DE102009061260B3

DE102009061260B3 - Vorrichtung, aufweisend mindestens zwei miteinander verbundene Teile aus Metall

Info

Publication number: DE102009061260B3
Application number: DE102009061260.2A
Authority: DE
Inventors: Lena Lewandrowski; Stefan Schibli; Heiko Specht; Christoph Vogt
Original assignee: Heraeus Deutschland GmbH and Co KG
Current assignee: Heraeus Deutschland GmbH and Co KG
Priority date: 2009-03-13
Filing date: 2009-03-25
Publication date: 2016-02-04
Anticipated expiration: 2029-03-26
Also published as: US20100233507A1; DE102009014282A1; DE102009014282B4

Abstract

Vorrichtung, aufweisend mindestens zwei miteinander verbundene Teile aus Metall, wobei zwei unmittelbar miteinander verbundene Teile aus Metallen mit unterschiedlicher Schmelztemperatur gebildet sind, wobei ein Teil aus einem Metall mit der niedrigeren Schmelztemperatur auf ein Teil aus einem Metall mit der höheren Schmelztemperatur aufgeschmolzen ist und dass die beiden Teile kraftschlüssig und/oder formschlüssig direkt miteinander verbunden sind, wobei die Vorrichtung ein medizinisches Implantat ist und das Teil aus dem Metall mit der niedrigeren Schmelztemperatur eine Leitungswendel und das Teil aus dem Metall mit der höheren Schmelztemperatur eine Stimulationselektrode ist, wobei der Teil aus dem Metall mit dem niedrigen Schmelzpunkt MP35N aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass lediglich der Teil aus dem Metall mit der niedrigeren Schmelztemperatur auf das Metall mit der höheren Schmelztemperatur aufgeschmolzen wird, wobei das Metall mit der höheren Schmelztemperatur im festen Zustand verbleibt, und das Teil aus dem Metall mit der höheren Schmelztemperatur aus Niob gebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, aufweisend mindestens zwei miteinander verbundene Teile aus Metall, wobei zwei unmittelbar miteinander verbundene Teile aus Metallen mit unterschiedlicher Schmelztemperatur gebildet sind, wobei ein Teil aus einem Metall mit der niedrigeren Schmelztemperatur auf ein Teil aus einem Metall mit der höheren Schmelztemperatur aufgeschmolzen ist und dass die beiden Teile kraftschlüssig und/oder formschlüssig direkt miteinander verbunden sind, wobei die Vorrichtung ein medizinisches Implantat ist und das Teil aus dem Metall mit der niedrigeren Schmelztemperatur eine Leitungswendel und das Teil aus dem Metall mit der höheren Schmelztemperatur eine Stimulationselektrode ist, wobei der Teil aus dem Metall mit dem niedrigen Schmelzpunkt MP35N aufweist.
Derartige Vorrichtungen finden unterschiedliche Verwendung, beispielsweise werden in der Medizintechnik hochwertige Stimulationselektroden implantiert. Derartige Elektroden müssen mit elektrischen Zuleitungen verbunden werden. Die Stimulationselektroden bestehen dabei in der Regel aus einem hochschmelzenden Metall, die Zuleitungen aus einem Metall mit einer niedrigeren Schmelztemperatur. Diese beiden Komponenten werden häufig durch Laserschweißen miteinander verbunden. Dabei kann es jedoch vorkommen, dass auf Grund der Unterschiede der beiden miteinander zu verbindenden Metalle die erforderliche mechanische Stabilität oder elektrische Leitfähigkeit nicht erreicht werden. Es können Risse in der Schweißzone auftreten, die unter anderem durch Bildung intermetallischer Phasen oder durch das Erstarrungsverhalten nach dem Schweißen verursacht werden. Die Verschmelzung ist auf Grund unterschiedlicher Schmelztemperaturen teilweise unzureichend. Derartige Fehler sind in der Regel nicht zerstörungsfrei feststellbar, was zu erheblichen Problemen bei der Fertigung bzw. Qualitätssicherung führen kann. Die US200510054952 A1 und die US 6 061 595 A zeigen Vorrichtungen, die Verbindungen zwischen einer Stimulationselektrode und einer Leitungswendel aufweisen. Die dort gezeigten Verfahren zum Herstellen der Verbindung weisen jedoch den Nachteil auf, dass auch das Metall mit der höheren Schmelztemperatur beim Herstellen der Verbindung nicht im festen Zustand verbleibt, was die Bildung von intermetallischen Phasen mit den genannten Nachteilen begünstigen kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, Verbindungen zwischen Teilen aus Metallen mit unterschiedlichen Schmelztemperaturen bereitzustellen, die sowohl mechanisch ausreichend stabil als auch elektrisch gut leitend sind.