Das im Rahmen des deutschen Innovationsfonds (IGF-Vorhaben 21671) geförderte Projekt brachte ein Konsortium aus Forschungsinstituten und kleinen bis mittleren Unternehmen (KMU) zusammen, um die additive Fertigung von Zahnimplantaten voranzutreiben. Im Laufe des Projekts koordinierten die Partner die Entwicklung, Herstellung und Prüfung von Komponenten aus Titan im Laser-Pulver-Bett-Verfahren (LPBF), wobei der Schwerpunkt auf Prozessoptimierung, mechanischer Leistung, Korrosionsverhalten und Oberflächentechnik lag. Die Industriepartner des Konsortiums lieferten die gedruckten Implantatprototypen und führten interne mechanische und Korrosionstests durch, während die Forschungspartner detaillierte Mikrostrukturanalysen, Tribokorrosionsstudien und Versuche zur Oberflächenmodifikation durchführten. Die Ziele des Projekts wurden erreicht. Es konnte gezeigt werden, dass mit LPBF-produziertem Titan hervorragende mechanische Eigenschaften erzielt werden können und dass maßgeschneiderte Oberflächenbehandlungen die Korrosionsbeständigkeit und die Tribokorrosionsleistung verbessern können.

Die technische Arbeit begann mit einer statistischen Versuchsplanung (Doehlert-Design) zur Ermittlung eines LPBF-Prozessfensters für kommerziell reines (CP) Titan Grade 1 Pulver. Durch Variation der Laserleistung, der Scangeschwindigkeit und des Lukenabstands ermittelte das Team eine Reihe von optimierten volumetrischen Parametern, die zu einer geringen Porosität bei kleinen Testteilen führten. Das Prozessfenster erwies sich als nützlich für die Bediener von KMUs, da es ihnen ermöglichte, die Lasereinstellungen an ihre spezifischen Geräte anzupassen und gleichzeitig die Qualität der Teile zu erhalten. Eine wichtige Erkenntnis war, dass die Wiederverwendung von ungesiebtem Pulver unter identischen Prozessbedingungen zu einem deutlichen Anstieg der Porosität führte, was die Bedeutung der Pulveraufbereitung zwischen den einzelnen Aufträgen unterstreicht. Im gedruckten Zustand erzeugten die optimierten Parameter eine überwiegend martensitische Mikrostruktur, die im Gegensatz zu den kugelförmigen Körnern steht, die für konventionell geknetetes CP-Ti Grade 1 oder Grade 4 typisch sind.

Mechanische Tests ergaben, dass LPBF-gedruckte flache Zugproben eine Streckgrenze von ca. 663 MPa und eine Zugfestigkeit von ca. 747 MPa aufwiesen. Damit übertrafen sie die konventionellen Knetwerte von CP-Ti Grade 1 von ca. 494 MPa bzw. 606 MPa. Das gedruckte Material wies auch eine hohe Bruchdehnung von etwa 24 % auf, und es wurde keine signifikante Anisotropie zwischen parallel oder senkrecht zur Baurichtung ausgerichteten Proben beobachtet. Diese Ergebnisse zeigen, dass mit der additiven Fertigung Zahnimplantate mit höherer Festigkeit und Duktilität hergestellt werden können als mit herkömmlichen Herstellungsverfahren.

Bei den Korrosionsuntersuchungen wurde die potentiodynamische Polarisation eingesetzt, um LPBF-gedruckte Legierungen mit konventionell hergestellten Gegenstücken zu vergleichen. Die Studien verdeutlichten den Einfluss der Oberflächenrauheit und der mikrostrukturellen Merkmale auf die Korrosionsraten. Tribokorrosionstests, die mit einem Tribometer durchgeführt wurden, zeigten, dass die Kombination aus mechanischem Verschleiß und korrosiver Umgebung die Leistung des Materials weiter beeinträchtigt, was die Notwendigkeit robuster Oberflächenbehandlungen unterstreicht.

Die Experimente zur Oberflächenmodifikation konzentrierten sich auf das Aluminiumoxidstrahlen, um homogene, aufgeraute Oberflächen zu erzeugen, die sich für die anschließende Strukturierung eignen, und auf das plasmaelektrolytische Polieren, um hochglanzpolierte Oberflächen für Abutments zu erzielen. Zusätzlich wurde die plasmaelektrolytische Oxidation (PEO) angewendet, um TiO₂-basierte Beschichtungen zu bilden. Die Haftung der PEO-Schichten wurde durch einfache Klebebandtests und Tribokorrosionstests bewertet, die eine starke Haftung und einen verbesserten Korrosionsschutz bestätigten. Das Projekt untersuchte auch die Auswirkungen von Legierungszusätzen wie Yttrium und Bor auf das Mikrogefüge und die Härte. Yttriumzusätze führten zur Bildung von Y₂O₃-Ausscheidungen, die als Keimstellen für die β-Phasenkristallisation dienen könnten, während Bor die Erstarrungstextur veränderte, was sowohl das mechanische als auch das Korrosionsverhalten beeinflusste.

Während des gesamten Projekts pflegte das Konsortium eine enge Zusammenarbeit zwischen Wissenschaft und Industrie, um sicherzustellen, dass die entwickelten Prozessparameter, Oberflächenbehandlungen und Materialerkenntnisse direkt auf die Herstellung von Zahnimplantaten und Abutments anwendbar sind. Der erfolgreiche Abschluss des Projekts IGF-Vorhaben 21671 zeigt, dass LPBF in Verbindung mit einer gezielten Oberflächenbearbeitung hochleistungsfähige, korrosionsbeständige Titankomponenten für den klinischen Einsatz liefern kann.