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Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden sowohl neuartige polymere Hochleistungsverbundwerkstoffe als auch unterschiedliche Modellprüfmethoden zur Nachbildung abrasiver Verschleißbedingungen entwickelt. Ausgangspunkt für diese Themenstellung war, Verbundwerkstoffe als alternative Gleitlagermaterialien in hermetisch dichten Pumpen für aggressive und abrasive Medien einzusetzen. Stand der Technik sind hierbei keramische Gleitlager, insbesondere aus monolithischem Siliziumkarbid. Das Ziel war somit zu untersuchen, ob Polymerwerkstoffe derart modifiziert werden können, dass ein vergleichbares Verschleißverhalten erreicht wird. Auf der Basis von Epoxidharz wurde die elementare Werkstoffentwicklung, durch Variation von Füll- und Verstärkungsstoffe, hinsichtlich Art, Größe und Menge, durchgeführt. Die Formulierung mit den in Summe günstigsten Eigenschaften wurde anschließend auf einen weiteren Duroplasten (Vinylester) und einen Thermoplasten (Etylentetrafluorethylen) übertragen. Auf diese Weise konnte gezeigt werden, dass das Verschleißverhalten bei hochgefüllten Systemen maßgeblich von den Füll- und Verstärkungsstoffen geprägt wird und durch die Übertragung der Formulierung ähnliche Verschleißraten erzielt werden. Weiterhin wurde der Einfluss der Aushärtungstemperatur, und somit des Herstellungsprozesses, auf die Werkstoffeigenschaften dargestellt. Durch eine weiterführende Werkstoffmodifikation, den Einsatz multimodaler Korngrößenverteilungen, war es zudem möglich die tribologischen Eigenschaften nochmals zu verbessern. Der Vergleich der Werkstoffeigenschaften erfolgte mittels mechanischer und tribologischer Prüfungen. Letztere waren jedoch nur bedingt anwendbar, um einen Vergleich zwischen den neu entwickelten Hochleistungsverbundwerkstoffen und dem Referenzwerkstoff Siliziumkarbid zu ermöglichen. Aus diesem Grunde wurde ein spezieller Medienprüfstand konstruiert und aufgebaut, um verschiedenste abrasive Prüfbedingungen, ob geschmiert oder ungeschmiert, simulieren zu können. Mit Hilfe abrasiver Gegenkörper war es möglich die Testzeit von 20 Stunden auf 60 Sekunden zu verkürzen. Die anschließende Validierung der Ergebnisse ergab eine gute Übereinstimmung. Zur Ableitung allgemein gültiger Aussagen wurden die Ergebnisse anhand dreier Verschleißmodelle für abrasive Bedingungen (Archard, Budinski, Ratner et al) überprüft. Dabei erwies sich jedoch keines der Modell als passend, um alle experimentellen Werte abbilden zu können. Dennoch lies sich erkennen, dass das Deformationsverhalten bei abrasiven Verschleißvorgängen eine bedeutende Rolle spielt. Deshalb wurde das Deformationsverhalten von drei exemplarischen Verbundwerkstoffen bei einer dynamischen Mikrohärteprüfung mittels der Finiten Elemente Methode (FEM) simuliert. Es zeigte sich, dass zum einen die Berechnungen und die experimentellen Ergebnisse sehr gut übereinstimmen. Zum anderen sind die entwickelten FEM Modelle sehr gut geeignet, um das Verschleißverhalten zu erklären.
Gradientenwerkstoffe sind Werkstoffe, deren Zusammensetzung und/oder Mikrostruktur sich in einer oder mehreren räumlichen Richtungen ändert. Daraus ergibt sich die Möglichkeit, funktionelle Bauteile mit unterschiedlichen Materialeigenschaften auf verschiedenen Oberflächen oder Seiten speziell an einzelne Anwendungsfälle anzupassen. Bei der Herstellung der Gradientenwerkstoffe mit einer durchgängigen Matrix ergeben sich weitere besonderen Eigenschaften wie eine kontinuierliche Änderung der Materialeigenschaften. Solche Werkstoffe besitzen gegenüber beschichteten oder sandwichartig aufgebauten Materialien außerdem die Vorteile niedriger innerer Spannungen und sie neigen nicht zu Abplatzeffekten. Im Rahmen des Projekts konnte gezeigt werden, dass die Zentrifugation eine geeignete Methode zur Herstellung Epoxidharz-basierender Gradientenwerkstoffe ist. Bei einer entsprechenden Wahl der Zentrifugationsparameter wie Drehzahl, Dauer der Zentrifugation und Viskosität des Harzes ließen sich kontrolliert unterschiedlichste Füllstoffverteilungen einstellen. Diese umfassten Varianten von der homogenen Verteilung über eine kontinuierliche gradierte Änderung des Füllstoffgehalts bis hin zu einer vollständigen Separation der Probe in einen Reinharzbereich und einen maximal gefüllten Bereich. Es wurde ein Softwaretool entwickelt, das die Füllstoffverteilung in Abhängigkeit aller Zentrifugationsparameter berechnete. Dabei ergab sich eine gute Übereinstimmung der Experimente mit der Simulation. Durch die Zentrifugation ließen sich in den äußeren Probenbereichen wesentlich höhere Füllgrade erzielen, als dies durch reine Vakuummischtechnik möglich gewesen wäre. Bei einigen Füllstoffen und Füllstoffkombinationen zeigten die maximal gefüllten Zonen der Gradientenwerkstoffe eine deutlich höhere Verschleißfestigkeit als die maximal isotrop gefüllten Proben. Diese Verbesserung durch Gradierung ließ sich auch für trockengeschmierte, Graphit-gefüllte Werkstoffe zeigen. Die Verschleißraten der