DE60300277T2

DE60300277T2 - Lasererzeugte poröse Oberfläche

Info

Publication number: DE60300277T2
Application number: DE60300277T
Authority: DE
Inventors: William O'neill; Christopher J. Sutcliffe; Eric Kildimo Co. Jones
Original assignee: Howmedica Osteonics Corp
Current assignee: Howmedica Osteonics Corp
Priority date: 2002-11-08
Filing date: 2003-11-07
Publication date: 2006-01-12
Anticipated expiration: 2023-11-08
Also published as: CA2448592C; US11155073B2; CA2448592A1; US20100291286A1; US10525688B2; US8992703B2; DE60300277D1; US8268100B2; AU2003261497B2; US20090286008A1; AU2003261497A1; US11510783B2; US20210162731A1; US20150258735A1; US20040191106A1; US8268099B2; EP1418013A1; EP1418013B1; US20130056912A1; US11186077B2

Description

STAND DER TECHNIK
Die vorliegende Erfindung betrifft eine poröse Oberfläche und ein Verfahren zur Ausbildung derselben, das einen gerichteten Energiestrahl verwendet, um gezielt ein Pulver zum Herstellen eines Teils umzuschmelzen. Insbesondere betrifft diese Erfindung einen computergestützten Apparat, der nacheinander mehrere Pulverschichten umschmilzt, um das entworfene Teil schichtweise aufzubauen. Die vorliegende Anwendung ist insbesondere auf ein Verfahren zum Ausbilden einer porösen und einer teilweise porösen Metallstruktur ausgerichtet.
BESCHREIBUNG DES STANDS DER TECHNIK
Das Gebiet der Freiformherstellung hat in jüngster Zeit viele wichtige Fortschritte in der Herstellung von Artikeln direkt von computergesteuerten Datenbanken erfahren. Diese Fortschritte, von denen viele im Gebiet der schnellen Prototypherstellung von Artikeln, wie Prototyp-Teile und Gussformen, liegen, haben die Zeit und die Kosten, die zur Herstellung von Artikeln notwendig sind, in hohem Maße herabgesetzt, insbesondere im Gegensatz zu herkömmlichen Bearbeitungsverfahren, in denen ein Materialblock, wie ein Metall, gemäß Ingenieurszeichnungen bearbeitet wird.
Ein Beispiel für eine moderne schnelle Prototyp-Technologie ist das selektive Laser-Sinterverfahren, das von Systemen ausgeführt wird, die von DTM Corporation, Austin, Texas erhältlich sind. Entsprechend dieser Technologie werden Artikel schichtweise aus einem laserschmelzbaren Pulver hergestellt, das in einer Schicht zur Zeit dosiert wird. Das Pulver wird durch Anwendung der Laserenergie, die in Raster-Scan-Weise auf Teile der Pulverschicht entsprechend eines Querschnitts des Artikels gerichtet wird, eingeschmolzen, umgeschmolzen oder gesintert. Nach dem Einschmelzen des Pulvers in jeder Schicht wird eine zusätzliche Schicht Pulver dosiert und das Verfahren wiederholt, wobei eingeschmolzene Teile oder seitliche Schichten einschmelzen, ebenso wie Teile vorheriger aufgetragener Schichten einschmelzen, bis der Artikel fertiggestellt ist. Ausführliche Beschreibungen der selektiven Laser-Sintertechnologie werden in U.S.-Patentschrift 4,863,538, U.S.-Patentschrift 5,017,753, U.S.-Patentschrift 5,076,869 und U.S.-Patentschrift 4,944,817 behandelt, die alle dem Kuratorium der Universität Texas zugewiesen sind. Quasi-poröse Strukturen sind auch in Form von regelmäßigen und unregelmäßigen Gitteranordnungen entwickelt worden, in denen einzelne Elemente (Säulen- und Querverbindungen) einzig von einem vordefinierten computergestützten Konstruktionsmodell der externen Geometrie und Gitterstruktur gebaut werden. Die selektiven Laser-Umschmelz- und Sintertechnologien haben die direkte Herstellung massiver oder dichter dreidimensionaler Artikel hoher Auflösung und Maßgenauigkeit aus einer Vielzahl von Materialien, einschließlich Wachs, Metallpulver mit Bindemitteln, Polykarbonaten, Nylon, anderer Kunststoffe und Verbundstoffe, wie polymerbeschichtete Metalle und Keramiken ermöglicht.
Die Herstellung eines orthopädischen Implantats durch Stereolithographie ist aus US-B-6 283 997 bekannt.
Auf dem Gebiet der schnellen Prototypherstellung von Teilen sind in den letzten Jahren große Verbesserungen hinsichtlich der Ausweitung hoch beanspruchbarer Teile hoher Dichte zur Verwendung in der Konstruktion und in der Pilotherstellung vieler nützlicher Artikel, einschließlich Metallteile, erzielt worden. Diese Fortschritte haben es ermöglicht, dass die selektiven Laser-Umschmelz- und Sinterverfahren nun auch in der Herstellung von Prototyp-Werkzeugen für das Spritzgießen verwendet werden, bei einer erwarteten Werkzeug-Lebensdauer von über zehntausend Formzyklen. Die Technologien sind auch auf die direkte Herstellung von Artikeln, wie Formen, aus Metallpulvern ohne ein Bindemittel angewandt worden. Beispiele für Metallpulver, die nachweislich in solchen direkten Herstellungsverfahren verwendet worden sind, umfassen Zweiphasen-Metallpulver der Kupfer-Zinne, Kupfer-Lote (wobei das Lot aus 70% Blei und 30% Zinn besteht) und Bronze-Nickel-Systeme. Die auf diese Weise gebildeten Metallartikel wiesen eine ziemlich große Dichte, beispielsweise Dichten von bis zu 70% bis 80% oder eine vollständig dichte Struktur auf (vor jeder Infiltration). Vorherige Anwendungen dieser Technologie haben danach gestrebt, die Dichte der Metallstrukturen zu erhöhen, die durch die Umschmelz- oder Sinterverfahren gebildet wurden. Das Gebiet der schnellen Prototypherstellung von Teilen hat sich darauf konzentriert, hoch beanspruchbare Teile hoher Dichte zur Verwendung und Konstruktion in der Herstellung vieler nützlicher Artikel, einschließlich Metallteile, bereit zu stellen.
Während sich das Gebiet der schnellen Prototypherstellung auf die Erhöhung der Dichte solcher dreidimensionalen Strukturen konzentriert hat, hat das Gebiet seine Aufmerksamkeit jedoch nicht darauf gerichtet, die Dichte dreidimensionaler Strukturen herabzusetzen. Folglich sind die Anwendungen, bei denen poröse und teilweise poröse metallische Strukturen und insbesondere poröse Metallstrukturen mit verbundener Porosität, die vorteilhaft für die Verwendung sind, außer Acht gelassen worden. Eine Aufgabe der Erfindung ist es, einen Laser und Pulvermetall zum Bilden von Poren in Strukturen zu verwenden, in denen Poren eine unregelmäßige Größe und eine gesteuerte Gesamtporosität besitzen. Eine weitere Aufgabe ist es, ein poröses Gewebe in Wachstumsflächen mit verbundener Porosität mit gleichbleibenden/r Poren und Porosität herzustellen.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer dreidimensionalen porösen Struktur, insbesondere zur Verwendung mit Gewebeeinwuchs. Eine Schicht Metallpulver wird auf einem Substrat oder einer Aufbauplattform aufgebracht. Metalle für das Pulver umfassen Titan, Titanlegierungen, Edelstahl, Chrom-Kobalt-Legierungen, Tantal oder Niob. Ein Laserstrahl mit vorbestimmten Einstellungen scannt die Pulverschicht, wodurch das Pulver vorzugsweise umschmilzt und sich folglich mit einer herabgesetzten Dichte verfestigt, was sich aus einem Anstieg der Porosität im Vergleich zu einem festen Metall ergibt. Der Laser-Leistungsbereich kann zwischen 5 W und 1000 W liegen. Nachdem die erste Pulverschicht fertiggestellt worden ist, werden die nachfolgende Offset-Schichtenbildung. und das Umschmelzen fortgesetzt, bis der poröse Teil erfolgreich fertiggestellt worden ist. In dieser Ausführungsform besteht der Vorteil des gebildeten Teils darin; dass die herabgesetzte Dichte die Porosität erhöht und somit ermöglicht, dass das Teil unter anderem für Gewebeeinwuchs verwendet werden kann.
In einer zweiten Ausführungsform wird die erste Schicht Metallpulver auf einem festen Grundmaterial oder auf einem festen Kern niedergeschlagen und damit verschmolzen. Bevorzugte Metalle, die für den Kern verwendet werden, umfassen Titan, Titanlegierungen, Edelstahl, Chrom-Kobalt-Legierungen, Tantal und Niob. Aufeinanderfolgende Pulverschichten der gleichen oder unterschiedlichen Materialien werden noch einmal schichtweise hinzugefügt, bis das Teil fertiggestellt ist. Diese Ausführungsform hat den gewünschten Effekt, eine Struktur bereitzustellen, in der die Porosität erhöht werden kann, während die Struktur aufgebaut wird, was zu einem abgestuften Profil führt, in dem die mechanischen Eigenschaften ebenfalls vom Kern nach außen herabgesetzt sind. Dies ermöglicht, dass das gebildete Teil unter anderem für medizinische Implantate und Prothesen verwendet werden kann, aber noch immer eine Fläche für Gewebeeinwuchs bereitstellt.
Das Verfahren zur Herstellung einer dreidimensionalen porösen Gewebeeinwuchsstruktur kann das Niederschlagen einer ersten Schicht eines Pulvers, das aus einem Metall hergestellt ist, das aus der Gruppe bestehend aus Titan, Titanlegierungen, Edelstahl, Chrom-Kobalt-Legierungen, Tantal und Niob ausgewählt ist, auf einem Substrat umfassen. Gefolgt vom mindestens einmaligen Abtasten eines Laserstrahls der ersten Pulverschicht. Der Laserstrahl besitzt eine Stärke (P) in Joule pro Sekunde mit einer Scan-Geschwindigkeit (v) in Millimeter pro Sekunde mit einem Bereich zwischen 80 und 400 mms und einer Strahlüberlappung (b) in Millimetern zwischen 50% und –1200%. Somit liegt die mit der Formel P/(b × v) berechnete Zahl im Bereich 0,3–8 J/mm².