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, das lediglich der Teile aus dem Metall mit der niedrigeren Schmelztemperatur auf das Metall mit der höheren Schmelztemperatur aufgeschmolzen wird, wobei das Metall mit der höheren Schmelztemperatur im festen Zustand verbleibt, und das Teil aus dem Metall mit der höheren Schmelztemperatur aus Niob gebildet ist. Dadurch, dass das Teil aus dem Metall mit der niedrigeren Schmelztemperatur auf das Teil aus dem Metall mit der höheren Schmelztemperatur aufgeschmolzen ist und dass beide Teile kraftschlüssig und/oder formschlüssig direkt miteinander verbunden sind, ergibt sich die notwendige mechanische Stabilität und elektrische Leitfähigkeit der Verbindung. Unter direkter Verbindung wird dabei die Verbindung der zwei betrachteten Metallteile ohne Zuhilfenahme weiterer Verbindungselemente wie Schrauben, Nieten oder dergleichen verstanden. Praktisch wird bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung der Vorteil der unterschiedlichen Schmelztemperaturen der beteiligten Teile ausgenutzt, indem lediglich eines der Teile, nämlich das Metall mit der niedrigeren Schmelztemperatur auf das Metall mit der höheren Schmelztemperatur aufgeschmolzen wird, wobei das Metall mit der höheren Schmelztemperatur im festen Zustand verbleibt. Es hat also vorzugsweise während des Aufschmelzens eine feste Oberfläche. Dies sichert, dass die Schmelze in Oberflächenunebenheiten des festen Teils eindringt und dort im Kontakt mit dem festen Teil erstarrt, so dass ein großflächiger Kontakt vorliegt, der sowohl mechanisch stabilisiert als auch elektrisch gut leitet.
Zweckmäßigerweise weist das Teil aus dem Metall mit der höheren Schmelztemperatur eine profilierte Oberfläche auf, beispielsweise in Form von Nuten, Gewinden, Bohrungen. Auch die zum Beispiel bei spanabhebender Herstellung entstehende Oberflächenrauigkeit kann gegebenenfalls ausreichend sein, um den nötigen Form- bzw. Kraftschluss zu erreichen. Vorzugsweise umgibt das Teil aus dem Metall mit der niedrigeren Schmelztemperatur das Teil aus dem Metall mit der höheren Schmelztemperatur zumindest teilweise, so dass die Verbindung an mehreren Seiten der miteinander zu verbindenden Teile besteht. Beispielsweise kann dazu ein Ende des Teils aus dem Metall mit dem höheren Schmelzpunkt in eine Öffnung des Teils, welches aus dem Metall mit dem niedrigeren Schmelzpunkt gebildet ist, hineingesteckt werden. Anschließend wird das niedriger schmelzende Metall aufgeschmolzen und fließt praktisch auf die Oberfläche des anderen Teils. Das Aufschmelzen kann zweckmäßigerweise mit Hilfe eines Laserstrahls erfolgen. Der Laserstrahl kann dabei gezielt nur das Metall mit dem niedrigeren Schmelzpunkt aufschmelzen.
Vorteilhaft ist es, wenn die Differenz der Schmelztemperaturen der Metalle der beiden Teile mindestens 1000°C, insbesondere mindestens 1500°C beträgt. Die Schmelztemperatur des höher schmelzenden Metalls kann vorteilhafterweise mindestens 2400°C, insbesondere mindestens 2800°C betragen. Das gezielte Aufschmelzen lediglich des niedriger schmelzenden Metalls wird dadurch erleichtert.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann zweckmäßigerweise als medizinisches Implantat ausgebildet sein, insbesondere kann das Teil aus dem Metall mit der niedrigeren Schmelztemperatur eine Leitungswendel und das Teil aus dem Metall mit der höheren Schmelztemperatur eine Stimulationselektrode sein. Die Leitungswendel dient der Zuleitung des elektrischen Stroms zur Stimulationselektrode. Diese kann Verwendung in einem Herzschrittmacher, einem implantierbaren Defibrillator, einem implantierbaren kardialen Resynchronisationsgerät oder einem peripheren Muskelstimulator finden oder als Nervenstimulationselektrode oder Stimulationselektrode zur tiefen Hirnstimulation verwendet werden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. In den Zeichnungen zeigt
1 Verbindungsstelle einer Stimulationselektrode mit einer Leitungswendel, vor dem Aufschmelzen
2 Verbindungsstelle einer Stimulationselektrode mit einer Leitungswendel, nach dem Aufschmelzen.
Eine im Prinzip bekannte Stimulationselektrode 1 weist einen kreisförmigen Querschnitt und zur Verbindung mit einer Leitungswendel 2 ein Kontaktende 3 auf. Das Kontaktende 3 ist mit umlaufenden Nuten 4 versehen. Die Stimulationselektrode 1 kann aus einer Tantal-Niob-Wolfram-Legierung gebildet sein, beispielsweise aus Ta-10Nb-7.5W. Das kontaktseitige Ende der Leitungswendel 2 (ausgebildet beispielsweise als zylindrische Windung) wird über das Kontaktende 3 der Stimulationselektrode 1 geschoben und umfasst dieses Kontaktende 3. Danach wird das kontaktseitige Ende der Leitungswendel 2 mit Hilfe eines Lasers aufgeschmolzen, so dass die Schmelze in die Nuten 4 fließt. Das Material der Leitungswendel ist beispielsweise MP35N (MP35N ist eine geschützte Marke der SPS Technologies, Inc.). MP35N weist im Wesentlichen etwa 35 Gew.-% Nickel, etwa 35 Gew.-% Kobalt, etwa 20 Gew.-% Chrom und etwa 10 Gew.-% Molybdän auf. Es hat einen Schmelzpunkt von etwa 1400°C. Die Laserleistung lässt sich ohne Probleme so einstellen, dass dieses Material aufschmilzt und in das Profil des Materials der Stimulationselektrode, das einen Schmelzpunkt von etwa 2800 bis 3000°C aufweist, hineinfließt, ohne dass das Material der Stimulationselektrode schmilzt.
