DE102012019426A1

DE102012019426A1 - Substratbeschichtung und Verfahren zur Herstellung der Beschichtung

Info

Publication number: DE102012019426A1
Application number: DE201210019426
Authority: DE
Inventors: Axel Baumann; Dave Radant; Christian Körtge
Original assignee: DOT GmbH
Current assignee: DOT GmbH
Priority date: 2012-10-02
Filing date: 2012-10-02
Publication date: 2014-04-03

Abstract

Die Erfindung betrifft ein beschichtetes Substrat (10), wobei das Substrat (10) eine Oxidschicht aufweist, die durch Anodisieren einer PVD-Schicht aus Titannitrid oder dem Nitrid einer Titanlegierung erzeugt wurde, wobei die Oxidschicht auftreffendes weißes Licht im Wesentlichen weiß reflektiert. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Herstellen einer weißen Oxidschicht unter Verwendung der folgenden Schritte: Es wird ein Substrat (10) bereitgestellt. Das Substrat (10) wird mittels eines PVD-Verfahrens mit Titannitrid oder dem Nitrid einer Titanlegierung beschichtet. Dann wird die PVD-Beschichtung anodisiert, so dass eine Oxidschicht gebildet wird, die weißes Licht im Wesentlichen weiß reflektiert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Substratbeschichtung sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung auf einem Substrat. Die Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zur Herstellung einer biokompatiblen, haftfesten und weißfarbigen Beschichtung auf Implantaten, insbesondere auf Dentalimplantaten und prothetischen Aufbauten, die Titan enthalten oder aus Titan bestehen. Die Erfindung betrifft auch ein Implantat, das mit einer biokompatiblen und haftfesten Beschichtung versehen ist.
Implantate aus Titan oder einer Titanlegierung sind bekannt. Bei Dentalimplantaten ist wie auch bei natürlichen Zähnen zu beobachten, dass die Gingiva mit der Zeit gegenüber einer früheren Lage zurückweicht. Bei natürlichen Zähnen ist dies recht unauffällig, da dadurch nur der Zahnhals freiliegt, der sich optisch wenig von der sonst sichtbaren natürlichen Krone unterscheidet. Bei Implantaten aus Titan oder Titanlegierungen kann dann jedoch das graue Substratmaterial sichtbar werden, was kosmetisch nicht ansprechend ist.
Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, ein Implantat zu schaffen, mit dem optische Beeinträchtigungen, wie sie beim Zurückweichen der Gingiva auftreten können, vermieden werden.
Zur Lösung dieser Aufgaben ist erfindungsgemäß ein beschichtetes Substrat vorgesehen, wobei das Substrat eine Oxidschicht aufweist, die durch Anodisieren einer PVD-Schicht aus Titannitrid oder dem Nitrid einer Titanlegierung erzeugt wurde, wobei die Oxidschicht auftreffendes weißes Licht im Wesentlichen weiß reflektiert. Weiterhin ist erfindungsgemäß ein Verfahren zum Herstellen einer weißen Oxidschicht unter Verwendung der folgenden Schritte vorgesehen: Zunächst wird ein Substrat bereitgestellt. Das Substrat wird mittels eines PVD-Verfahrens mit Titannitrid oder dem Nitrid einer Titanlegierung beschichtet. Dann wird die PVD-Beschichtung anodisiert, so dass eine Oxidschicht gebildet wird, die weißes Licht im Wesentlichen weiß reflektiert. „Weiß” bedeutet dabei, dass die Oxidschicht bei Tageslicht von einem Betrachter als Weiß (in deutlicher Abgrenzung zum Grau von Titan und Titanlegierungen) wahrgenommen wird. Es handelt sich hierbei nicht um Reinweiß, sondern um ein Kaltweiß, das dem Zahnweiß von natürlichen Zähnen sehr ähnlich ist.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass mit einer solchen Oxidschicht nicht nur Farben (beispielsweise gelb, rot oder blau) erzeugt werden können, wie dies beispielsweise zur Kennzeichnung von unterschiedlichen Implantaten bekannt ist, sondern dass die Oxidschicht auch zur additiven Farbmischung genutzt werden kann, wodurch eine weiße Oberfläche möglich ist. Der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Substrats und des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass die Härte und Verschleißfestigkeit einer PVD-Schicht aus Titannitrid bzw. dem Nitrid einer Titanlegierung mit den ästhetischen Vorteilen eines weißen Aussehens kombiniert werden, wie es bisher nur von Objekten aus Zirkoniumdioxid bekannt war. Dadurch ergeben sich neue Anwendungsbereiche. Im Falle der Anwendung bei einem Implantat hat die Oxidschicht eine hohe mechanische Stabilität, insbesondere eine große Härte, so dass sie für Implantate geeignet ist. Im Falle der Verwendung beim intraoralen 3D-Scannen als Bestandteil moderner Implantationstechnik hat die Beschichtung den Vorteil, dass mit ihr beschichtete metallische Dentalkomponenten von herkömmlichen 3D-Scannern digital erfasst werden können.