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Die vorliegende Anmeldung betrifft Strangpress-Matrizen zum Strangpressen von Magnesiumwerkstoffen. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung Strangpress-Matrizen zum Strangpressen von Magnesiumwerkstoffen mit mindestens einer Bohrung, wobei diese Strangpress-Matrize eine Vorkammer zur Aufnahme von Schmiermittel aufweist, um beim Pressen durch die Bohrung ein Schmieren des Pressstrangs zu ermöglichen. In einem weiteren Aspekt richtet sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zum Strangpressen zur Herstellung von Drähten aus Magnesiumwerkstoffen. Insbesondere wird dieses Verfahren mit der erfindungsgemäßen Strangpress-Matrize durchgeführt.
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Stand der Technik
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Nahtmaterial oder Klammermaterial zum Zusammenfügen von gleichen oder verschiedenen Gewebearten bei Tieren einschließlich Menschen muss verschiedenste Anforderungen erfüllen.
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Einerseits muss das Material soweit inert sein, dass es in den lebenden Organismen keine Abstoßungs- oder Entzündungsreaktionen hervorgeruft oder die Materialien einen negativen Einfluss auf die Gesundung des Gewebes oder des gesamten Organismus hervorrufen. Andererseits müssen die Materialien unterschiedlichsten mechanischen Anforderungen genügen. So muss das Material eine ausreichende Zugfestigkeit aufweisen, um z. B. ein Zusammenhalten des Gewebes zu gewährleisten. Das Material darf aber auch nicht zu spröde sein, um ein Brechen bei Belastung zu verhindern. Schließlich muss das Material eine ausreichende Biegsamkeit aufzeigen, um sich gut dem Gewebe anzupassen und um deformierbar, z. B. zur Knotenbildung, zu sein, ohne das dass Material über die Zeit seine Form verliert. D. h., das Material darf sich weder unter Last weiter strecken noch aufgrund von Verformung ein Öffnen der Gewebewunde ermöglichen.
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Nahtmaterial kann dabei sowohl als permanentes Material, d. h. das Material wird über eine bestimmte Zeit nicht abgebaut, oder in absorbierbarer bzw. resorbierbarer Form bereitgestellt werden. Insbesondere resorbierbares Material wird immer stärker nachgefragt, um es im Körper als Nahtmaterial einzusetzen. Als degradierbare Materialien sind Metalle, Keramiken und Kunststoffe bekannt. Allerdings treten bei vielen dieser Materialien sowohl Verarbeitungs- als auch Belastungsprobleme auf. Die Idee der Verwendung von Magnesium und Magnesiumlegierungen als bioresorbierbare Materialien, z. B. als Nahtmaterial, ist schon seit langem bekannt. Zu Beginn des 19. Jahrhunderts wurde erstmals Magnesium als resorbierbares Material bei Sehnen-, Nerven- und Muskelverletzungen in Form von experimentellem Nahtmaterial eingesetzt. Als chirurgisches Material wurde Magnesium oder Magnesiumlegierungen bereits in den 30ziger Jahren beschrieben, z. B. in der
DE 676 059 oder
DE 360 061 . Diese dort beschriebenen Nahtmaterialien wiesen aber große Nachteile hinsichtlich der Gasentwicklung und des ungleichmäßigen Korrosionsangriffs auf.
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In der heutigen Zeit haben sich hauptsächlich resorbierbare Nahtmaterialien auf Polymerbasis in der Medizin etabliert. Um degradierbare Magnesiumlegierungen im medizinischen Bereich als resorbierbare Nahtmaterialien zu konstruieren, ist es erforderlich, einen zeitsparenden und kostengünstigen Herstellungsprozess zu entwickeln. Die Herstellung der resorbierbaren Materialien, wie Nahtmaterialien, aus Magnesiumlegierungen, erfordert üblicherweise eine Vielzahl von Prozessschritten der plastischen Bearbeitung dieser Metalle. Diese Umformungsprozesse der Metalle werden von vielen Parametern beeinflusst, wie z. B. der Temperatur sowohl des Umformungswerkzeugs als auch bei der Umformung des Gegenstandes oder der Pressdruck.
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Aus der
DE 102 30 553 sind Verfahren und Vorrichtungen zum Strangpressen von Magnesiumwerkstoffen bekannt. Hierbei wird ein zylinderförmiges Profil aus einem Magnesiumwerkstoff in einem Zuführkanal eingeführt und mittels eines Stempels unter plastischer Verformung durch eine Matrize gepresst.
