DE102009054605B3 - Offenzellige Titan-Metallschäume - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Werkstoffwissenschaften und betrifft offenzellige Metallschäume aus Titan, wie sie beispielsweise für medizinische Implantate eingesetzt werden können.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, offenzellige Titan-Metallschäume anzugeben, bei dem die Haftung von einwachsendem Gewebe verbessert ist.
Die Aufgabe wird gelöst durch offenzellige Titan-Metallschäume bestehend aus einem dreidimensionalen Netzwerk aus miteinander verbundenen Stegen, wobei mindestens deren umhüllende Oberfläche im Wesentlichen aus Titan besteht und die im Wesentlichen glatten Stegoberflächen Rauheiten R_a von < 2 μm aufweisen.
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung von offenzelligen Titan-Metallschäumen, bei dem ein offenzelliger Polymerschaum einmal mit einer Suspension beschichtet wird, wobei die Suspension mindestens 75 Ma.-% an Titanpulverpartikeln einer mittleren Partikelgröße von < 25 μm enthält, nachfolgend der beschichtete Polymerschaum getrocknet, das Polymer entfernt und das verbleibende Titanpulvergerüst in Form eines dreidimensionalen Netzwerkes gesintert wird.

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Werkstoffwissenschaften und betrifft offenzellige Metallschäume aus Titan, wie sie beispielsweise für medizinische Implantate eingesetzt werden können.
• Die Herstellung und Verwendung von offenzelligen Schäumen als Implantatwerkstoff, insbesondere als Knochenersatzwerkstoff ist schon lange bekannt, weil die offenzellige Schaumstruktur die Knochengerüststruktur in idealer Weise abbildet und bei einer bestimmten Zellgröße gut von neugebildetem Gewebe durchwachsen werden kann. Bekannt sind u. a. offenzellige Schaumkeramiken aus Hydroxylapatit, Tricalciumphosphat und Bioglaskeramiken. Bekannt sind außerdem offenzellige Metallschäume aus Titan und Titanlegierungen, sowie aus Tantal (L. D. Zardiackas et al.: J. Biomed. Mater. Res 58 180–187, 2001).
• Für Implantantanwendungen aus Metall sind insbesondere die Metalle Titan und Tantal, sowie Legierungen mit hohem Titan- oder Tantalgehalt bevorzugt, weil diese Metalle als erprobt und inert im menschlichen Körper gelten.
• Weiterhin ist seit langem das „Schwartzwalder-Verfahren” ( US 3,090,094 A ) bekannt, nach dem ein Polyurethan geschäumt und retikuliert wird, der offenzellige Polymerschaum mit einer Keramik- oder Metallpartikelsuspension beschichtet und nachfolgend das Polyurethan ausgebrannt und die Keramik- oder Metallpartikel versintert werden. Der so entstandene Schaum ist ein Gerüst aus einer Vielzahl von Stegen (1), die die Zellen des Schaumes voneinander abgrenzen (siehe 3). Dieses Verfahren wird für die Herstellung von offenzelligen Titanschäumen als Knochenimplantatwerkstoff eingesetzt ( WO 02/066693 ; J. P. Li et al.: J. Biomed. Mat. Res 73A No2 (2005) 223–233).
• Dieses Verfahren wird den pulvertechnischen Verfahren oder Pulvertechnologien zugeordnet, bei denen aus metallischen Partikeln (Pulvern) durch einen Formgebungsprozess und eine nachfolgende thermische Behandlung (Sinterung) ein metallisches Formteil erzeugt wird.
• Offenzellige Metallschäume aus Titan und Tantal werden bekanntermaßen auch über ein Gasphasenabscheidungsverfahren (CVD oder CVI) hergestellt, bei der das Metall auf einem inerten Gerüst zumeist aus offenzelligem Kohlenstoff abgeschieden wird. Dabei wächst eine kristalline Schicht aus dem Metall oder der Metallegierung auf und bildet eine raue Oberfläche auf den Stegen aus. Die Verwendung solcher Schäume als Knochenimplantatwerkstoff ist bekannt, da diese Schäume kommerziell produziert werden (Tantalschaum – Fa. Zimmer, Markenname Trabecular Metal; Titanschaum – Fa. Wright Medical Technology, Markenname BioFoam). Nachteilig bei der Herstellung solcher Schäume mittels CVD ist, dass diese einen hohen apparativen Aufwand erfordern und nur limitierte Probengrößen und Gleichmäßigkeit erlauben.
