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Ausgangssituation

Zahnimplantate sind eine etablierte Methode zur Versorgung von Zahnverlust. Voraussetzung für deren Einsatz ist jedoch ein ausreichendes Knochenvolumen im Kiefer. Nach Zahnverlust kommt es häufig zu einem Abbau des Knochens, sodass zunächst ein Knochenaufbau erforderlich ist. Stand der Technik sind hierfür Implantate oder Membranen, die den Knochenaufbau unterstützen, jedoch nach erfolgreicher Regeneration in einer zweiten Operation wieder entfernt werden müssen. Diese zusätzliche Operation bedeutet einen erhöhten chirurgischen Aufwand sowie eine zusätzliche Belastung für die Patientinnen und Patienten. Additiv gefertigte Gitterstrukturen bieten das Potenzial, patientenspezifische Implantate mit angepassten mechanischen Eigenschaften herzustellen und dauerhaft im Körper zu belassen. Allerdings stellen filigrane Gitterstrukturen in der additiven Fertigung eine große Herausforderung dar. Lokale Unterschiede in der Wärmeableitung, unterschiedliche Bauteilorientierungen sowie komplexe Knotenpunkte führen zu inhomogenen Prozessbedingungen und können Porosität, Maßabweichungen oder unerwünschte Eigenschaftsänderungen verursachen.

Zielsetzung

Ziel des Teilvorhabens ist die Entwicklung von Methoden zur lokalen Anpassung von Prozessparametern in der additiven Fertigung, um die Qualität und Funktionalität additiv gefertigter Gitterimplantate gezielt zu verbessern. Durch eine lokal angepasste Prozessführung sollen prozessbedingte Schwankungen kompensiert und reproduzierbare Bauteileigenschaften erreicht werden. Gleichzeitig soll es möglich werden, gezielt gradierte Eigenschaften innerhalb der Gitterstruktur einzustellen. Dadurch kann die mechanische Stabilität des Implantats präzise an die Anforderungen des Knochenaufbaus angepasst werden. Das Implantat muss ausreichend stabil sein, um das Knochenwachstum zu unterstützen, gleichzeitig jedoch eine mechanische Belastung des neu gebildeten Knochens zulassen. Neben der Qualitätsverbesserung eröffnet die lokale Prozessparameteranpassung somit einen zusätzlichen Freiheitsgrad für die patientenspezifische Auslegung von Implantaten. Langfristiges Ziel ist es, Implantate zu entwickeln, die dauerhaft im Körper verbleiben können und eine zweite Operation zur Implantatentfernung vermeiden.

Vorgehensweise

Zur Erreichung der Projektziele wird zunächst der additive Fertigungsprozess für relevante Materialien durch experimentelle Untersuchungen vorqualifiziert. Dabei werden Prozessfenster und Prozessgrenzen für die Herstellung dichter Probenkörper und filigraner Gitterstreben bestimmt. Auf dieser Basis wird eine automatisierte Prozessvorbereitung entwickelt, die eine lokale Zuweisung von Prozessparametern ermöglicht. Anschließend werden experimentelle Untersuchungen durchgeführt, um die Auswirkungen lokaler Parameteranpassungen auf Bauteilqualität und Funktion zu analysieren. Dabei werden sowohl geometrische Eigenschaften als auch mikrostrukturelle und mechanische Eigenschaften der Gitterstrukturen untersucht. Prozessüberwachungsdaten aus optischen Sensorsystemen werden genutzt, um die thermischen Randbedingungen während des Fertigungsprozesses zu erfassen. Auf Grundlage dieser Daten werden Grey-Box-Modelle entwickelt, die den Einfluss geometrischer und prozessbedingter Faktoren beschreiben. Diese Modelle ermöglichen die gezielte Berechnung lokal angepasster Prozessparameter und damit eine stabilere Prozessführung sowie eine Verbesserung der Bauteilqualität und funktionalen Eigenschaften.

Danksagung

Dieses Projekt wird durch das Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) sowie den Projektträger VDI Technologiezentrum GmbH im Rahmen der Industrie-in-Klinik-Plattform MECEOR gefördert. Wir danken für die Möglichkeit, dieses Projekt bearbeiten zu dürfen.

Fördergeber

Projektträger

Forschungsnetzwerk bzw. Struktur

Konsortialpartner