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Aus der
WO 2009/083250 sind Verfahren zur Herstellung von Drahtmaterial aus einem Magnesiumwerkstoff geeignet z. B. als Nahtmaterial bekannt. Außerdem werden in der
WO 2006/047559 die Verwendung von Gedächtnislegierungen in Nahtmaterial beschrieben.
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Die
EP 186 340 beschreibt Matrizen zum Strangpressen, wobei die Matrizenöffnung dieser Extrusionsmatrize im Wesentlichen über ihre gesamte Länge so in einem Winkel negativ konisch verjüngbar verläuft, dass jegliche Reibungsbeanspruchung zwischen den Matrizenwänden und den an diesen vorbeifließenden Metallen vernachlässigbar ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die Herstellung von Magnesiumdrähten geeignet z. B. als Nahtmaterialien aus Magnesiumwerkstoffen zu verbessern. Insbesondere sollen die Umformungsprozesse, einschließlich des Drahtziehprozesses verkürzt werden. Der Erfindung liegt zudem die Aufgabe zu Grunde, entsprechende Werkzeuge zur Durchführung dieser verbesserten Herstellungsverfahren bereitzustellen. Dabei soll neben der Biokompatibilität das herzustellende Material eine ausreichende Zugfestigkeit aufweisen und die notwendige Biegsamkeit besitzen.
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Beschreibung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1 und 7 angegebene Erfindung gelöst. Die Unteransprüche enthalten vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung.
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In einem ersten Aspekt wird eine Strangpress-Matrize zum Strangpressen von Magnesiumwerkstoffen, wie zum Strangpressen von als resorbierbare Nahtmaterialien geeignete Magnesiumdrähte, bereitgestellt. Diese Strangpress-Matrize weist mindestens eine Bohrung, eine Matrizenspannfläche zum Einspannen der Strangpress-Matrize in ein Strangpresswerkzeug und einen Auslauf auf. Diese Matrize ist erwärmbar. Erfindungsgemäß zeichnet sich die Strangpress-Matrize dadurch aus, dass diese eine Vorkammer zur Aufnahme von Schmiermittel zum Schmieren des Pressrohlings beim Pressen durch die Bohrung vor der mindestens einen Bohrung der Matrize aufweist.
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Unter Vorkammer ist vorliegend ein Bereich zu verstehen, der ausreichend Schmiermittel aufnehmen kann, um ein Schmieren des Pressrohlings beim Pressen durch die Bohrung, also des Pressstrangs, über den gesamten Zeitraum des Pressens gewährleisten zu können. Die Vorkammer ist derart ausgebildet, dass sie ein permanentes Schmieren der Bohrung, durch die der Pressrohling zur Ausbildung des Drahtes gepresst wird, erlaubt.
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Mit anderen Worten, die Matrize erlaubt ein Schmieren des Strangmaterials über den gesamten Zeitraum des Strangpressprozesses, wobei der Magnesiumwerkstoff während des Pressdurchgangs durch die Bohrung auf seiner Oberfläche vollständig mit einem Schmiermittel bedeckt ist.
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Es wurde überraschend festgestellt, dass durch die Bereitstellung des Schmiermittels das Umformverfahren optimiert werden kann und somit eine Prozessverkürzung erreicht wird. Die Schmierung spielt dabei eine wesentliche Rolle. Sie verhindert durch die Verringerung der Reibung die benötigte Presskraft. Dadurch wird z. B. die Entstehung von Heißrissen durch Anhaftung des Materials an der Matrize bei dem Austritt aus dieser verhindert. Dabei bildet das Schmiermittel einen dünnen Film auf dem gepressten Draht aus.
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Überraschenderweise konnte dadurch eine Verbesserung des Pressverhältnisses erreicht werden. In diesem Zusammenhang bedeutet Pressverhältnis das Verhältnis der Materialstirnflächen vor und nach dem Strangpressen (A0/AE).
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Bisher wurde in der Regel ein Pressverhältnis von 20 bis zu 100 beim Strangpressen von Magnesiumwerkstoffen angewendet. Erfindungsgemäß kann dieses Pressverhältnis mit Hilfe der erfindungsgemäßen Strangpress-Matrize unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens verbessert werden, ohne die mechanischen Eigenschaften des erhaltenen Drahtes aus den Magnesiumwerkstoffen zu verschlechtern.