• Eine idealisierte Schaumzelle (siehe (2) in 4) wird durch ihren Durchmesser charakterisiert (Zelldurchmesser), der dem Durchmesser einer annähernd von ihr eingeschlossenen Kugel entspricht. Außerdem bildet eine Schaumzelle sogenannte Fensteröffnungen (Zellfenster, siehe (5) in 4) zu den benachbarten Zellen, die in etwa einen Kreis umschließen, dessen Durchmesser in etwa ein Drittel des mittleren Durchmessers der Schaumzelle beträgt. Bei der Angabe einer mittleren Zellweite werden an einem Flächenschnitt die Anzahl der von einer Messlinie geschnittenen Zellen und Zellfenster gezählt und als Anzahl pro Länge angegeben, typischerweise in der Einheit Pores per inch (ppi) oder Poren pro cm.
• Weiterhin weisen die Stege von Schäumen Risse (7), Hohlräume (6) und Poren (8) auf (5), insbesondere, wenn sie nach dem Schwartzwalder-Verfahren hergestellt worden sind, wobei die Poren (8) im Stegmaterial nicht mit den Zellen des Schaumes übereinstimmen und verwechselt werden dürfen.
• Die umhüllende Oberfläche (4) der Stege bildet in ihrer Gesamtheit die geometrische äußere, für Rauheitsmessungen direkt zugängliche, Oberfläche eines Schaumes (s. 5 und 6). Im Rahmen dieser Erfindung soll dies nachfolgend unter der umhüllenden Oberfläche verstanden werden.
• Eine Bestimmung der umhüllenden Oberfläche kann z. B. durch Bildauswertung von metallographischen Anschliffen erfolgen und wird auf das äußere Volumen der Probe oder deren Gewicht bezogen. Unter äußerem Volumen wird dabei das aus den äußeren Abmaßen der Schaumprobe berechnete Volumen verstanden.
• Die üblicherweise über die Gasadsorption bestimmte und auf das Gewicht (oder auch auf das Volumen) einer Probe bezogene, sogenannte spezifische Oberfläche ist dagegen die Summe aller durch ein Messgas belegbaren Oberfläche des Schaumes, d. h. umfasst sowohl die o. g. umhüllende Oberfläche und die Oberfläche der zugänglichen Risse, Poren und Hohlräume in den Stegen, d. h. die spezifische Oberfläche ist immer höher als die umhüllende Oberfläche. Die Bestimmung der spezifischen Oberfläche wird ebenfalls nach bekannten Verfahren durchgeführt, die auch in der DIN ISO 9277 (3003-05) beschrieben sind.
• Den Oberflächeneigenschaften der Stege kommt eine besondere Bedeutung zu, wenn diese in Wechselwirkung zu einem füllenden oder durchströmten Medium tritt. Bei medizinischen Implantaten ist dies speziell das einwachsende Gewebe, bei sogenannten Knochenersatzwerkstoffen das Knochengewebe.
• Die Einstellung einer hohen Rauheit der Oberfläche von metallischen Implantaten ist für das Einwachsverhalten in das Gewebe und die mechanische Verankerung im Knochen notwendig und vorteilhaft (Ronold et al.: Biomaterials 24 (2003), 4599–4564; Martin et al., J. Biomed. Mat. Res. 29, 389–401 (1995)). Demzufolge wurden auch offenzellige Schäume mit möglichst hoher Rauheit der Stege entwickelt. Nach J. P. Li et al.: J. Biomed. Mat. Res 73A No2 (2005) 223–233 ist eine Rauheit von R_a = 3,4 ± 0,3 μm der Stege des offenzelligen Schaumes als besondere Eigenschaft und Vorteil bekannt. Weiterhin ist aus „Biofoam Technical Monograph MI023-109 der Fa. WMT” eine hohe Haftfestigkeit des CVI-Titanschaumes infolge der speziellen Oberflächenstrukturierung als besonders vorteilhaft bekannt.
• Die Rauheit wird insbesondere durch die bei der Beschichtung und Wärmebehandlung oder Gasphasenabscheidung ausgebildete Oberflächenstruktur und teilweise durch Poren an der Oberfläche der Metallstege des Schaumes verursacht.
