Verhaltens untersucht. Außerdem wurden (Mikro-)Härtemessungen durchgeführt. Anschließend wurden weitere Proben mit einer geeigneten Prozessparameterkombination hergestellt und verschiedenen Wärme- und Oberflächenbehandlungen unterzogen. An diesen Proben wurden 4-Punkt-Biegetests und Zytotoxizitätstests durchgeführt. Zusätzlich, wurde im Rahmen der Zytotoxizitätstests auch die Zelladhäsion und das Zellwachstum auf der Probenoberfläche untersucht.
Die SLM-Parameterstudie zeigte, dass für die Herstellung massiver Proben eine minimale Volumenenergiedichte erforderlich ist. Entscheidend für die relative Dichte ist jedoch nicht nur die Volumenenergiedichte, sondern auch die spezifische Parameterkombination. Insbesondere die Laserscangeschwindigkeit spielt bei der Herstellung des BMGs eine entscheidende Rolle. Es wurde festgestellt, dass diese einen großen Einfluss auf die resultierende Mikrostruktur hat und die strukturelle Relaxation, die Glasübergangs-temperatur und den Elastizitätsmodul der Probe bestimmt. 4 Punkt-Biegeversuche zeigten, dass die erzeugten Proben ausreichende Biegefestigkeiten und Elastizitäten aufweisen. Dennoch zeigten die Untersuchungen, dass die Eigenschaften des BMGs stark von der Bau- und Prüfrichtung abhängen. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass eine Strahlbehandlung mit Glasperlen oder Korund vorteilhaft ist, um höhere Biegefestigkeiten zu erreichen. Allerdings sind nur die mit Glasperlen gestrahlten Proben zweifellos biokompatibel. Die mit Korund behandelten Proben sind zytotoxisch. Auch wenn eine Wärmebehandlung unterhalb der Glasübergangstemperatur die Lebensfähigkeit der Zellen verbessert, beeinträchtigt diese die mechanische Leistungsfähigkeit des BMGs. Darüber hinaus haben die Untersuchungen gezeigt, dass kristallisierte Proben hinsichtlich ihrer Herstellbarkeit und Verwendbarkeit ungeeignet sind.
Die SLM-Parameterstudie zeigte, dass für die Herstellung massiver Proben eine minimale Volumenenergiedichte erforderlich ist. Entscheidend für die relative Dichte ist jedoch nicht nur die Volumenenergiedichte, sondern auch die spezifische Parameterkombination. Insbesondere die Laserscangeschwindigkeit spielt bei der Herstellung des BMGs eine entscheidende Rolle. Es wurde festgestellt, dass diese einen großen Einfluss auf die resultierende Mikrostruktur hat und die strukturelle Relaxation, die Glasübergangs-temperatur und den Elastizitätsmodul der Probe bestimmt. 4 Punkt-Biegeversuche zeigten, dass die erzeugten Proben ausreichende Biegefestigkeiten und Elastizitäten aufweisen. Dennoch zeigten die Untersuchungen, dass die Eigenschaften des BMGs stark von der Bau- und Prüfrichtung abhängen. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass eine Strahlbehandlung mit Glasperlen oder Korund vorteilhaft ist, um höhere Biegefestigkeiten zu erreichen. Allerdings sind nur die mit Glasperlen gestrahlten Proben zweifellos biokompatibel. Die mit Korund behandelten Proben sind zytotoxisch. Auch wenn eine Wärmebehandlung unterhalb der Glasübergangstemperatur die Lebensfähigkeit der Zellen verbessert, beeinträchtigt diese die mechanische Leistungsfähigkeit des BMGs. Darüber hinaus haben die Untersuchungen gezeigt, dass kristallisierte Proben hinsichtlich ihrer Herstellbarkeit und Verwendbarkeit ungeeignet sind.
Details
Titel in Übersetzung | Selektives Laserschmelzen eines Zr-basierten massiv metallischen Glases für Medizinanwendungen |
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Originalsprache | Englisch |
Qualifikation | Dipl.-Ing. |
Gradverleihende Hochschule | |
Betreuer/-in / Berater/-in |
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Datum der Bewilligung | 17 Dez. 2021 |
Status | Veröffentlicht - 2021 |