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Die erfindungsgemäße Strangpress-Matrize weist dabei bevorzugt eine Vorkammer auf, die trichterförmig in Richtung Bohrung verjüngt zulaufend ausgebildet ist, um eine optimale Schmierung des Pressrohlings bzw. des Pressstrangs während des Pressens durch die Bohrung zu erlauben.
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Bevorzugt handelt es sich bei der trichterförmigen Ausbildung um eine konische Ausbildung der Vorkammer.
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Die erfindungsgemäße Strangpress-Matrize weist bevorzugt mindestens zwei Bohrungen auf, wie vier, acht oder mehr, z. B. insbesondere 12 Bohrungen oder 16 Bohrungen. Diese mindestens zwei Bohrungen sind dabei bevorzugt ringförmig angeordnet.
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Der Auslauf der Strangpress-Matrize ist dabei bevorzugt in seinem Durchmesser größer als der Durchmesser der Bohrung. Durch die Vergrößerung des Durchmessers des Auslaufs ist es möglich die Reibung des stranggepressten Drahtes an der Matrize gering zu halten.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist bei Vorliegen von mehreren Bohrungen ein erhabener Bereich im Zentrum des durch die Bohrungen gebildeten Rings ausgebildet. Dieser erhabene Bereich läuft in Richtung des Rings mit seinen Bohrungen aus, so dass eine optimale Bereitstellung des Schmiermittels möglich ist.
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Es zeigte sich, dass die erfindungsgemäße Strangpress-Matrize eine Verkürzung des Strangpressverfahrens erlaubt. Insbesondere ist diese Strangpress-Matrize derart ausgebildet, dass ein Pressverhältnis von über 100 erreicht wird. Insbesondere erlaubt die Strangpress-Matrize ein Pressverhältnis von mindestens 200, wie mit mindestens 300. D. h. im Gegensatz zum bisherigen Stand der Technik, bei denen Pressverhältnisse von bis zu 100 eingesetzt werden und somit zum Erhalt eines Drahtes mit z. B. einem Durchmesser von 0,5 mm aus einem Pressrohling mit einem Durchmesser von 30 mm ein vielstufiges Verfahren notwendig ist, ist mit Hilfe der erfindungsgemäßen Matrize und des erfindungsgemäßen Verfahrens ein einstufiger Prozess möglich, bei dem z. B. aus einem Pressrohling mit einem Durchmesser von 30 mm ein Draht mit einem Durchmesser von z. B. 0,5 mm in einem Prozessschritt gepresst wird. Erfindungsgemäß ist somit eine erhebliche Prozessverkürzung möglich ohne die mechanischen Eigenschaften des erhaltenen Drahtes gegenüber einem mehrstufigen Verfahren wesentlich zu verschlechtern.
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Durch die Bevorratung eines Depots des Schmiermittels in der Vorkammer der erfindungsgemäßen Strangpress-Matrize ist eine gleichmäßige und nachhaltige Schmierung des Magnesiumwerkstoffes während des gesamten Pressens möglich.
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In einem weiteren Aspekt richtet sich die vorliegende Erfindung auf ein Strangpressverfahren zur Herstellung von Drähten aus Magnesiumwerkstoffen umfassend den Schritt des Pressens des Magnesiumdrahts aus einem Pressrohling durch mindestens eine Bohrung in einer Strangpress-Matrize dadurch gekennzeichnet, dass über den gesamten Pressvorgang der Magnesiumwerkstoffe beim Pressen durch die mindestens eine Bohrung mit einem Schmiermittel geschmiert ist.
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Erfindungsgemäß wird dieses Verfahren dabei bevorzugt so durchgeführt, dass der Magnesiumwerkstoff während des Pressdurchgangs durch die Bohrung auf seiner Oberfläche vollständig mit einem Schmiermittel bedeckt ist. Dieses ermöglicht die Ausbildung von z. B. Heißrissen während des Pressvorgangs zu verhindern. Ein Teil des Schmiermittels bleibt nach dem Pressen als dünner Film auf dem Draht zurück. Das Schmiermittel verhindert, wie gesagt, die Entstehung von Heißrissen durch Anhaftung des Materials an der Matrize bei dem Austritt aus dieser. Weiterhin wird durch die Verwendung des Schmiermittels die Reibung des Magnesiumwerkstoffes an der Matrize verringert und damit die benötigte Presskraft erniedrigt. Durch Einsatz des Schmiermittels ist es entsprechend möglich, Pressverhältnisse von größer 100, z. B. größer 200, insbesondere von größer 300 zu erreichen und somit die Prozessschritte des Strangpressens aus einem Strang zu einem Draht gewünschter Dicke deutlich zu verringern. Es ist z. B. möglich mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens aus einem Strang mit einem Durchmesser von 30 mm in einem Schritt einen Draht mit einem Durchmesser von 0,5 mm, 0,4 mm oder sogar 0,3 mm zu erhalten.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird in dem erfindungsgemäßen Strangpressverfahren eine erfindungsgemäße Strangpress-Matrize mit einer Vorkammer zur Aufnahme des Schmiermittels eingesetzt. Hierdurch wird gewährleistet, dass während des gesamten Strangpressverfahrens ausreichend Schmiermittel bereitgestellt wird und somit das Schmiermittel optimal während des Pressvorgangs auf dem Magnesiumprofil aufgetragen werden kann.