• Bezüglich der Charakterisierung der Oberflächenrauheit von Materialien sind dazu verschiedene DIN bekannt (DIN 4760 Gestaltabweichungen; DIN 4768 (1990) Ermittlung der Rauheitsgrößen R_a, R_z, R_max mit elektrischen Tastschnittgräten, Begriffe und Messbedingungen; DIN EN ISO 4287 (1998) Oberflächenbeschaffenheit, Tastschnittverfahren, Benennungen, Definitionen und Kenngrößen der Oberflächenbeschaffenheit), die sowohl die Begriffe als auch die Messverfahren beschreiben.
• Die Oberflächen von keramischen oder metallischen Werkstoffen weisen in den meisten Fällen keine regelmäßige Struktur auf, sondern enthalten Gestaltsabweichungen, die unterteilt sind in Rauheit, Welligkeit und Formgestalt. Wichtige Kenngrößen sind R_a = Mittenrauwert und R_z = Rautiefe.
• Der Mittenrauwert R_a ist ein rechnerischer Mittelwert aller Abweichungen des Rauheitsprofiles von der mittleren Linie der definierten Bezugsstrecke. R_a entspricht theoretisch dem Abstand mehrerer Linien, die sich bilden, wenn die Berge oberhalb der Mittellinie und die Täler unterhalb der Mittellinie in gleich große Rechtecke verwandelt werden würden (1).
• Die Rautiefe R_z ist der Mittelwert aus Einzelrautiefen von fünf aufeinander folgenden Einzelmessstrecken im Rauheitsprofil. Die Extremwerte in jedem Messabschnitt werden addiert und die Spannweite durch die Anzahl der Messabschnitte dividiert (2).
• Nachteilig an einer hohen Rauheit an der Oberfläche medizinischer Implantate ist jedoch, dass die hohe Rauheit auch gleichzeitig die Möglichkeit impliziert, dass einzelne Metallpartikel aus der Oberfläche der Metallstege bei mechanischer Beanspruchung abgelöst werden und ungünstigerweise feine Metallpartikel im Körper transportiert und an anderer Stelle im Körpergewebe abgelagert werden. Diese mechanische Beanspruchung kann beim Handling der Implantatwerkstoffe vor und während der Operation oder während der Einwachsphase oder bei starker Belastung des Knochens während oder auch nach der Einheilungsphase auftreten.
• Weiterhin implizieren hohe Rauheiten auch eine hohe Anzahl von sogenannten Kerben in der Oberfläche. Diese Kerben wirken nachteilig bei Einwirkung von Zugspannungen senkrecht zur Kerbe, was sich in der Festigkeit und vor allem der Dauerfestigkeit der metallischen Bauteile bemerkbar macht.
• Weiterhin ist die Rauheit auch direkt proportional zur o. g. spezifischen Oberfläche der Schäume, d. h. eine hohe Rauheit führt zu einer hohen spezifischen Oberfläche. Dadurch kann es zu einer verstärkten Wechselwirkung mit korrosiven Flüssigkeiten kommen, die ebenfalls die Lebensdauer der metallischen Komponenten negativ beeinflussen kann.
• Aufgabe der Erfindung ist es daher, offenzellige Titan-Metallschäume anzugeben, bei dem die Haftung zu Beschichtungen der Oberfläche, insbesondere von einwachsendem Gewebe, verbessert und das Risiko einer Partikelabgabe verringert ist.
• Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
• Die erfindungsgemäßen offenzelligen Titan-Metallschäume bestehen aus einem dreidimensionalen Netzwerk aus miteinander verbundenen Stegen, wobei mindestens deren umhüllende Oberfläche im Wesentlichen aus Titan besteht und die im Wesentlichen glatten Stegoberflächen Rauheiten R_a von < 2 μm aufweisen.
• Vorteilhafterweise sind die offenzelligen Titan-Metallschäume mit dem Schwartzwalder-Verfahren hergestellt.
• Weiterhin vorteilhafterweise weisen die Stege eine glatte Oberfläche mit Rauheiten R_a von < 1 μm auf.
• Ebenfalls vorteilhafterweise besteht der Oberflächenbereich der Stege zu mindestens 85% aus Titan, wobei der Rest Titanverbindungen und/oder Titanlegierungsbestandteile sind.
• Und auch vorteilhafterweise sind als Titan-Legierungen Ti6Al7Nb und Ti6Al4V vorhanden.
• Es ist auch vorteilhaft, wenn die Stege im Inneren Hohlräume aufweisen.
• Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn die Stege in ihren Wandungen Risse und Poren aufweisen.
• Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn die umhüllenden Oberflächen der Stege Poren aufweisen, wobei deren Anteil < 5%, bezogen auf die Fläche beträgt.
