Künstliche Knochen aus dem Computer

Wie leicht darf ein Leichtbauteil sein? Wie groß dürfen die Poren werden, ohne dass die Stabilität leidet? Ein neues Simulationsprogramm kann die innere Struktur eines Bauteils berechnen.

Das Vorbild stammt aus der Natur: Knochen sind Meisterwerke des Leichtbaus, die höchsten Beanspruchungen standhalten. Unter der harten äußeren Schicht haben sie eine poröse Struktur. Die Löcher dieses »Schwamms« sind im Knochen nicht überall gleich groß: Flächig belastete Teile wie der Oberschenkelkopf weisen größere Poren auf als solche, die nur Kräfte in einer Richtung aushalten müssen, wie etwa der schlanke Mittelbereich des Oberschenkelknochens.

»Inzwischen können wir am Computer simulieren, welche innere Struktur ein Bauteil haben muss, damit es für eine bestimmte Anwendung optimal ausgelegt ist«, berichtet Andreas Burblies vom Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM. Dazu wird das Werkstück – natürlich nur rechnerisch – in sehr kleine Würfelchen zerlegt. Für jedes einzelne dieser Elemente kann dann beispielsweise die erforderliche Festigkeit errechnet werden, wenn die äußeren Kräfte bekannt sind, die auf das Bauteil wirken. Die Bremer Forscher wenden dieses Verfahren der »Finiten Elemente« jetzt auch auf die porösen Materialien des Leichtbaus an. Zum Beispiel auf die Metallschäume, die im Automobilbau eingesetzt werden. Sie können damit herausfinden, wo die Poren klein sein müssen und wo größere Löcher ausreichen.

Bisher war es allerdings nicht möglich, solche Bauteile gezielt zu fertigen. Denn Metallschäume werden so ähnlich hergestellt wie Kuchen: aus Metallpulver und Treibmittel, das beim »Backen« – also beim Schmelzen des Metalls – ein Gas freisetzt. Dichteunterschiede lassen sich dabei nicht erzeugen. Die Bremer Forscher setzen deshalb auf Rapid Prototyping: Ein Laserstrahl schmilzt das Metallpulver nur dort auf, wo später die Stege der Poren sein sollen. Übriggebliebenes Pulver wird anschließend entfernt. Schicht um Schicht entsteht ein offen-poriges Material, das an jeder Stelle genau die gewünschte Dichte aufweist. »Wir können Bauteile herstellen, die höchste Anforderungen bei geringstem Gewicht erfüllen«, freut sich Andreas Burblies.

Dafür interessieren sich zum Beispiel die Hersteller von Knochenimplantaten. Diese werden heute zwar auf den Millimeter passgenau gefertigt, doch sie bestehen aus massivem Titan. Implantate könnten den Belastungen noch länger standhalten, wenn sie auch die innere Struktur ihres natürlichen Vorbilds nachahmen – das hoffen Hersteller, Ärzte und Patienten.