Mindestens eine zusätzliche Schicht Pulver wird aufgebracht, und dann werden die Laser-Scan-Schritte für jede nachfolgende Schicht wiederholt, bis eine gewünschte Bahnhöhe erreicht worden ist. In einer zweiten Ausführungsform wird während des Schritts des Wiederholens der Laser-Scann-Schritte mindestens ein Laser-Scan in Bezug zu einem anderen Laser-Scan im Winkel ausgeführt, um eine Verbindungs- oder eine Nicht-Verbindungs-Porosität zu entwickeln.
Die Dicke der ersten Schicht und der nachfolgenden Schichten Pulver liegt zwischen 5 μm–2000 μm. Der Laser kann entweder im kontinuierlichen oder im Pulsbetrieb eingesetzt werden, wobei die Frequenz der Impulse im Bereich von ungefähr 1 KHz bis 50 KHz liegt. Vorzugsweise wird das Verfahren unter einer inerten Atmosphäre ausgeführt, noch besser insbesondere einer inerten Argonatmosphäre.
Um eine größere mechanische Festigkeit zwischen dem Grundmaterial oder dem Kern und der ersten Schicht Pulver zu erreichen, kann ein drittes Metall als Zwischenschicht verwendet werden. Das dritte Metall dient als Bindungsbeschichtung zwischen dem Kern und der ersten Schicht Pulver. Zusätzlich kann der Kern Bestandteil der sich ergebenden porösen Einwuchsstruktur sein und der Gesamtstruktur zusätzliche physikalische Eigenschaften verleihen. Der Kern kann auch von dem sich ergebenden porösen Oberflächenaufbau abnehmbar sein.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstellen poröser und teilweise poröser metallischer Strukturen mit einer bekannten Porosität zur Verwendung in insbesondere, aber nicht ausschließlich harten oder weichen Verbindungsstrukturen oder medizinischen Prothesen herzustellen.
Diese und andere Aufgaben werden durch ein Verfahren zum Herstellen eines Artikels erfüllt, in dem lasergerichtete Techniken verwendet werden, um eine poröse dreidimensionale Struktur mit verbundener Porosität und vorbestimmter Porendichte, Porengröße und Porengrößenverteilung herzustellen. Der Artikel wird beispielsweise durch Umschmelzen durch Verwenden eines Lasers und Verändern entweder der Stärke des Lasers, der Schichtdicke des Pulvers, des Laserstrahldurchmessers, der Scan-Geschwindigkeit oder der Überlappung des Strahls hergestellt. Bei der Herstellung einer dreidimensionalen Struktur kann das Pulver entweder auf ein festes Grundmaterial aufgebracht werden oder nicht. Der Artikel wird schichtweise bis zur Fertigstellung gebildet.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Verfahren zum Bilden der porösen Fläche der vorliegenden Erfindung können auf viele Weisen ausgeführt werden, wobei einige Ausführungsformen nun beispielhaft und mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben werden, in denen:
1 eine schematische Darstellung des Apparats ist, der verwendet wird, um Prüfproben gemäß den Verfahren der vorliegenden Erfindung herzustellen;
2 eine photographische Aufzeichnung ist, die eine Anordnung von Proben zeigt, die durch die Verfahren hergestellt werden, wie sie vom Apparat der 1 ausgeführt werden;
3 eine Tabelle ist, die eine Reihe von Parametern zeigt, die für die Proben von 2 verwendet werden;
4 bis 10 Rasterelektronenmikroskop-Bilder der Flächenstruktur verschiedener Proben sind, die durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellt wurden;
11 eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme ist, die von einer porösen Ti-gesinterten Struktur genommen wurde;
12 ein optisches Bild eines Schnitts durch eine Probe ist, das die Mikrostruktur zeigt;
13 ein Bild ist, das Flächenstrukturen zeigt;
14 und 15 profilimetrische Bilder berührungsfreier Flächen sind, die Draufsichten der Proben zeigen; und
16 bis 25 rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen sind, die vor den in 7 und 8 gezeigten Mehrschicht-Strukturen erstellt wurden.
26 die Metallographie und Spektren einer typischen Bindungsbeschichtungsstruktur angibt.
27 die Wirkung des Linienabstands auf die Porengröße zeigt.
28a–f Beispiele typischer Waffelstrukturen sind.
29 eine trabekuläre knochenartige Struktur ist, die von einem Mikro-CT-Scan aufgebaut ist.
30 typische freistehende Strukturen zeigt.
31 eine freistehende Struktur zeigt, die unter Verwendung der bevorzugten Scan-Strategie aufgebaut ist.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bilden poröser und teilweise poröser metallischer Strukturen, die insbesondere, aber nicht ausschließlich zur Verwendung in harten oder weichen Verbindungsstrukturen für medizinische Implantate und Prothesen anwendbar sind. Das Verfahren macht sich die Lasertechnologie durch Anwendung einer Vielzahl von Scan-Strategien zunutze. Typische verwendete Metalle und Metalllegierungen umfassen Edelstahl, Chrom-Kobalt-Legierungen, Titan und seine Legierungen, Tantal und Niob, die alle in medizinischen Geräteanwendungen genutzt worden sind. Die vorliegende Erfindung kann für solche medizinischen Geräteanwendungen genutzt werden, in denen eine Verbindung von Knochen und weichem Gewebe mit einer Komponente erforderlich ist oder wo eine gesteuerte Struktur erforderliche ist, um besser zu den mechanischen Eigenschaften des Geräts mit umgebenden Gewebe zu passen. Zusätzlich kann die vorliegende Erfindung angewandt werden, um die Biokompatibilität einer porösen Struktur mit Tiergewebe zu verbessern. Unter Berücksichtigung dieser Vorteile kann eine Struktur erzeugt werden, die spezifische Abmessungen verwendet, die erforderlich sind, um sich besser auf einen Patienten einzustellen.
Eine bestimmte Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine dreidimensionale Struktur unter Verwendung eines direkten Laser-Umschmelzverfahrens herzustellen, zum Beispiel für das Aufbauen von Strukturen mit oder ohne ein Grundmaterial bzw. einen Kern. Wenn die dreidimensionale Struktur bei einer orthopädischen Prothese angewendet wird, könnte sie benutzt werden, um eine poröse äußere Schicht bereitzustellen, die eine Knocheneinwuchsstruktur bildet. Alternativ könnte die poröse Struktur, wenn sie mit einem Kern angewendet wird, benutzt werden, um eine Prothese mit einer bestimmten Steifigkeit zu bilden, um sowohl die Bedingung einer Modul-Übereinstimmung mit umgebendem Gewebe zu erfüllen als auch vernetzte Porosität für die Gewebeverbindung bereitzustellen. Eine weitere Verwendung könnte das Bilden einer ganzporösen Struktur mit abgestufter Porengröße sein, so dass diese mit mehr als einem Gewebetyp in Wechselwirkung treten kann. Wiederum kann das Verfahren angewendet werden, um auf einem festen Grundmaterial oder einem Kern mit einer äußeren porösen Fläche aufzubauen, wobei die Porosität gleichbleibend ist oder sich verändert. Die Grund- oder Kernmaterialien, auf die das Verfahren angewendet wird, bestehen entweder aus Titan und seinen Legierungen, Edelstahl, Chrom-Kobalt-Legierungen, Tantal oder Niob. Die bevorzugten Flächenbeschichtungen sind Titan, Chrom-Kobalt und Tantal, Edelstahl und Niob können jedoch ebenfalls verwendet werden. Vollständig poröse Strukturen können aus jedem der getesteten Materialien aufgebaut werden, wobei das bevorzugte Material Titan ist. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zu entwickeln, das kommerziell für die Herstellung von zum Beispiel Knochenverbindungsflächen an einem Gerät genutzt werden kann, obwohl es noch viele andere Verwendungsmöglichkeiten gibt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zum Bilden einer dreidimensionalen Struktur das Bilden der Form durch Laserschmelzen von pulverisiertem Titan und Titanlegierungen, Edelstahl, Chrom-Kobalt-Legierungen, Tantal oder Niob. Der Laser kann ein kontinuierlicher oder gepulster Laserstrahl sein.
Das Verfahren kann so ausgeführt werden, dass die Struktur porös ist und, falls erwünscht, können die Poren miteinander verbunden sein, um eine verbundene Porosität bereitzustellen.
Falls gewünscht, kann das Verfahren die Verwendung eines Grundmaterials oder Kerns umfassen, der aus einer Chrom-Kobalt-Legierung, Titan oder einer Legierung, Edelstahl, Niob und Tantal besteht, auf dem durch Laserschmelzen unter Verwendung eines kontinuierlichen oder gepulsten Laserstrahls eine poröse Schicht aus jedem beliebigen der zuvor erwähnten Metalle und Legierungen aufgebaut wird. Somit kann eine Mischung aus gewünschten Mischmaterialien angewendet werden.
Somit kann das Verfahren auf einen bereits vorhandenen Artikel angewendet werden, der aus Chrom-Kobalt, Titan oder Titanlegierungen, Edelstahl, Tantal oder Niob besteht, wie ein orthopädisches Implantat, um eine poröse äußere Schicht aus jedem beliebigen der zuvor erwähnten Metalle oder Legierungen herzustellen, um eine Knocheneinwuchsstruktur bereitzustellen.
Vorzugsweise kann vor dem Niederschlagen jedes beliebigen Pulvers auf einem Substrat eine Reinigung durchgeführt werden, um eine von Verunreinigungen freie Fläche sicherzustellen. Üblicherweise kann dieses Verfahren ein Waschen mit Lösungsmittel umfassen, auf das ein Reinigungs-Scan des Lasers ohne das Vorhandensein von Partikeln folgt.
Um die mechanische Bindung zwischen einem Substrat, das heißt Kern oder Grundmaterial, und einer ersten Schicht von niedergeschlagenem Pulver zu stärken, kann ein Beschichtungsverfahren angewendet werden. Das Beschichtungsverfahren umfasst das Aufbringen eines dritten Metalls direkt auf das Substrat, das eine höhere Bindungskraft zum Substrat aufweist, als die erste Pulverschicht. Dieses Verfahren ist insbesondere nützlich, wenn das Substrat und die erste Pulverschicht aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Das Verfahren zum Substratbeschichten kann unter Verwendung bekannter Verfahren ausgeführt werden, einschließlich Aufbringen mittels Laser, Plasma-Beschichten, dynamischem Kaltgasspritzen oder ähnlicher Verfahren. Ein Beispiel für das Beschichtungsverfahren umfasst die Verwendung von entweder Niob oder Tantal als eine Schnittstelle zwischen einem Substrat aus Chrom-Kobalt-Legierung und einer ersten Schicht aus Titanpulver.