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Bevorzugt wird der in dem erfindungsgemäßen Strangpressverfahren eingesetzte Pressrohling durch ein erstes Strangpressverfahren erhalten. In diesem ersten Strangpressverfahren wird dabei die Struktur des Magnesiumwerkstoffs bereits deutlich geändert und die Korngröße deutlich reduziert. In dem zweiten erfindungsgemäßen Strangpressvorgang ist diese weitere Reduzierung der Korngröße nicht mehr so stark, obwohl das Pressverhältnis wesentlich größer ist. Es wäre zu erwarten gewesen, dass eine stärkere Abnahme der Korngröße beim größeren Pressverhältnis erfolgt. Dieses findet allerdings nicht statt, so dass die guten Bruchdehneigenschaften des Magnesiumwerkstoffes in dem erfindungsgemäßen Strangverfahren nicht übermäßig verschlechtert werden.
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Die durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellten Drähte aus Magnesiumwerkstoffen weisen im Vergleich zu dem Pressrohling vor dem erfindungsgemäßen Strangpressen üblicherweise eine höhere Zugfestigkeit auf. Dies liegt an dem niedrigeren mittleren Korndurchmesser, der sich nach dem Strangpressen der Drähte ergibt.
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Insbesondere für Nahtmaterial darf die Zugfestigkeit nicht zu hoch sein, sondern das Verhältnis zwischen Bruchdehnung und Zugfestigkeit muss in einer Balance zur Anwendung stehen. Insbesondere ist bei Nahtmaterial die Knotbarkeit zu berücksichtigen. Ein Magnesiumdraht mit einer hohen Zugfestigkeit und einer niedrigen Bruchdehnung bricht allgemein bei einem kleinen Radius. Im umgekehrten Fall einer niedrigen Zugfestigkeit und einer hohen Bruchdehnung entsteht ein Bruch beim Zuziehen des Knotens. Um entsprechende Drähte aus Magnesiumwerkstoffen herstellen zu können, sollten daher Bruchdehnung und Zugfestigkeit aufeinander abgestimmt sein. Neben der Zugfestigkeit müssen beispielsweise auch die Knoten sicher halten oder die Handhabung möglichst einfach sein. Das erfindungsgemäße Verfahren, bei dem Pressverhältnisse von über 100, z. B. mindestens 200 oder mindestens 300, realisiert werden, erlaubt die Herstellung solcher Magnesiumdrähte.
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In einer bevorzugten Form wird ein Kupferring zwischen dem Spalt der Matrize und der Presskammer mit dem Pressrohling angeordnet. Dadurch ist es möglich eine Kragenbildung zwischen Presskammer und Matrize zu vermeiden. In einer weiter bevorzugten Ausführungsform ist sowohl die Presskammer als auch die Matrize vortemperiert, z. B. vortemperiert auf einen Wert von mindestens 300°C. Die Temperatur der Matrize und der Presskammer hängt vom eingesetzten Magnesiumwerkstoff ab und kann zwischen den einzelnen eingesetzten Magnesiumwerkstoffen variieren.
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Ebenfalls kann die Presskraft in Abhängigkeit von der eingesetzten Magnesiumlegierung variieren. Der Fachmann kann durch einfache Versuche die geeigneten Werte bestimmen.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden als Schmiermittel graphithaltige Schmiermittel eingesetzt, insbesondere eines auf Graphit-Basis. Alternativ kann als Schmiermittel Molybdänsulfid verwendet werden. Geeignete Schmiermittel sind übliche Schmiermittel, wie sie auch im Schmiedebereich oder beim Strangpressen eingesetzt werden.