• Und auch vorteilhaft ist es, wenn die Poren in der umhüllenden Oberfläche der Stege maximale Abmessungen von < 1 μm aufweisen.
• Hergestellt können die erfindungsgemäßen offenzelligen Titan-Metallschäume, indem ein offenzelliger Polymerschaum einmal mit einer Suspension beschichtet wird, wobei die Suspension mindestens 75 Ma.-% an Titanpulverpartikeln einer mittleren Partikelgröße von < 25 μm enthält, nachfolgend der beschichtete Polymerschaum getrocknet, das Polymer entfernt und das verbleibende Titanpulvergerüst in Form eines dreidimensionalen Netzwerkes gesintert wird. Dabei können Titanpulverpartikel in der Suspension eingesetzt werden, bei denen die Partikelgrößenverteilung einen d₉₅-Wert < 30 μm aufweisen.
• Ebenfalls können Titanpulverpartikel in der Suspension eingesetzt werden, die eine mittlere Partikelgröße von < 20 μm aufweisen.
• Weiterhin kann die Suspension ausschließlich einmal auf den Polymerschaum aufgebracht werden.
• Und ebenfalls können als Titanpulverpartikel Partikel aus reinem Titan und/oder aus Titanverbindungen und/oder aus Titanlegierungen eingesetzt werden.
• Mit der erfindungsgemäßen Lösung sind offenzellige Titan-Metallschäume herstellbar, deren Stege eine vergleichsweise glatte umhüllende Oberfläche aufweisen, die aber trotzdem eine gute Haftung zu Beschichtungen, insbesondere von einwachsendem Gewebe, erreichen und bei denen das Risiko einer unerwünschten Partikelabgabe deutlich verringert ist.
• Entgegen der allgemeinen Auffassung der Fachwelt bezüglich der Beschaffenheit von Knochenersatz-Formteilen und insbesondere deren Oberfläche werden mit der erfindungsgemäßen Lösung offenzellige Titan-Metallschäume als Knochenersatz-Formteile angegeben, deren Stege gerade keine raue, sondern eine vergleichsweise glatte umhüllende Oberfläche aufweisen.
• Nach dem Stand der Technik ist bekannt, dass neben der Biokompatibilität die Knochenersatz-Formteile eine hohe Porosität und eine poröse Struktur, ähnlich der menschlichen Knochenstruktur, aufweisen sollten. Dies beinhaltet auch eine raue äußere Oberfläche der Stege. Nach J. P. Li et al.: J. Biomed. Mat. Res 73A No2 (2005) 223–233 werden Oberflächenrauheiten von 3,4 ± 0,4 μm (R_a) erreicht, wobei die Poren in der rauen Oberfläche der Stege als Mikroporen bezeichnet werden und deren Größe im Bereich von 1 bis 10 μm angegeben wird.
• Im Gegensatz dazu weisen die erfindungsgemäßen, im Wesentlichen glatten umhüllenden Stegoberflächen Rauheiten R_a von < 2 μm auf.
• Diese geringen Rauheiten werden vor allem dadurch erreicht, dass bei den mittels pulvertechnischer Verfahren hergestellten erfindungsgemäßen offenzelligen Titan-Metallschäumen ein Titan-Pulver als Ausgangspulver verwendet wird, welches einen deutlich geringeren mittleren Partikeldurchmesser aufweist, als die Pulver, die bei den Lösungen des Standes der Technik eingesetzt werden. Gemäß J. P. Li et al.: J. Biomed. Mat. Res 73A No2 (2005) 223–233 werden Titanlegierungspulver mit einem mittleren Partikeldurchmesser von 45 μm eingesetzt. Unter dem mittleren Partikeldurchmesser eines Pulvers wird der d₅₀ Wert der Partikelgrößenverteilungsfunktion verstanden. Die geringen Rauheiten werden erfindungsgemäß auch dadurch erreicht, dass der Grobanteil des Titanpulvers, gekennzeichnet durch den d₉₅-Wert < als 30 μm ist, d. h. 95% der Partikel aus der Partikelverteilungskurve sind kleiner als 30 μm. Gemessen werden diese Partikelverteilungskurven nach dem bekannten Verfahren der Laserbeugung.
• Weiterhin werden die erfindungsgemäßen glatten umhüllenden Oberflächen der Stege auch dadurch erreicht, dass nur eine Beschichtung des Polymerschaums bei der Herstellung der Titan-Metallschäume mit einer Titanpulver-haltigen Suspension durchgeführt wird.