Die vorliegende Erfindung kann auch ein Laserschmelzverfahren umfassen, das eine nachfolgende Wärmebehandlung der Struktur unnötig macht, wodurch die ursprünglichen mechanischen Eigenschaften des Kerns oder Grundmaterials erhalten werden.
Die vorliegende Erfindung kann dazu verwendet werden, eine ganzporöse Struktur unter Verwendung jedes beliebigen der zuvor erwähnten Metalle oder Metalllegierungen herzustellen. Solche Strukturen können als Fertigprodukte verwendet oder weiter bearbeitet werden, um ein nützliches Gerät entweder für den Einwuchs von Knochen oder von weichem Gewebe zu bilden. Zusätzlich kann die Struktur verwendet werden, um andere Funktionen zu erfüllen, wie die eines Gitters, um Zellen zu tragen.
Die Porendichte, die Porengröße und die Porengrößenverteilung können von einer Stelle der Struktur zur anderen gesteuert werden. Es ist wichtig, zu beachten, dass aufeinanderfolgende Pulverschichten sich in ihrer Porosität aufgrund sich verändernder Faktoren unterscheiden können, die für das Laser-Scannen von Pulverschichten verwendet werden. Beispielsweise wird eine erste Pulverschicht aufgebracht und anschließend gescannt. Als nächstes wird eine zweite Pulverschicht aufgebracht und gescannt. Um die Porosität zu steuern, kann der zweite Scan in Bezug auf den ersten Scan im Winkel durchgeführt werden. Zusätzlich kann das in Bezug auf vorhergehende und nachfolgende Scans im Winkel erfolgende Scannen während des Vorgangs des Aufbaus einer porösen Struktur viele Male gelenkt und verändert werden. Wenn eine Struktur aufgebaut würde, ohne den Winkel eines der nachfolgenden Scans zu verändern, würde man eine Struktur erzeugen, die mehrere Wände anstelle einer einzigen mit einer Verbindungs- oder Nichtverbindungsporosität aufweist.
Bei einem dieser Verfahren umfasst der Vorgang des Laserschmelzens das Abtasten des Laserstrahls des Pulvers in parallelen Scan-Linien mit einer Strahlüberlappung, das heißt mit einem Scan-Abstand, gefolgt von ähnlichen zusätzlichen Scans oder nachfolgenden Scans bei 90°. Der gewählte Scan-Typ kann sowohl von der anfänglichen Schichtdicke als auch von der erforderlichen Bahnhöhe abhängen. „Bahnhöhe" bezieht sich auf die Höhe einer einzelnen Stufe der porösen Struktur. Die Bahnhöhe kann durch zusätzliche aufgebrachte Pulverschichten einer Struktur und das Führen des Lasers in dem gleichen Winkel wie der vorhergehende Scan vergrößert werden.
Außerdem können die zusätzlichen Scan-Linien in Bezug auf den ersten Scan in jedem beliebigen Winkel verlaufen, um eine Struktur mit der Bildung einer bestimmten Porosität zu erzeugen, die regelmäßig oder zufällig sein kann. Das Scan-Gerät kann so programmiert werden, dass es in einer zufällig erzeugten Weise vorgeht, um eine unregelmäßige poröse Struktur herzustellen, die jedoch einen bestimmten Grad der Porosität aufweist. Außerdem kann der Scan unter Verwendung digitalisierter Bilder verschiedener Strukturen, wie eines trabekulären Knochens, vorprogrammiert werden, um eine ähnliche Struktur herzustellen. Im Gegensatz dazu kann der Scan unter Verwendung der Umkehrung digitalisierter Bilder, wie der Umkehrung eines digitalisierten trabekulären Knochens, vorprogrammiert werden, um trabekulär geformte Hohlräume herzustellen. Viele andere Scan-Strategien sind möglich, wie ein Waffel-Scan, von denen jede Verbindungsporosität erzeugt, falls es erwünscht ist.
Die Strahlüberlappung oder Schichtüberlappung kann durch Drehung des Laserstrahls oder des Teils oder einer Kombination von beidem erreicht werden.
Ein erstes Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ist dazu bestimmt, eine poröse Struktur für Knocheneinwuchs auf der äußeren Fläche der Schicht einer Prothese herzustellen.
Zum Herstellen einer porösen Flächenstruktur hängt die Beschaffenheit des Materials, das als Ergebnis des Laserschmelzens von pulverisierten Kügelchen gebildet wird, grundsätzlich von dem betreffenden thermischen Profil ab (Erwärmungsgeschwindigkeit, Durchwärmzeit, Abkühlgeschwindigkeit); dem Zustand des Rohmaterials (Größe und Größenverteilung der Pulverpartikel); den atmosphärischen Bedingungen (reduzierendes, inertes oder oxidierendes Kammergas); und der genauen Steuerung der aufgebrachten Schichtdicke.
Es wurde eine Reihe von Studien ausgeführt, um die optimale Porenstruktur zur Maximierung des Knocheneinwuchses auf Prothesen zu bestimmen. Die allgemeinen Ergebnisse deuten darauf hin, dass die optimale Porosität zwischen ungefähr 20% und 40% liegt, und streben einen Mittenwert mit einem mittleren Volumenprozent an Hohlräumen von etwa 70% an. Die bevorzugte Porenstruktur ist unregelmäßig und verbunden, mit einer minimalen Porengröße zwischen etwa 80 μm und 100 μm und einer maximalen Porengröße zwischen ungefähr 80 μm und 800 μm. Die strukturierte Dicke für den Einwuchs ist 1,4–1,6 mm, kann aber gräßer oder kleiner sein, je nach Anwendung. Es kann zum Beispiel notwendig sein, sogar noch kleinere Porengrößen für andere Arten von Gewebewechselwirkung oder spezifische Zellwechselwirkung herzustellen.
Die erste Entwicklungsphase der vorliegenden Erfindung beinhaltete eine Untersuchung, die so ausgerichtet war, dass sie den Materialumwandlungsvorgang kennzeichnen und die optimalen Verarbeitungsparameter unter Verwendung der drei Substratmaterialien CoCr und Ti, Edelstahllegierungen mit den fünf Pulvertypen Ti, CoCr, Ta und Nb, Edelstahl ermitteln sollte.
Die ersten Versuche mit Direkter Laserumschmelzung erforschten einen umfassenden Bereich von Verfahrensparametern während der Herstellung einer Anzahl beschichteter Grundsubstrate. Die Ergebnisse dieses Projekts wurden unter Verwendung von Laser- Scannen und Weißlicht-Interferometrie ausgewertet, um den Bereich der Verfahrensparameter zu bestimmen, die die optimale Porenstruktur erzeugten.
Mit Bezug auf 1 wird der Apparat dargestellt, der verwendet wurde, um das Verfahren auszuführen, das einen Industrie-Nd:YAG-Laser 10 von Rofin Sinar Lasers, in Hamburg, Deutschland, umfasst, der an einen analogen RSG1014 Galvo-Scan-Kopf 12 angeschlossen ist, der eine maximale Scan-Geschwindigkeit von 500 mm/s bereitstellt. Der Laserstrahl 14 ist in eine atmosphärisch gesteuerte Kammer 16 gerichtet, die aus zwei computergesteuerten Plattformen zur Pulverzufuhr und zum Teileaufbau besteht. Das Pulver wird der Kammer 16 von einer Kammer mit veränderlichem Fassungsvermögen 18 zugeführt und durch eine Rolle 20 zu einer Aufbauplattform 22 über einer Aufbaukammer mit veränderlichem Fassungsvermögen 24 transportiert. In der in 1 dargestellten Ausführungsform sind die Parameter des Aufbau- und Zufuhrsystems so optimiert, dass sogar eine 100 μm dicke Pulverbeschichtung für jede Aufbauschicht niedergeschlagen werden kann. Die als Oberflächenmaterialien gewählten Metalle sind wegen ihrer Affinität zu Sauerstoff alle schwierig zu bearbeiten. Cr und Ti oxidieren leicht, wenn sie in sauerstoffhaltiger Atmosphäre mit dem Laser bearbeitet werden, ihre Oxidationsprodukte weisen hohe Schmelzpunkte und schlechte Fließfähigkeit auf. Aus diesem Grund und um die Bildung von anderen unerwünschten Phasen zu vermeiden, wurden die Verfahren unter einer inerten Argon-Atmosphäre in der Kammer 16 durchgeführt. Der Druck blieb während der gesamten Anwendung bei oder unter Atmosphärendruck.
Die in 1 dargestellte Aufbaukammer 24 und das zuvor beschriebene Verfahren des Schichtens ist für Prüfproben und -aufbauten, wie dreidimensionale freistehende Strukturen, geeignet. Um jedoch auf bereits vorhandenen Geräten aufzubauen, wie azetabularen Metallschalen, femoralen Hüft- und Kniekomponenten, tibialen Kniekomponenten und anderen solchen Geräten, müssten beträchtliche Veränderungen an dem Pulverschichtverfahren vorgenommen werden.
Vorläufige Experimente wurden an einer CoCr-Legierung durchgeführt, um die Wirksamkeit einer Laserreinigung am Einsatzort des Substrats zu bestimmen. Typische Bearbeitungsbedingungen waren: eine Laserstärke von 82 W, eine Impulsfrequenz von 30 KHz und eine Laser-Scan-Geschwindigkeit von 160 mm/s.
Vorläufige Experimente wurden an CoCr durchgeführt, um die Umweltbedingungen innerhalb der Kammer zu beurteilen. In diesen Beispielen wurde eine Co212-e-Chrom-Kobalt-Legierung verwendet. Das CoCr war in quadratischen Strukturen angeordnet, die Coupons genannt wurden. Anordnungen von Coupons wurden auf einem Edelstahlsubstrat aufgebaut. Die Co212-e-Chrom-Kobalt-Legierung wies eine Partikelgrößenverteilung von 90 < 22 μm auf, das heißt 90% der Partikel, deren Zusammensetzung in der nachfolgenden Tabelle dargestellt ist, sind kleiner als 22 μm.
