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Fragestellung: Das selektive Laserschmelzen bietet die Möglichkeit, patientenindividuelle Hüftschäfte im 3D-Verfahren zu drucken. Einen kritischen Punkt dieser 3D-gedruckten Implantate stellt jedoch deren Porosität und die damit einhergehende geringe Dauerfestigkeit dar. Durch die hohe Biegebeanspruchung im Hüftgelenk ist eine ausreichende Dauerfestigkeit des künstlichen Gelenks entscheidend, um die Patientensicherheit zu gewährleisten. Daher soll untersucht werden, ob die Dauerfestigkeit 3D-gedruckter Hüftschäfte durch geeignete Nachbehandlungsverfahren optimiert werden kann.

Methodik: In einem vereinfachten Modell wurde mithilfe eines dynamischen 4-Punkt-Biegeversuchs und eines Locati-Tests (siehe Abbildung 1 [Abb. 1]) die Dauerfestigkeit 3D-gedruckter Zylinderproben mit der Dauerfestigkeit einer standardmäßig für Hüftschäfte verwendeten, geschmiedeten Titanlegierung verglichen. Dabei wurde der Einfluss verschiedener Nachbehandlungsverfahren zur Optimierung der Dauerfestigkeit 3D-gedruckter Zylinderproben untersucht.

Im Zuge dessen wurde der Einfluss von heißisostatischem Pressen (HIP), Oberflächenbehandlungen sowie der Kombination aus beidem auf die Dauerfestigkeit der Zylinderproben untersucht. Als Oberflächenbehandlung wurden ein spanender Prozess (Drehmaschine), ein Walzprozess mit zwei verschiedenen Anpressdrücken (Walzen_M1 und Walzen_M2) sowie das Laser-Shock-Peening mit zwei verschiedenen Intensitäten (LSP_M1 und LSP_M2) gewählt.

Wie in Abbildung 1 [Abb. 1] links ersichtlich, wurden Zylinderproben auf zwei Auflagern (Abstand 102 mm) platziert und durch einen Prüfstempel mit zwei Gegenlagern (Abstand 34 mm) zyklisch belastet. Wie in Abbildung 1 [Abb. 1] rechts dargestellt, wurde die Probe zunächst sinusförmig zwischen 100 N und 2000 N über 10⁶ Zyklen bei einer Frequenz von 12 Hz belastet. Findet kein Bruch der Probe statt, wird die maximale Kraft um 500N erhöht und die Probe um weitere 10⁶ Zyklen belastet. Die Krafterhöhung wurde bis zum Bruch der Probe durchgeführt.

Die untersuchten Gruppen und Gruppengrößen sowie die jeweilige Kraftstufen und Zyklen, bis der Bruch eintrat, sind in Tabelle 1 [Tab. 1] aufgeführt.

Ergebnisse und Schlussfolgerung: Die Versuche zeigten, dass ein HIP-Prozess allein, ebenso wie eine Oberflächenbehandlung allein, nicht ausreichend ist, um eine zur Standardlegierung vergleichbare Dauerfestigkeit zu erreichen. Nur durch die Kombination des HIP-Prozesses mit einer anschließenden Oberflächenbehandlung konnten ausreichende Dauerfestigkeiten erzielt werden. Das Laser-Shock-Peening konnte in dieser Versuchsreihe jedoch nicht überzeugen.

Zusammenfassend enthalten die Ergebnisse wichtige Erkenntnisse für die Entwicklung dauerfester patientensicherer 3D-gedruckter Hüftschäfte.