• Nach den Lösungen des Standes der Technik werden gerade mehrmalige Beschichtungen favorisiert, da dadurch die mechanischen Eigenschaften verbessert werden ( EP 1329229 ). Weiterhin werden nach mehrmaligen Beschichtungen ähnliche mechanische Eigenschaften der Materialien erreicht, wie bei menschlichen Knochen (J. P. Li et al: J. of Mat. Sic. 17 (2006) 179–185). Eine mehrmalige Beschichtung bedeutet aber zwingend auch, dass die Suspensionen für die mehrmaligen Beschichtungen immer weniger Beschichtungsmaterial enthalten können, da bei mehrmaligen Beschichtungen die Zellabmessungen immer geringer werden und mit den geringeren Anteilen an Beschichtungsmaterial in den Suspensionen ein Verschließen der Zellen verhindert werden muss (siehe dazu auch J. P. Li et al: J. of Mat. Sic. 17 (2006), Tabelle 1).
• Der geringere Anteil an Beschichtungsmaterial in der Suspension führt zu einer geringeren Packungsdichte der Partikel nach der Trocknung der Beschichtung, was wiederum nach der Sinterung zu einer höheren Porosität und höheren Rauigkeit der äußeren Oberfläche führt. Damit führt eine mehrmalige Beschichtung aber auch dazu, dass eine rauere umhüllende Oberfläche der Stege erreicht wird, was nach dem Stand der Technik ja gewünscht ist.
• Demgegenüber wird erfindungsgemäß mit einem deutlich feineren Titanpulver als Ausgangsstoff und mit nur einer einzigen Beschichtung eine nachweislich deutlich glattere umhüllende Oberfläche der Stege erreicht, die überraschenderweise eine gute Haftung von einwachsendem Gewebe zeigt.
• Unter Titan-Metallschäumen sollen im Rahmen dieser Erfindung Schäume mit einem überwiegenden Anteil an Titan verstanden werden. Das beinhaltet auch, dass neben Titan auch typische Titanlegierungen, wie z. B. Ti6Al7Nb und Ti6Al4V, eingesetzt werden können, die in geringen Mengen (< 15%) Legierungselemente enthalten.
• Weiterhin können auch sehr geringe Mengen (< 5%) an Titanverbindungen mit anderen Elementen (z. B. Oxide, Nitride, Carbide etc.) im Gefüge enthalten sein. Alle aus diesen Ausgangsstoffen hergestellten Titan-Metallschäume sollen unter dem erfindungsgemäßen Begriff Titan-Metallschäume verstanden werden. Im Wesentlichen sollen die erfindungsgemäßen Titan-Metallschäume jedoch die technisch normierten Reinheiten und Legierungsbestandteile einhalten.
• Nach dem Stand der Technik können offenzellige Titan-Metallschäume aber auch mittels CVD-Verfahren hergestellt werden. Diese Verfahren sind aber sehr aufwändig und teuer und die entstandenen Titan-Metallschäume unterscheiden sich von den erfindungsgemäßen Titan-Metallschäumen unter anderem auch darin, dass die Stege des erfindungsgemäßen offenzelligen Netzwerkes in jedem Falle hohl sind, da dort der Polymerschaum entfernt worden ist.
• Die mittels CVD-Verfahren abgeschiedenen Titanpulver sind auf einem Substrat, zumeist aus Kohlenstoff vorhanden, welches ebenfalls ein offenzelliger Schaum sein kann, jedoch bleibt zum Abschluss des CVD-Verfahrens das Substrat in jedem Falle erhalten, so dass die Stege im gesamten Volumen ausgefüllt sind (s. die o. a. L. D. Zardiackas et al.: J. Biomed. Mater. Res 58 180–187, 2001)
• Hinzu kommt, dass durch das CVD-Verfahren unter Umständen eine Reaktion des Titans mit dem Substrat nicht vollständig verhindert werden kann, so dass der Bereich der Stegoberflächen auch nicht im Wesentlichen aus Titan besteht oder bestehen kann.
• Außerdem bildet sich an der Grenzfläche zwischen Kohlenstoffsubstrat und Titanschicht eine Reaktionsschicht aus Titancarbid aus, die zu einer unerwünschten Versprödung des Schaumes führen kann.
• Nachfolgend wird die Erfindung an zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert.
• Dabei zeigen
• 1 den Mittenrauwert R_a als rechnerischen Mittelwert aller Abweichungen des Rauheitsprofiles von der mittleren Linie der definierten Bezugsstrecke. R_a entspricht theoretisch dem Abstand mehrerer Linien, die sich bilden, wenn die Berge oberhalb der Mittellinie und die Täler unterhalb der Mittellinie in gleich große Rechtecke verwandelt werden würden.