Tabelle 1
Wie in 2 gezeigt, wurde mit dem Verfahren von Tabelle 2 unter Verwendung einer maximalen Laserstärke von 78 Watt (W) und einer Laser-Scan-Geschwindigkeit, die sich für jeden Coupon zwischen 100–120 mms^–1 veränderte, eine Anordnung von neun Probecoupons hergestellt. Natürlich kann eine größere Laserstärke verwendet werden; jedoch würde eine größere Laserstärke auch die Erhöhung der Geschwindigkeit der Laser- Scan-Geschwindigkeit erfordern, um das erwünschte Schmelzen der Pulverschicht herbeizuführen. Ein einfacher linearer Scan in X-Richtung wurde bei jedem der Coupons verwendet. Dies ermöglichte es, den Verarbeitungsparameter, Strahlüberlappung zu verwenden, um den Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Scan-Linien zu steuern. Das heißt, bei einer Laserlichtpunktgröße von 100 μm erzeugt eine Überlappung von –200% eine Lücke von 100 μm zwischen den Scans. Obwohl der akzeptable Bereich für die Strahlüberlappung zwischen +50% bis –1200% angegeben ist, sollte nachdrücklich angemerkt werden, dass die negative Zahl sich nur auf die Tatsache bezieht, dass eine Lücke vorhanden ist, im Gegensatz zu einer Überlappung zwischen aufeinanderfolgenden Scans. Eine Strahlüberlappung von null bezieht sich beispielsweise auf die Tatsache, dass aufeinanderfolgende Scans auf derselben Pulverschicht aneinander grenzen. Wenn die Strahlüberlappung 5% betrüge, würden 5% des ersten Scans von dem zweiten Scan überlappt. Beim Berechnen der Andrew-Zahl wird der absolute Wert der Strahlüberlappung verwendet. Der komplette Satz der verwendeten Verfahrensparameter ist in der nachfolgenden Tabelle 2 dargestellt.
Tabelle 2
Die inkrementalen Veränderungen der Scan-Geschwindigkeit und des Umfangs des Geschwindigkeitsbereichs wurden bei fortschreitendem Experiment verändert. Zu Anfang wurde ein großer Geschwindigkeitsbereich verwendet, um einen ersten Hinweis auf die Leistung des Materials und seine Neigung zu schmelzen bereitzustellen. Als die Experimente fortschritten, wurde der Bereich reduziert, um das Prozessfenster genauer zu bestimmen. Die Veränderungen der Geschwindigkeit und der Strahlüberlappung wurden verwendet, um die spezifische Energiedichte zu verändern, die auf das Pulverbett angewendet wurde, und die Eigenschaften der endgültigen Struktur zu ändern. Die vollständige Parameterreihe ist in 3 angegeben, wobei die Parametersätze, die für die maßgeblichen Muster verwendet wurden, grau schattiert sind.
CoCr war das erste von vier Pulvern, die untersucht wurden, und daher wurde ein großer Verfahrensparameterbereich verwendet. In jedem Fall wurden die Laserstärke und die Impulswiederholungsrate konstant gehalten, das heißt, kontinuierlicher Laserpuls, um die beiden verbleibenden Parameter vergleichen zu können. Die Schichtdicke wurde während aller hier beschriebenen Experimente bei 100 μm gehalten. Die Schichtdicke kann sich jedoch zwischen 5 μm und 2000 μm ändern.
Nach Abschluss der ersten Experimentreihe, die CoCr-Pulver auf 2,5 mm dicken Edelstahl-Substraten verwendete, wurde eine grundlegende optische Analyse der Oberfläche der Coupons durchgeführt, um die Größe der erhaltenen Poren und den Porositätsgrad zu ermitteln. Sobald eine gewünschte Porengröße erreicht war und die Coupons ausreichenden Zusammenhalt besaßen, wurden die zwei Experimente wiederholt, deren Ergebnisse der gewünschten optimalen Porengröße am nächsten kamen, und zwar zuerst unter Verwendung von CoCr- und anschließend von Ti-Substraten. Die gleiche Struktur konnte durch andere Parameter erreicht werden.
Nach Abschluss der CoCr-Experimente wurden die verbleibenden drei Pulver Niob, Tantal und Titan nacheinander untersucht. Das Verfahren folgte einem einfachen Ablauf, obwohl weniger Parametersätze erforscht wurden, da die höheren Schmelzpunkte dieser Materialien die Reduzierung der Geschwindigkeit im Vergleich zu CoCr-Pulver nötig machten.
Für Niob war die Beschreibung der Partikelgröße 80% < 75 μm bei einer Reinheit von 99,85%. Wegen seiner im Vergleich zu CoCr höheren Schmelztemperatur (bei Nb beträgt sie ungefähr 2468°C und bei CoCr ungefähr 1383°C), umfassten die Laserparameter, die verwendet wurden, einen reduzierten Scan-Geschwindigkeitsbereich und eine erhöhte Strahlüberlappung, die eine erhöhte spezifische Energiedichte am Pulverbett bereitstellten. Außerdem wurde die Impulswiederholungsrate von 20 KHz bis 50 KHz verändert.
Nach Abschluss einer kleinen Anzahl (vier insgesamt) vorbereitender Experimente mit Nb auf Edelstahl-Substrat wurde das Experiment mit den idealsten Parametern sowohl an den CoCr- als auch an den Ti-Substraten wiederholt.
Das Tantal, das bei dieser Studie verwendet wurde, hatte eine besondere Größenverteilung von 80% < 75 μm bei einer Reinheit von 99,85%. Ta besitzt einen Schmelzpunkt von ungefähr 2996°C und wurde unter Verwendung der gleichen Laserparameter wie Nb bearbeitet. Im Vertrauen auf die atmosphärische Reaktionsträgheit wurde das Ta-Pulver direkt auf den CoCr- und Ti-Substraten geschmolzen.
Biomedizinische Legierungen von Titan waren nicht ohne Weiteres in Pulverform erhältlich, daher wurde reines Ti gewählt. Die Größenverteilung der Partikel für das Ti-Pulver war 80% < 45 μm bei einer Reinheit von 99,58%. Die gleichen Parameter, die für Nb und Ta verwendet wurden, wurden auch für das Ti-Pulver verwendet. Ti besitzt einen niedrigeren Schmelzpunkt als Ta oder Nb, wobei der Schmelzpunkt von Ti ungefähr 1660°C beträgt, weist aber höhere thermische Leitfähigkeit auf als Ta oder Nb. Dies lässt darauf schließen, dass, obwohl das Pulver vor dem Schmelzen weniger Energie benötigen sollte, der verbesserte Wärmetransfer bedeutet, dass ein größerer Teil der Energie von dem Schmelzbad abgeführt wird.
Nach der Fertigstellung von Proben mit allen vier Pulvern auf den gewünschten Substraten wurde eine Oberflächenanalyse unter Verwendung der optischen Analyse und eines Elektronenrastermikroskops durchgeführt, um Bilder von den sich ergebenden Poren zu erhalten. Die Porosität wurde unter Anwendung einer einfachen Bildbearbeitungstechnik berechnet, die die Einstellung von Kontrastschwellen und Pixelzählung beinhaltete. Obwohl diese Technik nicht das genaueste Verfahren ist, erlaubt sie die schnelle Analyse kleiner hergestellter Proben. Techniken, wie die Xylen-Imprägnierung, würden genauere Ergebnisse erbringen, aber sie sind zeitaufwändig und erfordern größere Proben als die hier hergestellten.
Nach einer ausgeweiteten Experimentreihe wurden zwei Laser-Verfahrensparameter-Sätze für das Laser-Schmelzen von CoCr-Pulver gewählt. Aus der Analyse der Edelstahl-Substrate wurde ersichtlich, dass ein großer Teil der Ergebnisse innerhalb der für diese Materialien erwünschten Porengröße lag, die mit einem Bereich von 80 μm bis 400 μm angegeben war.
Optische Analysen der Oberflächenstruktur jeder der Coupons, die mit CoCr auf CoCr- und Ti-Legierung-Substraten hergestellt wurden, wurden anfänglich untersucht, doch aufgrund von Problemen mit der Tiefenschärfe, die mit einem Lichtmikroskop in Zusammenhang stehen, konnten nur wenige Informationen gewonnen werden. Zusätzlich zu den Coupons, die hergestellt wurden, um die Projektbedingungen zu erfüllen, wurden zwei Experimente unter Verwendung einer relativ großen negativen Strahlüberlappung von –250 und –500% durchgeführt. Die optischen Bilder der Oberfläche des Coupons und im Schnitt sind in 4 dargestellt. Dies waren nicht die endgültigen Parameter, die für die letztendlichen Anordnungen auf CoCr- und Ti-Legierung-Substraten gewählt wurden, da die Porengröße die erforderlichen 80 μm bis 400 μm überstieg. Sie werden hier gezeigt, um darzustellen, was das Direkte Laser-Umschmelzverfahren leisten kann, wenn eine übermäßige Srahlüberlappung angewandt wird.
Um eine deutlichere Anzeige der Porengröße und -dichte bereitzustellen, wurde die optische Analyse unter Verwendung von Bildern wiederholt, die mit dem Rasterelektronenmikroskop gewonnen wurden. 5 ist ein Bild von zwei Coupons, die von einer CoCr-Anordnung auf Ti-Legierung-Substraten hergestellt wurden. Diese Anordnung wurde gewählt, weil sie den Anforderungen dieses Versuchs am besten entsprach. Die Parameter waren: Laserstärke von 82 W mit kontinuierlicher Welle (cw); 25% Strahlüberlappung; Scan-Geschwindigkeit. verändert zwischen 100 mms^–1 und 260 mms^–1 in Inkrementen von 20 mm^–1; die Bilder der hier gezeigten Coupons, die von dieser Anordnung gemacht wurden, wurden mit Scan-Geschwindigkeiten von 180 mms^–1 bis 200 mms^–1 hergestellt. Die Oberfläche besteht aus eingeschmolzenen Bahnen, die ein Netzwerk untereinander verbundener Poren bilden. Diese Struktur setzt sich über die ganze Schicht hinweg fort, bis die Schnittstelle erreicht ist. Die Schnittstelle ist durch ein Flickwerk von Schmelzgrenzen gekennzeichnet. Diese Grenzstellen sind dafür verantwortlich, die untereinander verbundene Oberflächenstruktur an der Grundplatte zu befestigen. Die makroskopische Struktur ist mit ungeschmolzenen Pulverpartikeln bedeckt, die lose befestigt erscheinen. Außerdem sind größere, wieder verfestigte Kügelchen vorhanden, die eine geringe Bindung an die Oberfläche aufweisen können.
