Einfluss unterschiedlicher Schleudergussverfahren bei Ti-6Al-4V auf die Eignung als Knieendoprothesen

Weber, Eva GND

In der vorliegenden Arbeit wurde schleudergegossenes Ti-6Al-4V zweier unterschiedlicher Schleudergussverfahren hinsichtlich seiner Eignung als Prothesenmaterial untersucht. Die beiden Gussverfahren beruhen auf demselben Prinzip: Das geschmolzene Gussmaterial soll durch Zentrifugalkraft in die Gießform gedrückt werden. Das LINN-Verfahren verwendet hierfür ein Ein-Kammern-System, bei dem der keramische Schmelztiegel (Yttriumoxid) direkt mit der Gussform verbunden ist. Beim Leicomelt-Verfahren laufen der Schmelzprozess und der Gießprozess räumlich getrennt voneinander in unterschiedlichen Kammern ab. Das Aufschmelzen des Ti-6Al-4V wird in der Gießkammer in einem wassergekühlten Kupfertiegel durchgeführt. Anschließend wird das aufgeschmolzene Material in die Gießkammer überführt und dort über einen Trichter in die Gießformen eingebracht. Gefügeanalysen des Ti-6Al-4V zeigen, dass der Gießprozess einen großen Einfluss auf die Gefügeausbildung und somit auch auf die mechanischen Eigenschaften hat. Das Material aus dem LINN-Prozess weist eine feinkörnigere Struktur auf als das Leicomelt-Material, allerdings sind im LINN-Material Yttrium-Verunreinigungen nachweisbar. Diese Verunreinigungen bewirken, dass das Material versprödet. Das Ti-6Al-4V aus dem Leicomelt-Verfahren verfügt über bessere mechanische Eigenschaften. Durch eine geeignete Wärmebehandlung können die in der ASTM F1108 – 04 geforderten mechanischen Eigenschaften erreicht werden. Dauerfestigkeitsuntersuchungen von Proben aus beiden Materialien zeigen, dass die Leicomelt-Proben ein besseres Dauerschwingverhalten haben als die LINN-Proben. Durch Anrauen der Oberfläche der Umlaufbiegeproben kann keine signifikante Veränderung des Materialverhaltens festgestellt werden. Das Anrauen der Oberfläche soll bei späterer Anwendung als Prothesenmaterial das Einwachsverhalten des Knochens verbessern. In korrosiver NaCl-Lösung zeigt das LINN-Material unabhängig von Temperatur und pH-Wert einen hohen Widerstand gegen Korrosion. Das Korrosionsverhalten des Ti-6Al-4V aus dem Leicomelt-Prozess kann durch Wärmebehandlung beeinflusst werden.

The influence of two different types of centrifugal casting processes on the aptitude of Ti-6Al-4V as a material for knee endoprosthesis were analysed. The first casting process, the LINN-process uses a one-chamber setup. The ceramic smelter (Yttrium oxide) is connected directly with the casting mould. The second casting process (Leicomelt-process) uses a two-chamber setup. The cold induction crucible made of copper is located in the melting chamber. After melting the Ti-alloy, the melt is transferred to the casting chamber where the liquid material is cast. Microstructural analyses of the cast Ti-6Al-4V reveal a significant influence of the casting process on the microstructure and therefore on the mechanical properties. The product of the LINN-process has a finer grain than the product of the Leicomelt-process; however, there are Yttrium-particles found in the cast material of the LINN-process. These Yttrium-particles cause the Ti-6Al-4V to embrittle. The mechanical properties of the samples from the Leicomelt-process are better than those of the LINN-process and can be improved with heat treatment to match the desired properties set in ASTM F1108-04. In fatigue tests, the samples from the Leicomelt-process also show better endurance than the LINN-samples. An increased surface roughness of the fatigue samples has no significant effect on the fatigue performance. The material of the LINN-process in NaCl-solution possesses good corrosion resistance, independent of pH-value and temperature of the corrosive medium. The corrosive resistance of the material from the Leicomelt-process in NaCl-solution can be influenced by the heat treatment.

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Weber, Eva: Einfluss unterschiedlicher Schleudergussverfahren bei Ti-6Al-4V auf die Eignung als Knieendoprothesen. 2020.

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