Mechanical integrity of cranial implants produced via material extrusion-based additive manufacturing

Titel in Übersetzung: Mechanische Integrität von mittels Materialextrusion hergestellten Schädelimplantaten

Sandra Petersmann

Publikation: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

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Abstract

Der Einsatz von additiven Fertigungsverfahren für die Entwicklung von Polymerbauteilen nimmt täglich, insbesondere in Bereichen, in denen die Individualisierbarkeit eine wichtige Rolle spielt, wie z. B. in der Medizin, zu. Vor allem der 3D-Druck von Knochenersatzmaterialien wie Schädelimplantaten wird derzeit intensiv erforscht. Unter den verschiedenen Verfahrensvarianten ist die additive Fertigung auf Basis der Materialextrusion von Filamenten für Polymere besonders beliebt. Prozessbedingte Fehlstellen können sich jedoch stark auf die Materialeigenschaften und damit auf die Belastbarkeit der Bauteile auswirken. Deshalb sollten die in kritischen Anwendungen eingesetzten Materialien vor dem Einsatz systematisch charakterisiert werden. Ziel dieser Arbeit ist es daher, ausgewählte medizinische Polymere skalenübergreifend unter Anwendung einer mechanischen Prüfpyramide am Beispiel eines Schädelimplantats für den filamentbasierten 3D-Druck zu charakterisieren. Die Pyramide wurde für den additiven Fertigungsprozess adaptiert und startet mit der Materialauswahl/Filament-Ebene und geht über Prüfkörper und Subkomponenten bis hin zur Bauteilprüfung. Parallel werden Änderungen in der Morphologie und Mikrostruktur berücksichtigt. Im Zuge der ersten Ebene der Prüfpyramide, wurden sowohl medizinische, als auch verarbeitungstechnische Kriterien für die Materialauswahl herangezogen. Zudem wurde die generelle Temperaturabhängigkeit der mechanischen Eigenschaften der ausgewählten Polymere (Polyetheretherketon, Polylactid, Polymethylmethacrylat, Glykol-modifiziertes Polyethylenterephthalat, Polyvinylidenfluorid and Polypropylen) an Filamenten analysiert. Es zeigte sich, dass sich die mechanischen Eigenschaften einiger ausgewählter Materialien bereits signifikant zwischen Normtemperatur und Anwendungstemperatur verändern. Dies verdeutlicht die Bedeutung von Kennwerten, die unter tatsächlichen Anwendungsbedingungen bestimmt wurden. Auf Prüfkörperebene wurden dehnratenabhängige Zugversuche durchgeführt, um situationsabhängige Materialdaten für die simulationsunterstütze Auslegung von Bauteilen zu generieren. Dadurch können nicht nur statische oder monotone Belastungen, wie in der Literatur meist dargestellt, sondern auch schlagartige Belastungen berücksichtigt werden. Zusätzlich wurde der Einfluss von vorgeschalteten Wasch- und Sterilisationsprozessen analysiert. Die Ergebnisse zeigten dabei, dass nach korrekter Auswahl der Prozesse keine signifikanten Einflüsse auf das gedruckte Bauteil zu erwarten sind. Neben den oben erwähnten medizinischen bzw. anwendungsrelevanten Untersuchungen wurde auch die prozessabhängige Morphologie und deren Einfluss auf thermische und mechanische Kennwerte untersucht. Dies ist vor allem für teilkristalline Polymere von besonderer Bedeutung. Es zeigte sich, dass in Abhängigkeit von Druckgeschwindigkeit, Düsentemperatur, aber auch gewähltem Druckpfad einerseits nahezu homogene und andererseits stark anisotrope Strukturen, inklusive klar ausgeprägter Scher-induzierter Kristallisation und Shish-Kebab Strukturen, erzeugt werden können. Dies bestätigt, dass die von der Slicer-Software vorgeschlagene Druckreihenfolge nicht willkürlich gewählt werden sollte, sondern zur gezielten Adaption der Morphologie verwendet werden kann. Basierend auf diesen Erkenntnissen wurden Subkomponenten Tests durchgeführt. Ziel war es die optimalen Füllstrukturen für Schädelimplantate unter Stoßbelastung zu finden. Innere 3D-Wabenstrukturen mit 70% Füllung und geradlinige Strukturen mit 100% Füllung ergaben dabei die beste Kombination aus zulässiger maximaler Deformation, maximaler ertragbarer Kraft und absorbierter Energie bis Bruch. Die Ergebnisse konnten auch nicht durch Steifigkeits-basierende Topologie-Optimierung, oder den Einsatz einer rissstoppenden Zwischenschicht übertroffen werden. Als letzter Schritt der Prüfpyramide wurden Tests an
Titel in ÜbersetzungMechanische Integrität von mittels Materialextrusion hergestellten Schädelimplantaten
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Gradverleihende Hochschule
  • Montanuniversität
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Arbeiter, Florian, Mitbetreuer (intern)
  • Pinter, Gerald, Betreuer (intern)
  • Godec, Damir, Beurteiler B (extern)
  • Holzer, Clemens, Beurteiler A (intern)
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2022

Bibliographische Notiz

nicht gesperrt

Schlagwörter

  • Additive Fertigung
  • Materialextrusion
  • Mechanische Prüfpyramide
  • Mechanische Integrität
  • Schädelimplantate
  • Prozess-Struktur-Eigenschafts-Beziehung
  • Morphologie
  • Mikrostruktur

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