6 und 7 sind die Rasterelektronenmikroskop-Bilder, die von den Nb- und Ta-Coupons auf Ti-Legierung-Substraten gemacht wurden. Insbesondere 6(a) bis 6(e) sind Rasterelektronenmikroskop-Bilder von der Oberflächenstruktur von Nb auf Ti-Legierung-Substraten, die mit einer Laserstärke von 82 W cw, –40% Strahlüberlappung, hergestellt wurden. Die verwendeten Scan-Geschwindigkeiten waren: 160 mms^–1 für 6(a), 190 mms^–1 für 6(b), 200 mms^–1 für 6(c), 210 mms^–1 für 6(d) bzw. 240 mms^–1 für 6(e).
7(a) bis 7(c) sind Rasterelektronenmikroskop-Bilder von der Oberflächenstruktur von Ta auf Ti-Legierung-Substraten, die unter Verwendung der gleichen Parameter hergestellt wurden, die bei den Nb- oder Ti-Legierung-Substraten verwendet wurden, außer: 7(a) wurde mit einer Scan-Geschwindigkeit von 160 mms^–1 hergestellt; bei 7(b) betrug die Geschwindigkeit 200 mms^–1 und die Geschwindigkeit bei 7(c) betrug 240 mms^–1. Hier wurde eine erhöhte Strahlüberlappung verwendet, da Nb und Ta hohe Schmelzpunkte besitzen, die eine größere Energiedichte erfordern. Erneut zeigen die Oberflächen bedeutende Anteile von ungeschmolzenen Pulverpartikeln und lose befestigten, wieder verfestigten Kugeln, die in der Größe zwischen einigen Mikrometern und mehreren hundert Mikrometern liegen. Alle Proben wurden nach der Fertigstellung locker abgebürstet und in einem Ultraschall-Wasserbad gereinigt. Es ist möglich, dass weitere Reinigungsmaßnahmen das Brechen loser Partikel reduzieren können.
8(a) bis 8(e) sind Rasterelektronenmikroskop-Bilder, die von den Ti-Coupons auf den CoCr-Legierung-Substraten gemacht wurden. Die verwendeten Laser-Verarbeitungsparameter waren die gleichen, wie die für die Nb- und Ta-Pulver, wobei noch einmal nur die Geschwindigkeit wechselte. Die Scan-Geschwindigkeit wurde von 160 mms^–1 (8(a)), 170 mms^–1 (8(b)), 200 mms^–1 (8(c)); 230 mms^–1 ((8(d)) bis auf 240 mms^–1 (8(e)) verändert. Der Ti-Coupon auf den CoCr-Proben, (8(a) bis 8(c))) zeigt sehr hohe Dichtegrade im Vergleich zu den anderen Beispielen. Die Linienscans sind deutlich sichtbar, mit guter Schmelzung zwischen den einzelnen Bahnen, die fast eine vollständige Oberflächenschicht erzeugen. Die Oberfläche beginnt aufzubrechen, wenn die Scan-Geschwindigkeit erhöht wird.
9(a) bis 9(e) sind Rasterelektronenmikroskop-Bilder von Oberflächenstrukturen von Ti auf Ti-Legierung-Substraten, die mit den gleichen Parametern hergestellt wurden, die jeweils in 8(a) bis 8(e) verwendet wurden. Es ist unklar, warum Ti so gut auf CoCr-Substraten durchfeuchten sollte. Im Vergleich zeigt Ti auf Ti ähnliche kennzeichnende Muster wie mit Nb, Ta und insbesondere CoCr, nämlich ein kompliziertes Netzwerk untereinander verbundener Poren.
Nach der Fertigstellung der Vielschicht-Coupons wurde eine Reihe von 20 mm × 20 mm-Strukturen aus Ti hergestellt, die ein „Waffel"-Scan-Format in X- und Y-Richtung unter Verwendung der optimalen Ti-Beriebsparameter nutzten, wobei die zwei Scans orthogonal zueinander waren. Die hinter diesen Experimenten stehende Absicht war, zu zeigen, dass das Direkte Laser-Umschmelzverfahren in der Lage ist, Teile mit einer gesteuerten Porosität herzustellen, zum Beispiel interne Kanäle mit Abmessungen gleich der gewünschten Porengröße, zum Beispiel 80 μm bis 400 μm. Hierzu wurde eine relativ große Strahlüberlappung von zwischen –400% und –600% angewendet. Die Rasterelektronenmikroskop-Bilder von den Oberflächen dieser Strukturen sind in 10(a) bis 10(f) dargestellt. Die Scan-Geschwindigkeit, 160 mms^–1, und die Laserstärke, 72 W cw, wurden konstant gehalten, während die Strahlüberlappungen; –400% in 10(a) und 10(b); –500% in 10(c) und 10(d) und –600% in 10(e) und 10(f) entsprechend verändert wurden. Die rasterelektronenmikroskopischen Aufnahmen, die von einer porösen, Ti-gesinterten Struktur gemacht wurden, die von Stryker-Howmedica bereitgestellt wurde, sind zu Referenzzwecken in 11 dargestellt.
Um die Wechselwirkung zwischen der metallurgischen Wechselwirkung Substrat/Struktur deutlicher darzustellen, wurde ein Schnitt von dem Ti auf dem Ti-Substrat gemacht, es wurde heiß montiert und unter Anwendung eines Verfahrens mit SiC 1200 und 2500, 6 μm Diamantenpaste und einer 70/30-Mischung von OPS und 30% H₂O₂ poliert. Die polierte Probe wurde dann mit 100 ml H₂O, 5 ml NH·FHF und 2 cm³ HCl 30 Sekunden lang geätzt, um die Mikrostruktur hervorzubringen. Optische Bilder dieser Probe im Schnitt sind in 12 dargestellt.
13 ist ein profilimetrisches Bild, das von einer berührungsfreien Oberfläche gemacht wurde, um die Oberflächenstrukturen zu zeigen, die unter Verwendung von Ti, CoCr, Ta und Nb auf Ti-Substraten erzielt wurden. Die Werte für Ra, Rq und Rb-Rauigkeit sind ebenfalls angegeben.
Aus der mit dem optischen bzw. dem Rasterelektronenmikroskop durchgeführten Analyse wird offensichtlich, dass das Direkte Laser-Umschmelzverfahren in der Lage ist, die Anforderungen an die Poreneigenschaften bezüglich maximaler und minimaler Porengröße, Verbindbarkeit und Porendichte zu erfüllen. Aus der ersten visuellen Analyse der CoCr-Coupons wurde aus diesen und anderen Beispielen offensichtlich, dass feine Änderungen in der Porenstruktur und -ausdehnung durch die Scan-Geschwindigkeit und den Linienabstand gesteuert werden könnten.
Die Schlüssel-Laserparameter, die verändert werden, um die dreidimensionalen metallischen porösen Strukturen zu bilden sind: (a) Die Laser-Scan-Geschwindigkeit (v) in (mms^–1), die die Geschwindigkeit steuert, mit der der Laser das Pulverbett durchquert; (b) Die Laserstärke P (W), die in Verbindung mit der Laserlichtpunktgröße die Stärke des Laserstrahls steuert. Die Lichtpunktgröße wurde während des Experiments konstant gehalten; (c) Die Frequenz (Hz) oder Impulswiederholungsrate. Diese veränderliche Größe steuert die Anzahl der Laserimpulse pro Sekunde. Eine niedrigere Frequenz ergibt eine höhere Spitzenstärke und umgekehrt.
Die Linienbreite kann zu der Laser-Scan-Geschwindigkeit und der Laserstärke in Beziehung gesetzt werden, um ein Maß für die spezifische Dichte bereitzustellen, das als „Andrew-Zahl" bekannt ist, wobei:
Während P die Stärke des Lasers bezeichnet, ist v die Laser-Scan-Geschwindigkeit, und b bezeichnet die Strahlbreite des Lasers. Die Andrew-Zahl ist die Grundlage für die Berechnung der vorliegenden Erfindung. Die Andrew-Zahl kann auch berechnet werden, indem die Linientrennung (d) an die Stelle der Linienbreite (b) gesetzt wird. Die zwei Verfahren zur Berechnung der Andrew-Zahl führen dazu, dass unterschiedliche Werte erreicht werden. Wenn die Linientrennung (d) als Faktor verwendet wird, wird nur eine Bahn geschmolzenes Pulver betrachtet, während, wenn die Strahlbreite (b) als Faktor verwendet wird, sowohl zwei Spuren geschmolzenes Pulver als auch der relative Einfluss einer Spur auf die nächste betrachtet werden. Aus diesem Grund haben wir uns entschieden, uns mit der Andrew-Zahl unter Verwendung des Abstandes zwischen den Scans als Berechnungsfaktor zu beschäftigen. Es kann daher verstanden werden, dass, je dichter diese Spuren beieinander sind, der Einfluss, den sie aufeinander haben, umso größer ist.
Zusätzlich kann die Laserstärke zwischen 5 W und 1000 W verändert werden. Das Verwenden geringerer Leistung kann für kleine und komplizierte Teile notwendig sein, wäre aber unwirtschaftlich in Bezug auf die hier beschriebenen Beschichtungen und Strukturen. Es ist anzumerken, dass die Obergrenze der Laserstärke aus Gründen der Verfügbarkeit der gegenwärtigen Lasertechnologie beschränkt ist. Wenn jedoch ein Laser hergestellt würde, der eine Stärke von über 1000 W besäße, könnte die Scan-Geschwindigkeit des Lasers erhöht werden, so dass eine akzeptable Andrew-Zahl erreicht wird. Eine Lichtpunktgröße, die in einem Bereich von 5 um (fix) bis 500 um (fix) liegt, ist ebenfalls möglich. Um die Lichtpunktgröße zu erhöhen und dennoch eine akzeptable Andrew-Zahl beizubehalten, muss entweder die Laserstärke erhöht oder die Scan-Geschwindigkeit verringert werden.
Die zuvor genannte Formel gibt einen Hinweis darauf, wie die physikalischen Parameter die Menge der Energie verändern können, die durch das Pulverbett absorbiert wird. Das heißt, wenn das geschmolzene Pulver einen eingeschränkten Zusammenhalt aufweist, das heißt eine unzureichende Schmelzung, können die Parameter verändert werden, um die Energiezufuhr auf das Pulver zu konzentrieren. Hohe Andrew-Zahlen führen zu einer reduzierten Porenausdehnung und einer Zunahme der Porengröße aufgrund der Wirkung des erhöhten Schmelzvolumens und -flusses. Niedrige Andrew-Zahlen führen zu einem geringen Schmelzvolumen, einer hohen Porendichte und kleinen Poren. Gegenwärtige zufriedenstellende Andrew-Zahlen liegen bei ungefähr 3 J/mm^–2 bis 8 J/mm^–2 und sind auf viele alternative Laserquellen anwendbar. Es ist möglich, einen Laser mit größerer Stärke und erhöhter Scan-Geschwindigkeit zu verwenden und eine Andrew-Zahl innerhalb des zuvor angegebenen Arbeitsbereichs zu erreichen.