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die PVD-Schicht zusätzlich Niob enthält. Hierzu kann beim Aufbringen der Beschichtung ein Titan-Niob-Mischtarget verwendet werden. Während des PVD-Beschichtungsprozesses wird das aus dem Target herausgelöste Material in eine Gasphase bzw. in den Plasmazustand überführt und anschließend auf dem Substrat abgeschieden, wobei es sich mit dem Prozessgas Stickstoff zu einer keramischen Metall-Nitrid-Schicht verbindet.
Das Verhältnis von Titan zu Niob im Mischtarget liegt vorzugsweise im Bereich von 50:50 bis 95:5 Gew.-%, insbesondere in der Größenordnung von 70:30 Gew.-%. Entsprechend dem Anteil von Niob im Mischtarget liegt das Verhältnis von Titan zu Niob in der metallischen Komponente der PVD-Schicht im Bereich von 95:5 bis 50:50 Gew.-%, insbesondere in der Größenordnung von 70:30 Gew.-%. Durch den Anteil von Niob in der Beschichtung ergeben sich eine besonders große Härte und Verschleißfestigkeit der PVD-Beschichtung. Darüber hinaus besitzt diese PVD-Beschichtung allergieschützende Eigenschaften.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht das Substrat aus Titan oder einer Titanlegierung. Dies ist besonders bevorzugt, wenn die Beschichtung für ein Implantat verwendet wird. Titan bzw. eine Titanlegierung ist besonders geeignet für die Herstellung von Implantaten, da es sich durch gute Osseointegration und fehlende Abstoßungsreaktionen des Körpers auszeichnet. Besonders bevorzugt wird ein Substrat aus TiAl₆V₄.
Das erfindungsgemäße Substrat und das erfindungsgemäße Verfahren sind besonders vorteilhaft, wenn mit dem Substrat ein Implantat oder ein Dentalkörper hergestellt wird, also ein Körper, der dafür vorgesehen ist, über eine längere Zeit im Mundraum eines Menschen verwendet zu werden. Bei einem solchen Körper ist die weiße Farbe der Oxidschicht besonders vorteilhaft, da sie verhindert, dass weder der grau-metallische Dentalkörper noch die unter der Oxidschicht befindliche Beschichtung aus Titannitrid oder dem Nitrid einer Titanlegierung optisch auffallen.
Vorzugsweise hat die PVD-Schicht eine Dicke zwischen 0,5 und 10 μm, insbesondere zwischen 2 und 6 μm. Diese Dicke hat sich als vorteilhaft hinsichtlich der Härte und der Erzielbarkeit der weißen Farbe herausgestellt.
Erfindungsgemäß hat sich herausgestellt, dass nicht die gesamte PVD-Schicht in eine Oxidschicht umgewandelt werden muss, sondern dass es reicht, wenn nur ein Teil der PVD-Schicht anodisiert wird. Insbesondere hat die Oxidschicht vorzugsweise eine Dicke in der Größenordnung von maximal 80% der Dicke der PVD-Schicht. Die verbleibende, nicht anodisch oxidierte PVD-Schicht gewährleistet eine gute Verbindung zwischen der Oxidschicht und dem Substrat.
Die gewünschte weiße Farbe des Oxidschicht wird insbesondere dadurch erhalten, dass beim Anodisieren eine Spannung zwischen 100 V und 200 V angelegt wird, insbesondere in der Größenordnung von 150 V. Hierdurch ergeben sich die besten Resultate.
Beim Anodisieren der PVD-Beschichtung wird vorzugsweise verdünnte H₃PO₄ 85%-ig verwendet. Die Verdünnung der Säure mit entionisiertem Wasser erfolgt in der Größenordnung von 1:100 bis 1:300. Diese Säure ist bereits von anderen Anodisierverfahren bekannt, so dass ihre Eigenschaften und Handhabung bekannt sind.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben. In diesen zeigen:
1 schematisch einen ersten Verfahrensschritt;
2 schematisch einen zweiten Verfahrensschritt;
3 schematisch einen dritten Verfahrensschritt; und
4 schematisch eine erfindungsgemäße Beschichtung auf einem Substrat.
In 1 ist schematisch ein Substrat 10 gezeigt, das mit einer Beschichtung versehen werden soll, die eine weiße Oberfläche hat. Bei dem Substrat 10 kann es sich um ein Implantat handeln, das in den Körper eines Patienten implantiert werden soll. Als Material für das Substrat 10 ist insbesondere Titan oder eine Titanlegierung geeignet, insbesondere TiAl₆V₄.