trockengeschmierten Gradientenwerkstoffe verringerten sich gegenüber den ungeschmierten Werkstoffen deutlich. Bei einer geeigneten Wahl der Füllstoffverteilung ließ sich sowohl eine Verbesserung der Verschleißfestigkeit auf der äußeren, verschleißbelasteten Zone der Materialien erzielen, als auch gleichzeitig eine höhere Schlagzähigkeit im Inneren der Probe. Die Verbesserung der Verschleißfestigkeit durch die Gradierung konnte auf eine Bauteilgeometrie übertragen werden. Gleitlager-Innenringe mit einer, durch Zentrifugation hoch gefüllten äußeren Zone, zeigten in Gleitverschleißexperimenten eine höhere Verschleißfestigkeit als vergleichbare isotrope Werkstoffe. Als weiter Demonstrator-Bauteile wurden Laufrollen mit der gleichen Geometrie wie kommerziell erhältliche Rollen hergestellt. Diese Rollen wurden mit einem kontinuierlichen Aramid Gradienten in der polymeren Zone um den Stahlkern gefertigt.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde erstmalig die Verarbeitungstechnik zur
Entwicklung und Herstellung von Microfibrillaren Composites (MFCs) im Bereich der
resorbierbaren Polymeren angewandt. Ziel war die Herstellung eines polymeren
MFC-Knochennagel-Implantats aus den zwei biodegradierbaren Werkstoffen
Polylaktid und Polyglykolid, um eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften
gegenüber den Ausgangswerkstoffen zu erzielen. Die biodegradierbaren MFCs
wurden schließlich bzgl. ihres mechanischen Leistungspotentials gegenüber der
alternativen Herstellungstechnik „Solid-State-Extrusion“ bewertet.
Die vier verschiedenen Polylaktide, Poly-L-laktid (PLLA), Polylaktid (PLA), Poly-DLlaktid
(PLDLA), Poly-LDL-laktid (PLDLLA) und der Werkstoff Polyglykolid (PGA)
bildeten vier Werkstoffpaarungen für die MFC-Versuchsreihen. Für die Solid-State-
Extrusion standen die vier Polylaktide aus der MFC-Serie sowie mehrere kompatible
Polylaktidmischungen zur Verfügung.
Innerhalb der Untersuchungen wurde zuerst das Verfahren der Solid-State-Extrusion
optimiert, da es hier auch Überschneidungen in den MFC-Verarbeitungsetappen gab.
Um den MFC-Prozess optimieren zu können, wurden theoretische Überlegungen
und schematische Modellansätze aufgestellt, die dann durch mikroskopische
Beobachtungen bestätigt und verifiziert wurden. Aus der entwickelten
Modellvorstellung konnten Lösungsansätze hergeleitet werden, welche die von
Fakirov et al. aufgestellten MFC-Bedingungen erweiterten und eine Herstellung von
resorbierbaren Microfibrillaren Composites ermöglichten.
Die 3-Punkt-Biegeuntersuchungen der MFC-Werkstoffpaarung zeigten für eine PGA/PLA 30:70-Mischung eine Erhöhung der mechanischen Steifigkeit um 30 % und
der Festigkeit um 20 % gegenüber dem reinen Polylaktid. Die initiale
Leistungssteigerung mittels der Solid-State-Extrusion fällt mit über 120 % Steigerung
deutlich stärker aus als die der MFCs, jedoch reduziert sich der Gewinn unter
Berücksichtigung eines Umformprozesses auf ca. 50 %. Weiterhin konnten die MFCs
mittels dem Spritzgießverfahren in komplexe Geometrien geformt werden.
Abschließend wurde für den MFC-Prozeß ein Verarbeitungsfenster hergeleitet.
This thesis aimed at developing and producing bioresorbable Microfibrillar
Composites (MFCs) for polymer bone nails. The main goal was to create a complete
resorbable Microfibrillar Composite made from the two common commercial
polymers polylactide (PLA) and polyglycolide (PGA). The mechanical strength and
stiffness of this new composite should be significantly higher in comparison to the
native materials. To evaluate their mechanical potential, the produced MFCs were
compared to the alternative technique of solid-state-extrusion.
Four different polymer blends in different component ratios were developed and
investigated for the MFC series. These blends werde made of four different
polylactides, two amorphous and two partially crystalline polylactides, together with
polyglycolide as the reinforcing material. For the solid-state-extrusion, four native
polylactides from the MFC series and several miscible polylactide blends were
produced.
Following the experimental studies, the process of solid-state-extrusion was
optimized first. Furthermore a theoretical model was developed for optimizing the
MFC process. This model was prooved by experimental data and microscopy
investigations. Due to the model it was possible to develop solutions for the MFCprocessing.
In addition the basic rules developed by Fakirov et al. were extended.
The mechanical properties were evaluated by 3 point bending tests. An increase of
30 % for the stiffness and 20 % for the bending strength in comparison to the native
polylactide was reached by a MFC-PGA/PLA 30:70. For the solid-state-extrusion, a
significant increase of 120 % was possible. But considering an additional forming
process, the mechanical properties dropped to 50 % of the initial values.
Furthermore, regarding the MFC-process, it was possible to get complex shapes like
the bone nails by injection molding. In conclusion a processing window was
established for the MFC-process.