Der Linienabstand oder die Strahlüberlappung kann auch verändert werden, um eine Lücke zwischen aufeinanderfolgenden Scan-Linien zu ermöglichen. Es ist daher möglich, ausgewählte Bereiche zu erwärmen. Die Lücke würde ermöglichen, dass eine kleinere oder größere Porengröße entsteht. Die beste Darstellung hiervon ist in 4(a) bis 4(c) gezeigt, wo eine –500% Strahlüberlappung angewendet worden ist. 4(a) bis 4(c) sind Rasterelektronenmikroskop-Bilder von der Oberflächenstruktur von CoCr auf Edelstahl, die mit einer Laserstärke von 82 W cw hergestellt wurde. 4(a) wurde mit einer Laser-Scan-Geschwindigkeit von 105 mms^–1 und 4(b) mit einer Laser-Scan-Geschwindigkeit von 135 mms^–1 hergestellt. 4(c) ist ein Bild von derselben Struktur in 4(b) im Schnitt. Es ist eine bedeutende Eigenordnung innerhalb der Gesamtstruktur vorhanden. Größere Säulenstrukturen werden gezielt aufgebaut, wobei große Bereiche von ungeschmolzenem Pulver belassen werden. Es ist beachtenswert, dass diese Säulen ungefähr 300 μm breit und über 1,6 mm hoch sind und gut mit dem Substrat verschmelzen, wie in 4(c) sichtbar ist. Eine weitere Analyse zeigt, dass die Verwendung eines schraffierten Scanformats eine ausreichendere Steuerung der Porosität erlaubt, um es zu ermöglichen, dass die Porengröße direkt durch die Strahlüberlappung gesteuert wird.
Die Verwendung eines optischen Prüfverfahrens zur Bestimmung dieser ungefähren Porosität ist in Anbetracht der Probengröße angemessen. Dieses Verfahren, obwohl es aufgrund des Filterauswahlvorgangs nicht genau ist, kann, wenn es sorgfältig angewendet wird, einen Hinweis auf die Porosität geben. Ein durchschnittlicher Porositätsgrad von ungefähr 25% wurde vorausgesagt. Dieser Porositätsgrad liegt in dem Bereich der erwünschten Porosität für Knocheneinwuchsstrukturen. Die mechanischen Eigenschaften der porösen Struktur werden durch das Ausmaß der Porosität und der Verbindungsbahnen bestimmt. Ein ausgewogenes Verhältnis dieser Variablen ist notwendig, um die mechanischen Eigenschaften zu erreichen, die für die beabsichtigte Anwendung erforderlich sind.
Erhöhte Verschmelzung kann nötigenfalls durch das Erwärmen des Substrats, des Pulvers oder beidem vor dem Scannen erreicht werden. Solche Wärmequellen sind üblicherweise in selektiven Standardlasersintermaschinen/-schmelzmaschinen enthalten, um diesen Vorgang zu ermöglichen.
Nach den Versuchen an dem Titanaufbau auf dem Chrom-Kobalt-Substrat wurde bestimmt, dass die Schnittstellenfestigkeit für die beabsichtigte Anwendung unzureichend war. Versuche wurden durchgeführt, bei denen vor dem Aufbringen der Titanschichten, die den porösen Aufbau bilden, eine Bindungsbeschichtung aus entweder Tantal oder Niob auf dem Chrom-Kobalt-Substrat aufgebracht wurde. Der typische Ablauf umfasste

(i) Einen ersten Reinigungsscan mit einer Scan-Geschwindigkeit zwischen 60 und 300 mm/s, Laserstärke 82 Watt, Frequenz 30 KHz und eine Strahlüberlappung von 50%.
(ii) Das Niederschlagen von Niob oder Tantal in drei Schichten von 50 μm unter Verwendung einer Laserstärke von 82 Watt, einer Frequenz von 30 bis 40 KHz, mit einer Lasergeschwindigkeit von 160 bis 300 mm/s. Die Strahlüberlappung war mit 50% gering, um eine gute Ausdehnung zu ergeben.
(iii) Ein Aufbau von porösem Titan wurde unter Verwendung einer Laserstärke von 82 Watt, einer Frequenz zwischen 0 (cw) und 40 KHz, einer Scan-Geschwindigkeit zwischen 160 und 240 mm/s und einer Strahlüberlappung von –700% hergestellt.

Die Festigkeiten der Strukturen sind in Tabelle 3 im Vergleich zu den Werten angegeben, die ohne die Grundmaterialbeschichtung erzielt wurden.
Tabelle 3
26 zeigt die Metallographie der Strukturen mit Energiedispersiver Spektroskopie (EDS), die die relativen Metallpositionen innerhalb des Aufbaus erkennen lässt.
Ein typischer Waffelaufbau von Titan auf einem Titan-Substrat wurde hergestellt als ein Weg, die poröse Struktur zu regulieren. Scanabfolgen von 0° 0° 0°, 90° 90° 90°, 45° 45° 45°, 135°, 135°, 135° mit der Schichtdicke von 0,1 mm wurden entwickelt, um eine Waffel zu bilden. Drei Schichten waren jeweils nötig, um eine ausreichende Bahndicke in der „z"-Richtung zu erreichen, damit sich eine Struktur von ausreichender Festigkeit ergibt. Typische verwendete Parameter waren: Die Laserstärke betrug 82 Watt, die Betriebsfrequenz lag zwischen 0 (cw) und 40 KHz, die Scan-Geschwindigkeit zwischen 160 und 240 mm/s bei einer Strahlüberlappung von –700%.
27 gibt einen Hinweis auf die Wirkung von Linienabstand und Porengröße. 28(a) zeigt typische Beispiele der Waffelstruktur. Der Vergrößerungsgrad ändert sich vom 10-, 20-, 30-, 70- und 150-Fachen der Normalansicht, wenn man der Reihe nach von (b) zu (f) übergeht. 28(a) stellt insbesondere Ti-Pulver auf einem Ti-Substrat mit einer Porosität dar, die durch wechselnden Linienabstand, das heißt Strahlüberlappung, gesteuert wird.
Trabekuläre Strukturen aus Titan auf einem Titan-Substrat wurden hergestellt als ein Weg, die porösen Strukturen zu randomisieren. Eine STL (Stereolithographie)-Datei, die eine trabekuläre Struktur darstellt, wurde von einem Mikro-CT-Scan eines trabekulären Knochens erstellt. Diese Datei wurde geschnitten und die geschnittenen Daten digital an die Scan-Steuerung geschickt. Dies erlaubte es, das schichtweise Aufbauen eines metallischen Faksimile umzusetzen. 29 zeigt eine Querschnittsansicht einer solchen Struktur.
Auf ein Verfahren zum Herstellen gitterartiger Aufbauten wurde beim einschlägigen Stand der Technik Bezug genommen. Ein typisches Beispiel für diese Strukturart ist in 30 dargestellt. Die Scan-Strategie, die angewendet wurde, um eine solchen Struktur zu bilden, wurde erwähnt, und eine solche Strategie könnte innerhalb des Bereiches der dargestellten Andrew-Zahlen erstellt werden. Tabelle 4 zeigt eine Darstellung von Scan-Strategien und ihr Verhältnis zur Andrew-Zahl.
Tabelle 4
Tabelle 4 (Fortsetzung)
Tabelle 4 (Fortsetzung)
Tabelle 4 (Fortsetzung)
(Fortsetzung)
(Fortsetzung)
Der zweite und bevorzugte Ansatz wendet eine kontinuierliche Scan-Strategie an, wodurch die Poren durch das planare Aufbringen von durch Laser geschmolzenen Pulverbahnen entwickelt werden, die übereinander gelagert werden. Diese Übereinanderlagerung, kombiniert mit dem Schmelzfluss, erzeugt zufällige und pseudozufällige poröse Strukturen. Die Eigenschaften der endgültigen Struktur, die Zufälligkeit, die Verbindbarkeit, die mechanische Festigkeit und das Temperaturverhalten werden durch die verwendeten Verfahrensparameter gesteuert. Ein Satz von Scan-Parametern, die verwendet wurden, war: Scan-Abfolgen von 0° 0° 0°, 90° 90° 90°, 45° 45° 45°, 135°, 135°, 135° mit einer Schichtdicke von 0,1 mm wurden entwickelt, um eine Waffel zu bilden. Drei Schichten waren jeweils nötig, um eine ausreichende Bahndicke in der „z"-Richtung zu erhalten. Die Anordnung der Abfolgen wurde viele Male wiederholt, um eine Struktur der gewünschten Höhe herzustellen. Die Laserstärke betrug 82 Watt, die Betriebsfrequenz lag zwischen 0 (cw) und 40 KHz, die Scan-Geschwindigkeit zwischen 160 und 240 mm/s mit einer Strahlüberlappung von –700%. 32 zeigt eine solche Struktur.
Die Anwendung eines optischen Prüfverfahrens zur Bestimmung dieser ungefähren Porosität ist in Anbetracht der Probengröße angemessen. Bei sorgfältiger Ausführung kann dieses Verfahren, obwohl es aufgrund des Filterauswahlverfahrens nicht genau ist, einen Hinweis auf die Porosität geben. Ein durchschnittlicher Porositätsgrad von ungefähr 25% wurde vorausgesagt. Dieser Porositätsgrad liegt in dem Bereich der erwünschten Porosität für Knocheneinwuchsstrukturen.
Unter Berücksichtigung der potentiellen Anwendung ist es wichtig, die lockere Oberflächenverunreinigung aufs geringste Maß herabzusetzen und die Fähigkeit deutlich zu machen, die Oberfläche vollständig zu reinigen. Laserreinigung oder Säureätztechnik kann wirkungsvoll sein. Zusätzlich kann ein strenger Reinigungsablauf für das Entfernen des gesamten losen Pulvers das Blasen der porösen Struktur mit sauberem trockenem Druckgas mit sich bringen, auf das ein Zeitraum der Ultraschallbewegung in einer Behandlungsflüssigkeit folgt. Sobald sie getrocknet ist, kann ein Laser-Scan angewandt werden, um alle verbleibenden losen Partikel zu versiegeln.