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Graphit ist aufgrund seiner besonderen Verträglichkeit vorliegend besonders geeignet, da die Drähte z. B. in der Biomedizintechnik eingesetzt werden. Die Schmierstoffe werden in der Vorkammer der erfindungsgemäßen Strangpress-Matrize vorgehalten, um eine Schmierung des Strangpresses während des gesamten Pressverfahrens zu erlauben. Bevorzugt wird dabei der Schmierstoff auf die schon vorerwärmte, ggf. noch nicht eingebaute, Matrize aufgebracht, um ein mögliches Verdampfen von Aerosolen der Schmierstoffe zu erlauben. Dadurch können entsprechende Verdampfungsprozesse während des Umformvorgangs vermieden werden. Solche Verdampfungsprozesse könnten sonst zu einer Entstehung von Gasblasen führen, die das Strangpressverfahren negativ beeinflussen können, bis zum Abreißen der Drähte in der Matrize.
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Der eingesetzte Magnesiumwerkstoff ist nicht besonders eingeschränkt. Üblicherweise werden Magnesiumlegierungen genommen. Die Zusammensetzungen der Magnesiumlegierungen hängen von den Anwendungsbereichen der hergestellten Magnesiumdrähte, wie Zeitraum der Resorption, Bruchdehnung, Zugfestigkeit etc., ab. Geeignete Magnesiumlegierungen sind z. B. AX30, AL36, MgCa0,8 oder ZEK100.
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Unter Bezugnahme auf die 1 wird die erfindungsgemäße Strangpressmatrize zum Strangpressen von Magnesiumwerkstoffen näher erläutert.
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Die zeigt einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Matrize. Die Matrize 1 weist auf der Matrizenspannfläche 3 eine Vorkammer 2 auf. Dargestellt sind des Weiteren mehrere Bohrungen 4, durch die der Magnesiumwerkstoff entsprechend gepresst wird. Der Auslauf 5 ist in seinem Durchmesser größer als die Bohrungen 4, um die Reibung zu minimieren. In einer Ausführungsform kann dieser Auslauf 5 konisch ausgebildet sein. Ein Kupferring kann ggf. erfindungsgemäß zwischen der Vorkammer 2 und dem Pressrohling angeordnet sein, um eine Kragenbildung zu verhindern.
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Im Folgenden werden beispielhaft Versuche zur Herstellung von Magnesiumdrähten sowie Bestimmungen ihrer mechanischen Eigenschaften dargestellt. Der Zugversuch hierzu wurde in Anlehnung an DIN EN 10002-1:2001 (D) durchgeführt. Die optimalen Temperaturen und die verwendete Presskraft hängen vom eingesetzten Magnesiumwerkstoff ab und ist abhängig von der eingesetzten Vorrichtung. Für die Magnesiumlegierung AX30 zeigten sich gute Bedingungen bei einer Temperatur der Matrize von 420°C und bei einer Presskraft von 700 kN, wenn ein Strang mit 30 mm Durchmesser durch eine erfindungsgemäße Matrize mit 12 Bohrungen 0,5 mm Durchmesser gepresst wurde. Für die Magnesiumlegierung MgCa0,8 betrugen die Werte unter Einsatz der gleichen erfindungsgemäßen Matrize 400°C bei einer Presskraft von 700 kN. Für die Magnesiumlegierung AL36 stellten sich als optimale Werte eine Matrizentemperatur von 360°C bei einer Presskraft von 650 kN heraus.
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Die Untersuchung der Zugfestigkeit und der Bruchdehnung der genannten Legierungen nach dem Strangpressen zum Rundprofil mit einem Durchmesser von 30 mm, dem Ausgangsmaterial für das erfindungsgemäße Verfahren zum Strangpressen und dem erfindungsgemäß erhaltenen Drähten beim Durchmesser von 0,5 mm ist in der dargestellt. Wie erwartet, konnte eine Erhöhung der Zugfestigkeit bei Abnahme der Bruchdehnung festgestellt werden. Die obigen Versuche zeigen deutlich, dass mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Magnesiumdrähte, die z. B. als Nahtmaterial eingesetzt werden können, erhalten werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht dabei eine deutliche Prozessverkürzung, da das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Matrize eine starke Erhöhung des Pressverhältnisses erlaubt. Dadurch können sehr lange Drähte erhalten werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 676059 [0004]
- DE 360061 [0004]
- DE 10230553 [0006]
- WO 2009/083250 [0007]
- WO 2006/047559 [0007]
- EP 186340 [0008]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- DIN EN 10002-1:2001 (D) [0037]
