Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Artfremdes Mikro-Strahlschweißen von Titan mit Nitinol und nichtrostenden Stählen zur Herstellung eines biokompatiblen Materialverbunds unter Verwendung von Zusatzwerkstoffen

Nichtrostende Stähle, Titan und Titanlegierungen sowie die Formgedächtnislegierung Nitinol sind in der Medizintechnik häufig verwendete metallische Werkstoffe, die eine Biokompatibilität aufweisen. Nitinol als Phase aus ca. 50% Nickel und 50% Titan zeichnet sich dadurch aus, dass es bei bestimmten von außen angeregten Umwandlungen definierte Formänderungen vollzieht oder, je nach Konditionierung, elastische Dehnungen bis ca. 10% ertragen kann ohne sich nennenswert plastisch zu verformen. Während artgleiche Schweißungen sowohl an Titan als auch an nichtr. Stählen durch Laser- oder Elektronenstrahlschweißen mit gleicher Zugfestigkeit des Grundwerkstoffs hergestellt werden können und auch Nitinol im artgleich geschweißten Zustand etwa 80 % der Zugfestigkeit des Grundwerkstoffs aufweist, bereitet das artfremde Verbinden der genannten Metalle erhebliche Probleme. Beim Schweißen dieser Werkstoffe entstehen versprödend wirkende intermetallische Phasen, so dass Schmelzschweißverfahren, wenn überhaupt, nur bedingt und nur mit deutlich reduzierten Verbindungseigenschaften eingesetzt werden können. Der Einsatz von Produkten mit geschweißten Verbindungen von Titan und nichtrostendem Stahl sowie Titan und Nitinol ohne die bisherigen Einschränkungen der mechanisch-technologischen Eigenschaften ist für eine Vielzahl von KMU der Medizin- und der Mikrosystemtechnikbranche von hohem Interesse.

Es soll daher im Rahmen des Projektes nachgewiesen werden, dass mit Hilfe des Mikro-Elektronen- und des Laserstrahlschweißens unter Einsatz biokompatibler Zusatzwerkstoffe aus der Gruppe der Refraktärmetalle eine Schweißverbindung zwischen oben genannten Materialien hergestellt werden kann, welche eine Zugspannung im Bereich des superelastischen Plateaus des Nitinols erträgt. Im Rahmen der Untersuchungen wird der Schwerpunkt insbesondere auf die Vermeidung versprödend wirkender intermetallischer Phasen und die Biokompatibilität der entstandenen Verbindung gelegt.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des Forschungsvorhabens "MeTiWeld" wurden die Mischverbindung Titan / nichtr. Stähle sowie Titan / Nitinol erfolgreich mittels Mikro-Strahlschweißprozessen hergestellt. Wenngleich durch gezielte Prozessoptimierung auch ohne den Einsatz von Zusatzwerkstoffen teils sehr gute Festigkeitswerte bei den Schweißverbindungen erzielt wurden, konnten diese durch den Einsatz biokompatibler Zusatzwerkstoffe erheblich gesteigert werden. Auf Basis umfangreicher Schweißversuche und tiefgehender Analytik konnte dabei evaluiert werden, dass die Applikation einer Tantal-Pufferlage bei der Mischverbindung Titan / nichtr. Stähle die vielversprechendsten Eigenschaften zur Folge hatte. Bei der artfremden Verbindung Titan / Nitinol konnten hingegen herausragende mechanische Eigenschaften durch das Einschweißen von Niob generiert werden.

Durch die nachweislich substantiell verbesserte Schweißbarkeit und die vielversprechenden Ergebnisse aus den durchgeführten Biokompatibilitätsanalysen, können diese Ergebnisse unmittelbar in das umfangreiche Produkt- und Materialspektrum im Bereich medizintechnischer Implantate sowie chirurgischer Instrumente übertragen werden. Die drei erfolgreich geschweißten Fertigungsmuster, bei welchen es sich allesamt um medizintechnische Produkte handelt, spiegeln das Potential des direkten Transfers in entsprechende Anwendungsfälle nieder. Darüber hinaus wurden im Projektverlauf die Mikro-Elektronenstrahltechnik sowie auch das Laserstrahlschweißen (gepulst und kontinuierlich) betrachtet und metallurgische Randbedingungen dokumentiert, wodurch Anwender die Ergebnisse unmittelbar in die bereits vorhandene Anlagentechnik übernehmen können. Auch außerhalb der Medizintechnik ergeben sich jedoch potentielle Anwendungsmöglichkeiten, unter anderem in der Aktorik und Sensorik mikrosystemischer Komponenten. Weiterhin profitieren Anwender und Hersteller der Strahlschweißanlagen von dem gesteigerten Verständnis zum Schweißen kritischer Mischverbindungen.