In diesem wie in den folgenden Beispielen kann die Stimulationselektrode für unterschiedliche Anwendungen angepasst sein. Sie kann verwendet werden in einem Herzschrittmacher, einem implantierbaren Defibrillator (ICD), einem implantierbare kardialen Resynchronisationsgerät (CRT) oder auch beispielsweise als peripherer Muskelstimulator, als Nervenstimulationselektrode oder als Stimulationselektrode zur tiefen Hirnstimulation.
Die Stimulationselektrode weist zumindest an ihrem Kontaktende 3 einen vorzugsweise kreisförmigen Querschnitt auf, auf den eine vorzugsweise zylindrische Windung der Leitungswendel 2 aufgeschoben wird. Die Profile müssen nicht wie in den Figuren gezeigt als umlaufende Nuten 4 ausgebildet sein, sie können in nahezu jeder beliebigen Art ausgeführt werden, wobei in Umfangsrichtung umlaufende Vertiefungen oder punktuelle Vertiefungen (Bohrungen) besonders gut gegen Zugspannungen wirken.
In einem weiteren Beispiel ist die Leitungswendel aus MP35N und die Stimulationselektrode aus Tantal gebildet. Tantal hat einen Schmelzpunkt von 2996°C, so dass die Temperaturdifferenz der Schmelztemperaturen der beiden Materialien größer als 1500°C ist. Das Profil dieser Stimulationselektrode kann unter anderem als Durchgangsbohrung (quer zur Längsachse) ausgebildet sein. In einem weiteren Beispiel ist die Stimulationselektrode aus Ta-10W gebildet mit einem Schmelzpunkt von 3040°C. Die Leitungswendel ist gebildet aus einem Kernmanteldraht, wobei der Kern aus Tantal und der Mantel aus MP35N besteht. Das Kontaktende der Stimulationselektrode ist mit rechteckigen umlaufenden Nuten ausgebildet.
Ein anderes Beispiel weist eine Stimulationselektrode aus Ta-5Nb-1Zr auf. Das Kontaktende dieser Stimulationselektrode zeigt eine in Umfangsrichtung verlaufende Nut, auf die ein Kernmanteldraht mit einem Silberkern und einem Mantel aus MP35N aufgeschmolzen ist. Die Differenz der Schmelztemperaturen der beiden miteinander verbundenen Metalle beträgt mehr als 1000°C.
Als Stimulationselektrode wird in einem weiteren Beispiel eine Niob-Elektrode verwendet, die an ihrem Kontaktende mehrere am Umfang angeordnete Sacklochbohrungen aufweist. Auf dieses Kontaktende wird eine Leitungswendel aus MP35N aufgeschmolzen. Auch hier beträgt die Differenz der Schmelztemperaturen mehr als 1000°C, da die Schmelztemperatur von Niob 2468°C beträgt.
Eine weitere Stimulationselektrode wird aus Nb-1Zr gebildet. Sie weist an ihrem Kontaktende V-förmige, umlaufende Rillen auf, auf die eine Leitungswendel aufgeschmolzen wird, die aus einem Kernmanteldraht gebildet ist, wobei der Kern aus Tantal und der Mantel aus Platin gebildet ist. Bei Kernmanteldrähten wird insbesondere der Mantel aufgeschmolzen, sein Material umschließt das Kontaktende der Stimulationselektrode und gewährleistet so die benötigte mechanische Festigkeit und elektrische Leitfähigkeit.
Eine weitere Stimulationselektrode ist aus Pt-30Ir gebildet. Sie weist an ihrem Kontaktende Durchgangsbohrungen (quer zur Längsachse) auf, mit deren Hilfe die Leitungswendel aus MP35N fixiert wird. Eine weitere Stimulationselektrode aus einer Platinlegierung kann aus Pt-30Ir gebildet sein. Sie kann rechteckige umlaufende Nuten aufweisen. Die Leitungswendel ist in diesem Beispiel aus einem Kernmanteldraht mit einem Kern aus Silber und einem Mantel aus MP35N gebildet. Eine weitere Stimulationselektrode ist aus Pt-10Ir gebildet. Sie weist ein Gewinde an ihrem Kontaktende auf. Die Leitungswendel ist aus MP35N gebildet.
In einem weiteren Beispiel ist eine Leitungswendel aus MP35N auf eine Stimulationselektrode aus Platin aufgeschmolzen und haftet dort aufgrund der umlaufenden Rillen der durch Drehen hergestellten Stimulationselektrode.
Stimulationselektroden können auch auf Basis von Palladium hergestellt sein. Beispielsweise kann eine Palladiumelektrode mit Durchgangsbohrungen an ihrem Kontaktende mit einer Leitungswendel aus MP35N verbunden sein. Eine weitere Stimulationselektrode aus Pd-20Ir ist mit einer Leitungswendel aus MP35N verbunden, wobei die Stimulationselektrode Sacklochbohrungen aufweist. Eine Pd-10Ir-Stimulationselektrode mit V-förmigen umlaufenden Rillen an ihrem Kontaktende wurde mit einer Leitungswendel aus einem Kernmanteldraht verbunden, wobei der Kern aus Silber gebildet ist und der Mantel aus MP35N. Eine ebensolche Leitungswendel wurde mit einer Stimulationselektrode aus Pd-10Ru verbunden, wobei die Stimulationselektrode an ihrem Kontaktende ein Gewinde aufweist, in das die Leitungswendel geschmolzen wurde. Schließlich wurde eine Stimulationselektrode aus Pd-10Re an ihrem Kontaktende mit rechteckigen umlaufenden Nuten versehen und auf das Kontaktende eine Leitungswendel aus MP35N aufgeschmolzen.
Es versteht sich von selbst, dass die Art der Befestigung hinsichtlich der Profilform variieren kann. In jedem Fall waren eine einwandfreie mechanische Verbindung und eine gute elektrische Leitfähigkeit gegeben.