Das bereitgestellte Substrat 10 wird mittels eines PVD-Verfahrens mit Titannitrid oder dem Nitrid einer Titanlegierung beschichtet. Dies ist schematisch in 2 gezeigt; die aufgebrachte Beschichtung ist mit dem Bezugszeichen 12 versehen. Das auf das Substrat 10 aufgebrachte Material stammt von einem Target 11, welches hier als Mischtarget ausgeführt ist und neben Titan auch Niob enthält. Der Niob-Anteil im Mischtarget liegt vorzugsweise in der Größenordnung von 30 Gew.-%. Somit wird auf dem Substrat 10 eine keramische Schicht aus Titan, Niob und Stickstoff abgeschieden. Die Dicke der auf dem Substrat 10 abgeschiedenen Schicht liegt dabei insbesondere im Bereich von 2 bis 6 μm.
Für die PVD-Beschichtung kann jedes geeignete Verfahren verwendet werden, insbesondere Vakuumverdampfen, Bogenverdampfen, Sputtern, Magnetron-Sputtern oder Ionenplattieren. Eine auf diese Weise hergestellte PVD-Beschichtung zeichnet sich durch eine sehr große Härte und Beständigkeit aus, die zu einer signifikanten Erhöhung der Kratz- und Verschleißfestigkeit der Oberfläche führt. Damit ist eine lange Lebensdauer eines Gegenstands gewährleistet ist, der die Beschichtung verwendet, beispielsweise eines Implantats.
Die PVD-Schicht hat eine Dicke im Bereich von 2 μm bis 6 μm und insbesondere bis 4 μm. Es hat sich herausgestellt, dass eine so geringe Schichtdicke mit der nötigen Haftfestigkeit auf dem Substrat angebracht werden kann. Als Nebeneffekt bewirkt die TiNbN-Beschichtung auch eine Hemmung der Freisetzung von Aluminium- und Vanadium-Ionen aus der Titanlegierung.
In einem darauffolgenden Schritt wird das beschichtete Implantat in einer sauren Lösung 13 anodisiert (siehe 3). Hierbei wird insbesondere verdünnte H₃PO₄ 85%-ig verwendet, wobei eine Spannung in der Größenordnung von 150 V angelegt wird. In der sauren Lösung wird der natürliche Oxidfilm, der sich auf Titan bildet, durch eine dicke Oxidschicht ersetzt.
Es ist allgemein bekannt, dass die Dicke der durch Anodisieren gebildeten Oxidschicht so eingestellt werden kann, dass sie als Interferenzfilter für unterschiedliche Spektralfarben dient. Mit der Erfindung wurden die oben genannten Prozessparameter aufgefunden, mit denen die Titannioboxidschicht mit einer solchen Schichtdicke erzeugt wird, dass sie als Spektralfilter für die Farben Rot, Grün und Blau in gleichen Farbintensitäten wirkt. Durch additive Mischung dieser Farben entsteht weiß. Der Farbton der weißen Beschichtung kann als „kaltweiß” oder „zahnweiß” beschrieben werden und liegt optisch in der Nähe von RAL 9002 oder RAL 1013. Der Charakter der Oxidschicht und die Struktur der Oberfläche bleiben bei diesem Einfärbeverfahren erhalten.
Die gebildete Oxidschicht ist so mit dem Substrat 10 verbunden, dass sie ein integraler Bestandteil der Beschichtung ist. Dies ist auch darauf zurückzuführen, dass nicht die gesamte PVD-Schicht umgewandelt wird, sondern nur ein Teil. Dadurch ergibt sich eine gute Haftfähigkeit der Oxidschicht auf dem Grundmaterial.
Als abschließender (nicht dargestellter) Verfahrensschritt wird das Substrat mit fließendem entionisiertem Wasser gespült und in zwei Schritten getrocknet. Die Trocknung des Substrats erfolgt zunächst durch Abblasen mit Druckluft (6 bar), gefolgt von einem kurzen Trockenvorgang in einem Umlufttrockner (> 5 Minuten bei 80°C +/– 5°C).
Gemäß einer Ausführungsvariante kann auf das Niob beim PVD-Beschichten verzichtet werden. Somit verbinden sich die aus dem Target herausgelösten Titan-Atome auf der Substratoberfläche mit Stickstoffmolekülen zu TiN.
Das dergestalt beschichtete Substrat wird anschließend in derselben Weise wie oben beschrieben anodisiert, so dass der natürliche Oxidfilm, der sich auf Titannitrid oder dem Nitrid einer Titanlegierung bildet, durch eine dicke Oxidschicht ersetzt wird. Diese Oxidschicht wirkt als Interferenzfilter für die Erzielung einer Färbung. Aufgrund der verwendeten Prozessparameter ergibt sich eine weiße Färbung.
Anschließend wird das Substrat gespült und getrocknet.
In 4 ist schematisch die Beschichtung 14 gezeigt, die auf dem Substrat 10 gebildet ist. Es ist zu sehen, dass sich auf dem Substrat zunächst ein Rest der PVD-Beschichtung 12 befindet. Hieran schließt sich die Oxidschicht 14 an.
Falls das Substrat 10 für ein Zahnimplantat verwendet wird, das in den Kiefer eingeschraubt wird und dort fest einwächst, besteht ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Beschichtung besteht darin, dass sie optisch auch dann nicht auffällt, wenn die Gingiva gegenüber dem Zustand bei der Implantation zurückgewichen ist. Da das Implantat weiß beschichtet ist, ähnelt es einem Zahnhals. Das titangraue Grundmaterial des Substrats ist von außen nicht zu erkennen.