Bei der Untersuchung wurden alle in Frage kommenden Materialien und Substrate gezielt eingeschmolzen, um eine komplexe, untereinander verbundene Porenstruktur herzustellen. Es gab kleine Unterschiede in gewissen Verfahrensparametern, wie der Geschwindigkeit und dem Prozentsatz der Strahlüberlappung. Aus 12 ist ebenfalls ersichtlich, wie der Ti-Rufbau unter Verwendung einer Laserstärke von 82 W cw, einer Strahlüberlappung von –40% und einer Laser-Scan-Geschwindigkeit von 180 mms^–1 erfolgreich mit dem Ti-Legierung-Substrat verschmolzen ist. Dies zeigt, wie das Direkte Laser-Umschmelzverfahren mit seiner Fähigkeit, Strukturen mit gesteuerter Porosität herzustellen, als Technologie zur Oberflächenveränderung verwendet werden kann. Gewisse Metallkombinationen wirkten ungünstig aufeinander ein und führten zur Bildung von intermetallischen Verbindungen, die von Natur aus spröde Strukturen sind. Um dieses Problem zu bewältigen, kann es notwendig sein, eine Bindungsbeschichtung mit dem Substrat zu verwenden. Es ist dann möglich, direkt mit einem porösen Aufbau auf dem Substrat aufzubauen. Ein typisches Beispiel für die Verwendung einer Bindungsbeschichtung wird von der Kombination von Titan auf einem Chrom-Kobaltsubstrat bereitgestellt. Tantal war ebenfalls eine wirkungsvolle Bindungsbeschichtung in diesem Beispiel. Es ist zu beachten, dass die Bindungsbeschichtung durch Lasertechnologie aufgebracht werden kann, doch andere Verfahren sind ebenfalls möglich, wie das Aufbringen durch Gasplasma.
Die profilimetrischen Aufnahmen (OSP) der berührungsfreien Oberfläche, die in 13(a) bis 13(d) dargestellt sind, zeigen die Oberflächenprofile. Außerdem zeigen die Oberflächendaten, die in 14(a) und 14(b) und 15(a) und 15(b) dargestellt sind, ein codiertes Profil der Draufsichten der Proben. 14(a) zeigt Ti auf Ti (OSP-Oberflächendaten), wobei v = 200 mms^–1, 14(b) zeigt CoCr auf Ti (OSP-Oberflächendaten), wobei v = 200 mms^–1, und 15(a) zeigt Nb auf Ti (OSP-Oberflächendaten), wobei v = 200 mms^–1, und 15(b) zeigt Ta auf Ti (OSP-Oberflächendaten), wobei v = 200 mms^–1.
16 bis 25 sind rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen (REM) von einer Reihe von Bildern einer Einzelschicht Ti auf CoCr und Ti auf Ti, die vor den Vielschicht-Strukturen, die in 8 bzw. 9 gezeigt sind, wie folgt hergestellt wurde.
16(a) zeigt Ti auf CoCr (Einzelschicht; REM-Aufnahme) v = 160 mm^–1;
16(b) zeigt Ti auf CoCr (Einzelschicht; REM-Aufnahme) v = 160 mm^–1;
17(a) zeigt Ti auf CoCr (Einzelschicht; REM-Aufnahme) v = 170 mm^–1;
17(b) zeigt Ti auf CoCr (Einzelschicht; REM-Aufnahme) v = 180 mm^–1;
18(a) zeigt Ti auf CoCr (Einzelschicht; REM-Aufnahme) v = 190 mm^–1;
18(b) zeigt Ti auf CoCr (Einzelschicht; REM-Aufnahme) v = 200 mm^–1;
19(a) zeigt Ti auf CoCr (Einzelschicht; REM-Aufnahme) v = 210 mm^–1;
19(b) zeigt Ti auf CoCr (Einzelschicht; REM-Aufnahme) v = 220 mm^–1;
20(a) zeigt Ti auf CoCr (Einzelschicht; REM-Aufnahme) v = 230 mm^–1;
20(b) zeigt Ti auf CoCr (Einzelschicht; REM-Aufnahme) v = 240 mm^–1;
21(a) zeigt Ti auf Ti (Einzelschicht; REM-Aufnahme) v = 160 mm^–1;
21(b) zeigt Ti auf Ti (Einzelschicht; REM-Rufnahme) v = 170 mm^–1;
22(a) zeigt Ti auf Ti (Einzelschicht; REM-Aufnahme) v = 190 mm^–1;
22(b) zeigt Ti auf Ti (Einzelschicht; REM-Aufnahme) v = 200 mm^–1;
23(a) zeigt Ti auf Ti (Einzelschicht; REM-Aufnahme) v = 220 mm^–1;
23(b) zeigt Ti auf Ti (Einzelschicht; REM-Aufnahme) v = 230 mm^–1;
24(a) zeigt Ti auf Ti (Einzelschicht; REM-Aufnahme) v = 240 mm^–1;
24(b) zeigt Ti auf Ti (Einzelschicht; REM-Aufnahme) v = 240 mm^–1;
Das erfindungsgemäße Verfahren kann Oberflächenstrukturen auf allen Pulver-/Grundplattenkombinationen bei sorgfältiger Auswahl der Verfahrensparameter bereitstellen.
Wie zuvor beschrieben, wird das Verfahren auf flachen Grundplatten ausgeführt, die eine einfache Pulverversorgung in nacheinanderfolgenden Schichten von ungefähr 100 μm Dicke bereitstellen. Die Steuerung der Pulverschichtdicke ist sehr wichtig, wenn gleichbleibende Oberflächeneigenschaften erforderlich sind. Die Anwendung dieser Technologie kann auch auf gebogene Oberflächen angewandt werden, wie sie bei modernen Prothesen vorhanden sind; mit Verfeinerungen, die an der Pulverschichttechnik vorgenommen werden.
Die Strukturen haben alle eine Ultraschall- und Wasserreinigung erhalten. Bei naher Betrachtung zeigen die sich ergebenden porösen Oberflächen, die durch das Direkte Laser-Umschmelzverfahren erzeugt wurden, kleine Partikel, die durch die Struktur gestreut sind. Es ist bei dieser Stufe unklar, ob die Partikel an die Oberfläche gebunden oder lose angebracht sind, aber es gibt Mittel zum Entfernen der Partikel, wenn erforderlich.
Das Direkte Laser-Umschmelzverfahren ist in der Lage, poröse Strukturen zu erzeugen, die für Knocheneinwuchsanwendungen geeignet sind. Die Pulveroberflächen sind einer beträchtlichen Temperatur-Wechselbeanspruchung unterzogen worden, die in schnellen Abkühlgeschwindigkeiten gipfelten, die sehr feine verzweigte Strukturen erzeugt haben (z.B. 13(a) bis 13(d)).
Das Direkte Laser-Umschmelzverfahren kann wirksame Knocheneinwuchsstrukturen bei angemessenen Herstellungskosten erzeugen.
In den vorhergehenden Beispielen sollte der Gegenstand eine poröse Struktur auf einem Grundmaterial bereitstellen.
Man wird zu schätzen wissen, dass dieses Verfahren daher verwendet werden kann, um Artikel aus den aufgeführten Metallen herzustellen, die in einer gewünschten Form erzeugt werden können und die eine nachfolgende Bearbeitung erfordern können oder nicht. Ein solcher Artikel kann sogar erzeugt werden, so dass er eine abgestufte Porosität von zum Beispiel nicht-porös bis hin zu verschiedenen Porositätsgraden zur äußeren Oberflächenschicht aufweist. Solche Artikel könnten chirurgische Prothesen, Teile oder jeder andere Artikel sein, für den dieses Herstellungsverfahren vorteilhaft wäre.

Claims

Methode für das Herstellen einer dreidimensionalen porösen Gewebeeinwuchsstruktur umfassend: das Niederschlagen auf einem Substrat einer ersten Schicht eines Pulvers, das aus einem Metall hergestellt ist ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Titan, Titanlegierungen, Edelstahl, Cobaltchromlegierungen, Tantal und Niob; mindestens einmaliges Scannen einer ersten Pulverschicht mit einem Laserstrahl, wobei der Laserstrahl eine Stärke (P) in Joule pro Sekunde bei einer Scangeschwindigkeit (v) in Millimetern pro Sekunde und eine Strahlüberlappung (b) in Millimetern derart aufweist, dass die durch die Formel P/(b × v) berechnete Zahl im Bereich zwischen 0,3–8 J/mm² liegt, wobei die Strahlüberlappung zwischen +50% bis –1200% liegt, unter Erzielung der erforderlichen Porengröße; das Niederschlagen mindestens eine Schicht des Pulvers auf die erste Schicht; und das Wiederholen der Laserscanschritte für jede aufeinanderfolgende Schicht, bis eine erwünschte Bahnhöhe erreicht wird.
Methode nach Anspruch 1, wobei während des Schritts des Wiederholens der Laserscanschritte mindestens ein Laserscan im Winkel mit Bezug auf einen anderen Laserscan durchgeführt wird, um eine Verbindungs- oder Nichtverbindungsporosität zu entwickeln.
Methode nach Anspruch 1, wobei die Dicke einer jeden, der ersten Schicht und der aufeinanderfolgenden Schichten von Pulver zwischen 5 μm und 2000 μm beträgt.
Methode nach Anspruch 1, wobei das Substrat ein Grundmaterial oder Kern ist, das bzw, der aus einem Metall besteht ausgewählt aus der Gruppe bestehend ausgewählt aus Titan, Titanlegierungen, Edelstahl, Cobaltchromlegierungen, Tantal und Niob, wobei die erste Schicht an das Grundmaterial oder den Kern angeschmolzen ist;
Methode nach Anspruch 1, wobei die Laserstärke innerhalb eines Bereichs zwischen 5 bis 1000 Watt variiert werden kann.
Methode nach Anspruch 1, wobei die Laserstärke kontinuierlich aufgebracht wird.
Methode nach Anspruch 1, wobei die Laserstärke auf pulsierende Art und Weise aufgebracht wird.
Methode nach Anspruch 7, wobei der Impuls eine Wiederholungsrate zwischen 1 KHz und 50 KHz aufweist.
Methode nach Anspruch 1, wobei die Methode unter einer inerten Atmosphäre durchgeführt wird.
Methode nach Anspruch 9, wobei die Methode unter einer inerten Argonatmosphäre durchgeführt wird.
