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Individualisierte Implantate erweisen sich als die zukünftige Art, dem Patientenwohl in idealer Weise zu begegnen. Um eine wirtschaftliche Produktion zu ermöglichen, entwickelt ein Forschungsteam in Karlsruhe ein hybrid-additives Fertigungsverfahren.

Individualisierte Implantate erweisen sich als die zukünftige Art, dem Patientenwohl in idealer Weise zu begegnen. Gleichzeitig muss eine wirtschaftliche Produktion gewährleistet sein, um die Kosten tragbar zu halten. Ziel des Projektes MeSATech ist es, diese Ambiguität zu vereinen, indem ein hybrides Fertigungsverfahren zur Produktion von Implantaten Einsatz findet. Hybrid-Additiv meint die Kombination eines konventionell in Serie gefertigten Grundkörpers mit einem additiven, individualisierten Aufbau. Hierdurch ist eine individualisierte Produktion bei reduzierten Kosten möglich. Am Beispiel des Knieimplantats werden die fertigungstechnische Machbarkeit, eine Kostenanalyse und die Übertragbarkeit auf andere Implantate untersucht, um das Potential der hybriden Bauweise in der Medizintechnik aufzuzeigen. Fertigungsseitig sind folgende Herausforderungen zu lösen: Aufgrund der verfahrensbedingten Einschränkungen der Laser-Powder-Bed-Fusion (LPBF) sowie der notwendigen Positionsgenauigkeit der einzelnen Körper zueinander, bedarf es bei der hybriden Fertigung eines innovativen Einspannkonzeptes. Zudem bilden sich aufgrund unterschiedlicher Temperaturgradienten verfahrensabhängig unterschiedliche Gefügearten in dem aus Ti6Al4V gefertigten Bauteil aus. Dem vorwiegend globularen Gefüge des konventionellen Grundkörpers steht ein lamellares Gefüge im additiven Aufbau gegenüber, das Gefüge der Zwischenschicht ist martensitisch. Da im LPBF-Verfahren eine spanende Nachbearbeitung nötig ist, wird nicht nur die Verbindung der einzelnen Gefüge sondern auch der Einfluss der Gefügearten auf die Zerspanung nach einer Wärmebehandlung untersucht. Die Bewertung erfolgt einerseits anhand der Prozesskosten und -zeiten in Abhängigkeit der Stückzahl. Es werden die konventionelle Fertigung, die rein additive und die hybride Prozesskette analysiert und vergleichend gegenübergestellt. Die eigentlichen Vorteile, die sich für die Patienten in Form von Passgenauigkeit und einhergehender Schmerzreduktion, verbesserter Osseointegration und kürzeren Rehazeiten ergeben, werden qualitativ zusätzlich betrachtet. Um die Übertragbarkeit auf andere Implantate und einhergehende Kosten und Zeiten vorherzusagen, wird ein KI-basiertes Technologieplanungstool aufgebaut, in das ein künstlich neuronales Netz zur Abschätzung der additiven Kosten integriert ist.

Increasingly shortening product life cycles, regional market challenges and unforeseeable global events require highly iterative product and production adaptions. For faster adaptation, it is necessary to have a systematic understanding of the relationships between product design and production planning. A unified model and data structure are fundamental. Basic data must be extracted from both domains and integrated for consistent product-production co-design. For this purpose, we use a biological analogy, the genome-proteome phenomenon, to model the interdependencies of product (customer needs, functional requirements, design parameters) and production (technologies capabilities, machine information, process chain alternatives). From the genome, which represents the totality of available data of product and production, we contextualize the proteome, which represents an instance of a concrete product design and the corresponding production configuration. Thereby, one gene represents one incremental information set consisting of all above mentioned product and production information for a specific product function. For each of the mentioned information domains (e.g. product requirements) within a gene, a methodology exists (e.g. NLP) to model the interlinkage to the adjacent information domain (e.g. product function). Utilizing the interdependencies and heredity of product design and production planning enables quick analysis of adaptation-induced impact which will provide enhanced competitiveness in a volatile world.

In hybrid-additive manufacturing using powder bed fusion with laser beam (PBF-LB) conventionally manufactured base-bodies are overprinted with an individual geometry. In this paper, the influence of deviations of the initial layer thickness, and the focal plane on the component properties are investigated. For separate consideration of the individual effects, purely additive (AlSi10Mg) and hybrid-additive (AlSi10Mg on EN AW6082) test specimens were manufactured. The layer thickness was varied from 0 to 200 µm, and the focal plane between 0 and -8 mm. The influence on the microstructure due to the altered induced energy input is analyzed. These findings are correlated with respect to the tensile strength and material hardness. The highest strength is achieved with an initial layer thickness of 50 µm. A hardness decrease of 8 % due to hot stress cracks in the interface is avoided by targeted shifting of the focal plane.