Claims

Beschichtetes Substrat (10), wobei das Substrat (10) eine Oxidschicht aufweist, die durch Anodisieren einer PVD-Schicht aus Titannitrid oder dem Nitrid einer Titanlegierung erzeugt wurde, wobei die Oxidschicht auftreffendes weißes Licht im Wesentlichen weiß reflektiert.
Substrat (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die PVD-Schicht zusätzlich Niob enthält.
Substrat (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Titan zu Niob in der metallischen Komponente der PVD-Schicht im Bereich von 95:5 bis 50:50 Gew.-% beträgt, insbesondere in der Größenordnung von 70:30 Gew.-% liegt.
Substrat (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es aus Titan oder einer Titanlegierung besteht.
Substrat (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass es aus TiAl₆V₄ besteht.
Substrat (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die PVD-Schicht eine Dicke zwischen 0,5 und 10 μm hat, insbesondere zwischen 2 und 6 μm.
Substrat (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidschicht eine Dicke hat, die geringer ist als die Dicke der PVD-Schicht, insbesondere maximal 80% der Dicke der PVD-Schicht.
Substrat (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um ein Implantat handelt.
Substrat (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um ein orthopädisches Implantat handelt.
Substrat (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um einen Dentalkörper handelt.
Substrat (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Farbe der Oxidschicht etwa RAL 9002 oder RAL 1013 entspricht.
Verfahren zum Herstellen einer weißen Oxidschicht unter Verwendung der folgenden Schritte: – es wird ein Substrat (10) bereitgestellt; – das Substrat (10) wird mittels eines PVD-Verfahrens mit Titannitrid oder dem Nitrid einer Titanlegierung beschichtet; – die PVD-Beschichtung wird anodisiert, so dass eine Oxidschicht gebildet wird, die weißes Licht im Wesentlichen weiß reflektiert.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass beim PVD-Beschichten auch Niob auf das Substrat (10) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zum PVD-Beschichten ein Titan-Niob-Mischtarget verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Titan zu Niob im Mischtarget im Bereich von 50:50 bis 95:5 Gew.-% beträgt, insbesondere in der Größenordnung von 70:30 Gew.-% liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass beim Anodisieren eine Spannung zwischen 100 V und 200 V angelegt wird, insbesondere in der Größenordnung von 150 V.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die PVD-Beschichtung in verdünnter H₃PO₄ 85%-ig anodisiert wird.