Entwicklung geeigneter Prozesse und Werkzeuge für die Präzisionsbearbeitung von Co-Cr-Mo-Superlegierungen zur Steigerung der Sicherheit medizinischer Implantate

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Thorsten Halle; Professor Dr.-Ing. Bernhard Karpuschewski
• Fachliche Zuordnung: Spanende und abtragende Fertigungstechnik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 387598706

Speziell bei der Bearbeitung von medizinischen Implantaten ist es wichtig, definierte Oberflächenbeschaffenheiten und gering deformierte Werkstückrandzonen sicherzustellen, um ein vorzeitiges Bauteilversagen und oberflächliche Erosionserscheinungen zu vermeiden. Dies kann nur durch einen optimal abgestimmtenspanenden Fertigungsprozess erfolgen. Wie bereits in den Vorarbeiten für die Schruppbearbeitung der Hüftkugel aus Co-Cr-Mo gezeigt, wird durch die Wahl suboptimaler Bearbeitungsparameter die Werkstückrandzone deformiert und somit die Verschleißentwicklung des Implantates forciert. Weiterhin konnte bis dato der Einfluss derprozessinduzierten Epsilon-Phasenbildung im Werkstoff Co-Cr-Mo auf das Verschleißverhalten nicht untersucht werden. Zur Erfüllung der Zielkriterien, gering deformierte Randzone, geringe Oberflächenrauheit (Ra = 0,1 Mikrometer) und Ausbildung der Epsilon-Phase sollen im beantragten Vorhaben geeignete Schneidstoffe, Schneidengeometrien und Prozessparamter ermittelt und validiert werden. Da dieses Vorhaben eine komplexe Versuchsmatrix bedingt, müssen FE-Simulationen der Zerspanung durchgeführt werden. Werkstoffmodelle für den Werkstoff Co-Cr-Mo stehen aktuell nicht zur Verfügung. Demnach ist deren Entwicklung in enger Kooperation mitder Werkstoffwissenschaft in Form des Instituts für Werkstoff- und Fügetechnik ein zentrales Ziel dieses Forschungsvorhabens. In diesem Vorhaben soll ein Endbearbeitungsprozess mit definierter Schneide entwickelt werden, welcher es ermöglicht, durch Drehen bzw. Dreh-Fräsen aus wirtschaftlichen Gründen und dem Vorteil der ausreichend großen theoretischen Betrachtungsgrundlage eine Funktionsfläche zu erzeugen. Ein innovativer Ansatz ist die Schneidenmikrostrukturierung von Schneidstoffen, wie PKD, CVD-D und MKD sowie CBN. Es soll ein Oberflächenend-bearbeitungsverfahren mit geometrisch bestimmter Schneide zur Fertigung von Hüftpfannen aus Co-Cr-Mo mit definierten Randzoneneigenschaften entwickelt werden. Dies betrifft ebenso die prozessinduzierte Modifikation der werkstoffmechanischen Eigenschaften, wie z.B. ein gezielt eingestellter Anteil an Epsilon-Phase in der Randzone von Co-Cr-Mo- Legierungen. Dafür ist es notwendig, ein Werkstoffmodell zu entwickeln, das auf semiempirischen Gleichungen beruht, die alle wesentlichen metallphysikalischen Effekte abbilden, wie die Epsilon- Phasenbildung, und damit die dehnungs- bzw. spannungsabhängige Ausbildung einer hdp Phase in einer kfz Matrix. Betrachtungen zumDreh-Fräsen sind geplant, um geeignete Oberflächenrauhigkeit zu erreichen und Schnittkräfte reduzieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr.-Ing. Florian Welzel