Claims

Vorrichtung, aufweisend mindestens zwei miteinander verbundene Teile aus Metall, wobei zwei unmittelbar miteinander verbundene Teile aus Metallen mit unterschiedlicher Schmelztemperatur gebildet sind, wobei ein Teil aus einem Metall mit der niedrigeren Schmelztemperatur auf ein Teil aus einem Metall mit der höheren Schmelztemperatur aufgeschmolzen ist und dass die beiden Teile kraftschlüssig und/oder formschlüssig direkt miteinander verbunden sind, wobei die Vorrichtung ein medizinisches Implantat ist und das Teil aus dem Metall mit der niedrigeren Schmelztemperatur eine Leitungswendel und das Teil aus dem Metall mit der höheren Schmelztemperatur eine Stimulationselektrode ist, wobei der Teil aus dem Metall mit dem niedrigen Schmelzpunkt MP35N aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass lediglich der Teil aus dem Metall mit der niedrigeren Schmelztemperatur auf das Metall mit der höheren Schmelztemperatur aufgeschmolzen wird, wobei das Metall mit der höheren Schmelztemperatur im festen Zustand verbleibt, und das Teil aus dem Metall mit der höheren Schmelztemperatur aus Niob gebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Teil aus dem Metall mit der höheren Schmelztemperatur eine profilierte Oberfläche aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Teil aus dem Metall mit der niedrigeren Schmelztemperatur in das Profil des Teils aus dem Metall mit der höheren Schmelztemperatur eingreift.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Teil aus dem Metall mit der niedrigeren Schmelztemperatur das Teil aus dem Metall mit der höheren Schmelztemperatur zumindest teilweise umgibt.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelztemperatur des höher schmelzenden Metalls mindestens 2400°C, insbesondere mindestens 2800°C beträgt.