Methode nach Anspruch 4, wobei die erste Schicht ein Cobaltchromlegierungspulver und das Grundmaterial oder der Kern eine Cobaltchromlegierung ist.
Methode nach Anspruch 4, wobei die erste Schicht ein Titanpulver und das Grundmaterial oder der Kern eine Cobaltchromlegierung ist.
Methode nach Anspruch 4, wobei die erste Schicht ein Niobpulver und das Grundmaterial oder der Kern eine Cobaltchromlegierung ist.
Methode nach Anspruch 4, wobei die erste Schicht ein Tantalpulver und das Grundmaterial oder der Kern eine Cobaltchromlegierung ist.
Methode nach Anspruch 4, wobei die erste Schicht ein Niobpulver und das Grundmaterial oder der Kern eine Titanlegierung ist.
Methode nach Anspruch 4, wobei die erste Schicht ein Titanpulver und das Grundmaterial oder der Kern eine Titanlegierung ist.
Methode nach Anspruch 4, wobei die erste Schicht ein Tantalpulver und das Grundmaterial oder der Kern eine Titanlegierung ist.
Methode nach Anspruch 4, wobei die erste Schicht eine Edelstahllegierung und das Grundmaterial oder der Kern eine Edelstahllegierung ist.
Methode nach Anspruch 4, wobei die erste Schicht ein Titanpulver und das Grundmaterial oder der Kern eine Edelstahllegierung ist.
Methode nach Anspruch 4, wobei die erste Schicht ein Tantalpulver und das Grundmaterial oder der Kern eine Edelstahllegierung ist.
Methode nach Anspruch 4, wobei die erste Schicht ein Niobpulver und das Grundmaterial oder der Kern eine Edelstahllegierung ist.
Methode nach Anspruch 4, wobei die erste Schicht ein Niobpulver und das Grundmaterial oder der Kern Niob ist.
Methode nach Anspruch 4, wobei die erste Schicht ein Tantalpulver und das Grundmaterial oder der Kern Tantal ist.
Methode nach Anspruch 4, wobei die erste Schicht ein Niobpulver und das Grundmaterial oder der Kern eine Cobaltchromlegierung ist, wobei das Niob eine Bindungsbeschichtung zwischen der Cobaltchromlegierung und dem Niobpulver bildet, wobei aufeinanderfolgende Pulverschichten, die mindestens eine Schicht Titanpulver umfassen, auf der Bindungsbeschichtung, die die Einwachsstruktur bildet, niedergeschlagen werden.
Methode nach Anspruch 4, wobei die erste Schicht ein Tantalpulver und das Grundmaterial oder der Kern eine Cobaltchromlegierung ist, wobei das Tantalpulver eine Bindungsbeschichtung zwischen der Cobaltchromlegierung und dem Tantalpulver bildet, wobei aufeinanderfolgende Pulverschichten, die mindestens eine Schicht Titanpulver umfassen, auf der Bindungsbeschichtung, die die Einwachsstruktur bildet, niedergeschlagen werden.
Methode nach Anspruch 4, wobei die erste Schicht ein Tantalpulver und das Grundmaterial oder der Kern eine Edelstahllegierung ist, wobei das Tantalpulver eine Bindungsbeschichtung zwischen der Edelstahllegierung und dem Tantalpulver bildet, wobei aufeinanderfolgende Pulverschichten, die mindestens eine Schicht Titanpulver umfassen, auf der Bindungsbeschichtung, die die Einwachsstruktur bildet, niedergeschlagen werden.
Methode nach Anspruch 4, wobei die erste Schicht ein Niobpulver ist und das Grundmaterial oder der Kern aus einer Edelstahllegierung besteht, wobei das Niobpulver eine Bindungsbeschichtung zwischen der Edelstahllegierung und dem Niobpulver bildet, wobei aufeinanderfolgende Pulverschichten, die mindestens eine Schicht Titanpulver umfassen, auf der Bindungsbeschichtung, die die Einwachsstruktur bildet, niedergeschlagen werden.
Methode nach Anspruch 4, wobei der Kern mit der dabei entstehenden porösen Einwachsstruktur integral ist und dem Konstrukt insgesamt zusätzliche physikalische Eigenschaften verleiht.
Methode nach Anspruch 4, wobei der Kern von einem dabei entstehenden porösen Oberflächenaufbau getrennt ist.
Methode nach Anspruch 4, wobei ein drittes Element zwischen dem Grundmaterial und der ersten Pulverschicht unter Bildung einer Bindungsbeschichtung auf dem Substrat zugegeben wird.
Methode für das Herstellen einer dreidimensionalen porösen Gewebeeinwuchsstruktur umfassend: Niederschlagen auf einem Substrat einer ersten Schicht Pulver, das aus einem Metall hergestellt ist ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Titan, Titanlegierungen, Edelstahl, Cobaltchromlegierungen, Tantal und Niob; Scannen mit einem Laserstrahl, der eine Stärke und einen Durchmesser aufweist, mit einer Geschwindigkeit zwischen 100 mms^–1 bis 260 mm^–1 und eine Strahlüberlappung von +40% bis –500% über diesem Pulver; und Niederschlagen mindestens einer zusätzlichen Schicht des Pulvers auf die erste Schicht und Wiederholen der Laserscannschritte bei jeder aufeinanderfolgende Schicht.
Methode nach Anspruch 31, wobei die Dicke jeder der Schichten zwischen 50 μm und 2000 μm liegt.
Methode nach Anspruch 31, wobei das Substrat ein Grundmaterial oder ein Kern ist, das bzw. der aus einem Metall besteht ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Titan, Titanlegierungen, Edelstahl, Cobaltchromlegierungen, Tantal und Niob, wobei die erste Schicht an das Grundmaterial oder den Kern angeschmolzen ist.
Methode nach Anspruch 33, wobei die Dicke des Pulvers 100 μm beträgt.
Methode nach Anspruch 31, wobei die Laserstärke 78 W bis 82 W ist.
Methode nach Anspruch 31, wobei die Laserstärke als kontinuierliche Welle aufgebracht wird.
Methode nach Anspruch 31, wobei die Laserstärke als Impulswelle aufgebracht wird.
Methode nach Anspruch 37, wobei die Impulswellen-Wiederholungsrate zwischen 20 KHz und 50 KHz liegt.
Methode nach Anspruch 31, wobei die Methode unter einer inerten Atmosphäre durchgeführt wird.
Methode nach Anspruch 39, wobei die Methode unter einer inerten Argonatmosphäre durchgeführt wird.
Methode nach Anspruch 33, wobei die erste Schicht ein Cobaltchrompulver und das Grundmaterial oder der Kern eine Titanlegierung ist.
Methode nach Anspruch 31, wobei die Scangeschwindigkeit zwischen 180 mms^–1 und 200 mms^–1 liegt.
Methode nach Anspruch 33, wobei die erste Schicht Pulver Niob ist und das Grundmaterial oder der Kern aus einer Titanlegierung besteht, wobei der Laserstrahl eine kontinuierliche Welle von 72 W bis 92 W in einem Scangeschwindigkeitsbereich zwischen 160 mms^–1 bis 240 mm^–1 ist und die Strahlüberlappung 40% bis –500% beträgt.
Methode nach Anspruch 43, wobei die Scangeschwindigkeit zwischen 190 mms^–1 und 240 mm^–1 liegt.
Methode nach Anspruch 43, wobei die Strahlüberlappung 40% beträgt.
Methode nach Anspruch 33, wobei die erste Schicht Pulver Tantal und das feste Grundmaterial oder der feste Kern eine Titanlegierung ist, wobei der Laserstrahl eine kontinuierliche Welle von 72 W bis 92 W in einem Scangeschwindigkeitsbereich zwischen 160 mms^–1 und 240 mm^–1 ist und die Strahlüberlappung +40% bis –500% beträgt.
Methode nach Anspruch 46, wobei die Scangeschwindigkeit 160 mms^–1 bis 200 mm^–1 beträgt.
Methode nach Anspruch 46, wobei die Strahlüberlappung –40% und die Laserstrahlstärke 82 W beträgt.
Methode nach Anspruch 33, wobei die erste Schicht Pulver Titan und das feste Grundmaterial oder der feste Kern eine Cobaltchromlegierung ist, wobei der Laserstrahl eine kontinuierliche Welle von 72 W bis 92 W in einem Scangeschwindigkeitsbereich zwischen ca. 160 mms^–1 und 240 mm^–1 ist und die Strahlüberlappung +40% bis –500% beträgt.
Methode nach Anspruch 49, wobei der Scangeschwindigkeitsbereich 160 mms^–1 bis 200 mm^–1 beträgt.
Methode nach Anspruch 49, wobei die Laserstrahlüberlappung –40% beträgt und der Laserstrahl eine Stärke von 82 W aufweist.
Methode nach Anspruch 33, wobei die erste Schicht Pulver Titan und das feste Grundmaterial oder der feste Kern eine Titanlegierung ist, wobei der Laserstrahl eine kontinuierliche Welle von 72 W bis 92 W in einem Scangeschwindigkeitsbereich zwischen 160 mms^–1 bis 240 mm ist und die Strahlüberlappung +40% bis –500% beträgt.
Methode nach Anspruch 52, wobei die Scangeschwindigkeit 160 mms^–1 bis 200 mm^–1 beträgt
Methode nach Anspruch 52, wobei die Laserstrahlüberlappung –40% beträgt und der Laserstrahl eine Stärke von 82 W aufweist.
Methode nach Anspruch 33, umfassend den zusätzlichen Schritt des Unterwerfens einer Pulverschicht einem zweiten Laserscan mit einer Scangeschwindigkeit und einer Strahlüberlappung in einer orthogonalen Richtung zu einem ersten Scan.
Methode nach Anspruch 55, wobei die Scangeschwindigkeit 160 mms^–1 bis 200 mm^–1 beträgt.
Methode nach Anspruch 65, wobei die Strahlüberlappung –400% bis –600% beträgt.
Methode nach Anspruch 31, umfassend den zusätzlichen Schritt des Unterwerfen einer Pulverschicht einem zweiten Laserscan mit einer Scangeschwindigkeit und einer Strahlüberlappung in einer orthogonalen Richtung zu einem ersten Scan.
Methode nach Anspruch 58, wobei die Scangeschwindigkeit 160 mms^–1 bis 200 mm^–1 beträgt.
Methode nach Anspruch 58, wobei die Strahlüberlappung –400% bis -600% beträgt.