• 2 die Rautiefe R_z als Mittelwert aus Einzelrautiefen von fünf aufeinander folgenden Einzelmessstrecken im Rauheitsprofil. Die Extremwerte in jedem Messabschnitt werden addiert und die Spannweite durch die Anzahl der Messabschnitte dividiert.
• 3 die Prinzipdarstellung eines offenzelligen Schaumes
• 4 die idealisierte Prinzipdarstellung einer Zelle eines offenzelligen Schaumes
• 5 die idealisierte Prinzipdarstellung des Querschnittes eines Steges eines offenzelligen Schaumes
• 6 die Prinzipdarstellung von Stegen mit zugehöriger umhüllender Oberfläche
• Beispiel 1
• Es wird eine Suspension auf Wasserbasis hergestellt, welche ein Metallpulver auf der Basis der Legierung TiAl6V4 mit einer mittleren Partikelgröße d₅₀ von 15 μm und d₉₅ von 25 μm enthält. Als Binder wird 5% einer Polysaccharidzubereitung zugegeben und die Suspension 10 min bei einer Geschwindigkeit von 200 s–1 gerührt. Sie besitzt anschließend einen Feststoffgehalt von 84 Ma.-%.
• Zur Herstellung des Titan-Metallschaumes werden Formteile aus retikuliertem Polyurethan-Schaumstoff des mittleren Zelldurchmessers (2 in 4) 1200 μm mit der Suspension durchtränkt. Zur anschließenden Homogenisierung und Abtrennung überschüssigen Materiales werden die Formteile zentrifugiert. Für eine Probe der Maße 27 × 19 × 11 mm³ ergibt sich ein Beschichtungsgewicht von 4 g. Anschließend wird der Körper getrocknet und das Polyurethan bis zu einer Temperatur von 600°C unter Argonatmosphäre ausgebrannt. Das verbleibende Titan-Pulvergerüst wird im Hochvakuum von ca. 10^–3 Pa bei einer Temperatur von 1350°C gesintert. Die Probe schwindet bei der Sinterung linear 12%, so dass die Endmaße bei 24 × 16 × 10 mm³ liegen. Die mittlere geometrische Dichte des Sinterkörpers beträgt 1,1 g/cm³ und die Druckfestigkeit beträgt 57 MPa. Der Mittenrauwert R_a an der umhüllenden Oberfläche des Titan-Metallschaumes beträgt 1,2 μm und die Rautiefe R_z 5 μm.
• Beispiel 2
• Es wird eine Suspension auf Wasserbasis hergestellt, welche zu 40% ein Metallpulver auf der Basis der Legierung TiAl6Nb17 mit einer mittleren Partikelgröße von 15 μm und zu 60% ein Metallpulver der gleichen Zusammensetzung mit einer mittleren Partikelverteilung von 6,5 μm enthält. Der d₉₅ Wert der Pulvermischung beträgt 22 μm. Als Binder wird 7% einer Bindermischung aus Polyvinylalkohol und Polysaccharid zugegeben und die Suspension 10 min bei einer Geschwindigkeit von 400 s–1 gerührt. Sie besitzt anschließend einen Feststoffgehalt von 87 Ma.-%.
• Zur Herstellung des Titan-Metallschaumes werden Formteile aus retikuliertem Polyurethan-Schaumstoff des mittleren Zelldurchmessers 1000 μm mit der hergestellten Suspension durchtränkt. Zur anschließenden Homogenisierung und Abtrennung überschüssigen Materiales werden die Formteile durch einen Walzenstuhl geführt. Für eine Probe der Maße 75 × 75 × 20 mm³ ergibt sich ein Beschichtungsgewicht von 80 g. Anschließend wird der Körper getrocknet und das Polyurethan bis zu einer Temperatur von 600°C unter Argonatmosphäre bei einem Druck von 7000 Pa ausgebrannt. Das verbleibende Titan-Pulvergerüst wird im Hochvakuum von ca. 10^–3 Pa bei einer Temperatur von 1250°C gesintert. Die Probe schwindet bei der Sinterung linear 11%, so dass die Endmaße bei 67 × 67 × 18 mm³ liegen. Die mittlere geometrische Dichte des Sinterkörpers beträgt 0,7 g/cm³ und die Druckfestigkeit wird mit 62 MPa gemessen. Der Mittenrauwert R_a an der umhüllenden Oberfläche des Titanschaumes beträgt 0,85 μm und die Rautiefe R_z 3,9 μm. Der Flächenanteil der Poren an der Oberfläche der Stege wird lichtmikroskopisch zu 4% bestimmt. Der mittlere Durchmesser der Poren beträgt 0,8 μm.
• Bezugszeichenliste

1

Schaumsteg

2

Schaumzelle, Zelldurchmesser

3

Verbindungspunkt verschiedener Schaumstege

4

umhüllende Oberfläche

5

Zellfenster

6

Hohlraum im Steg

7

Risse im Steg

8

Poren im Steg

9

Stegdurchmesser

Claims (9)

1. Offenzellige Titan-Metallschäume bestehend aus einem dreidimensionalen Netzwerk aus miteinander verbundenen Stegen, wobei mindestens deren umhüllende Oberfläche im Wesentlichen aus Titan besteht und die im Wesentlichen glatten Stegoberflächen Rauheiten R_a von < 2 μm aufweisen.
2. Offenzellige Titan-Metallschäume nach Anspruch 1, die mit dem Schwartzwalder-Verfahren hergestellt sind.
3. Offenzellige Titan-Metallschäume nach Anspruch 1, bei denen die Stege eine glatte Oberfläche mit Rauheiten R_a von < 1 μm aufweisen.
4. Offenzellige Titan-Metallschäume nach Anspruch 1, bei denen der Oberflächenbereich der Stege zu mindestens 85% aus Titan besteht, wobei der Rest Titanverbindungen und/oder Titanlegierungsbestandteile sind.
5. Offenzellige Titan-Metallschäume nach Anspruch 1, bei denen als Titan-Legierungen Ti6Al7Nb und Ti6Al4V vorhanden sind
6. Offenzellige Titan-Metallschäume nach Anspruch 1, bei denen die Stege im Inneren Hohlräume aufweisen.
7. Offenzellige Titan-Metallschäume nach Anspruch 1, bei denen die Stege in ihren Wandungen Risse und Poren aufweisen.
8. Offenzellige Titan-Metallschäume nach Anspruch 1, bei denen die umhüllenden Oberflächen der Stege Poren aufweisen, wobei deren Anteil < 5%, bezogen auf die Fläche beträgt.
9. Offenzellige Titan-Metallschäume nach Anspruch 8, bei denen die Poren in der umhüllenden Oberfläche der Stege maximale Abmessungen von < 1 μm aufweisen.

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