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TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der elektrochemischen Oberflächenbearbeitung, genauer gesagt das Anodisieren von Typ-III-anodisierbaren Oberflächen insbesondere aus Titan, Niob, Tantal, Edelstahl u.a. oder einer Legierung eines oder mehrerer dieser Stoffe. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung farbig wirkender Muster auf Typ-III-anodisierbaren Oberflächen aus den genannten Stoffen oder deren Legierungen. Die Erfindung betrifft auch einen Gegenstand mit einer Typ-III-anodisierbaren Oberfläche aus Titan, Niob, Tantal, Edelstahl u.a. oder einer Legierung eines oder mehrerer dieser Stoffe und mit einem erfindungsgemäß erzeugten farbig wirkenden Muster.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Auf dem Gebiet der Erfindung ist es seit langem bekannt, metallische Oberflächen elektrochemisch zu behandeln und dabei eine Oxidschicht aufzubauen bzw. eine vorhandene Oxidschicht so zu verändern, dass die entsprechende Oberfläche nach der Behandlung andere Eigenschaften aufweist und z.B. widerstandsfähiger gegen Umwelteinflüsse ist und/oder farbig wirkt.
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Unbehandelte metallische Oberflächen oxidieren typischerweise an der Luft. So oxidieren unbehandelte Oberflächen aus Titan oder Titanlegierungen sehr schnell und bilden eine sehr dünne, typischerweise nur 0,5 bis 10 nm dicke farblose Oxidschicht, die das Metall vor weiterem Angriff des Luftsauerstoffs schützt. Eine solche Oxidschicht ist aber typischerweise recht weich und bietet schon aufgrund ihrer sehr geringen Stärke keinen Schutz gegen mechanische Beanspruchung.
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Schon vor vielen Jahren wurde entdeckt, dass der dünne natürliche Oxidfilm bestimmter Metalle in einem elektrolytischen Bad durch einen Oxidfilm mit verbesserten Eigenschaften hinsichtlich Farb- und Schutzwirkung ersetzt werden kann.
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Beim Anodisieren von Titan und Titanlegierungen werden verschiedene Typen von Anodisierungsverfahren unterschieden, die als Typ I, Typ II, Typ III und Typ IV bekannt sind. In der Praxis besonders gebräuchlich sind das Typ-II-Anodisieren und das Typ-III-Anodisieren. Während beim Typ-II-Anodisieren die biologischen und biomechanischen Eigenschaften der Oberfläche aus Titan oder einer Titanlegierung eine grundsätzliche Modifikation erfahren, ändert sich beim Typ-III-Anodisieren lediglich die Farbwirkung.
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Eine Typ-II-Anodisierung führt zu einer Oxidschicht, nachfolgend kurz als Typ-II-Oxidschicht bezeichnet, mit einer Dicke, die typischerweise im Bereich von 1 bis 2 µm liegt, die die so behandelte Oberfläche aus Titan oder einer Titanlegierung deutlich messbar härtet und die das Material ermüdungsfester macht. Bei traumatologischen Implantaten wie Knochenschrauben, Knochennägeln u.dgl., die nach einer bestimmten Zeit wieder aus dem menschlichen oder tierischen Körper entfernt werden sollen, begünstigt das Typ-II-Anodisieren die Entfernbarkeit des Implantats aus dem jeweiligen Gewebe. Bei anderen Gegenständen, z.B. Werkzeugen, führt das Typ-II-Anodisieren zu einer erhöhten Haltbarkeit. Beim Typ-II-Anodisieren wird ein basischer Elektrolyt verwendet.
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Demgegenüber werden beim Typ-III-Anodisieren ein saurer Elektrolyt verwendet und eine Oxidschicht, nachfolgend kurz als Typ-III-Oxidschicht bezeichnet, mit einer Dicke von typischerweise 10 bis 300 nm erzeugt, die als optisches Interferenzfilter wirkt, wobei die Dicke der Oxidschicht den Farbeindruck der solchermaßen behandelten Oberfläche bestimmt. Fällt natürliches Licht mit einem kontinuierlichen Spektrum auf eine solche Oberfläche, lassen sich durch Einstellen der Schichtdicke alle Interferenzfarben erzeugen. Typ-III-Anodisierungen werden bei Werkstücken wie Schrauben und medizinischen Instrumenten typischerweise zur Farbmarkierung zwecks einfacher Unterscheidbarkeit der entsprechenden Gegenstände eingesetzt. Im Schmuckbereich und auch bei Brillen und dergleichen wird Typ-III-Anodisieren zur Erzeugung ästhetischer Effekte genutzt.
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Die
DE 10 2008 008 517 B4 beschreibt die Anwendung des Typ-II- und des Typ-III-Anodisierens zur Erzeugung von silberhaltigen Oberflächen auf Titanwerkstücken.
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Die
EP 3 017 095 B1 beschreibt ein Verfahren des Einprägens eines sog. Höhenprofils in eine Metallplatte wie insbesondere eine Münze oder Medaille, so dass bestimmte Bereiche der Metallplatte gegenüber anderen Bereichen der Metallplatte vorstehen, des Anodisierens der geprägten Metallplatte zur Bildung einer Oxidschicht, des Abtragens der Oxidschicht auf den vorstehenden Bereichen und des erneuten Anodisierens der Metallplatte.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Auf unterschiedlichsten technischen Gebieten besteht der Wunsch, metallische Gegenstände, die in der Regel komplett aus Titan oder einer Titanlegierung, Niob oder einer Nioblegierung, Tantal oder einer Tantallegierung, Edelstahl oder einer Edelstahllegierung bestehen, zumindest aber wenigstens eine Oberfläche aus einem der genannten Stoffe besitzen, mit einem Muster zu versehen, wobei der Begriff Muster hier im weitesten Sinne zu verstehen ist und alle Arten von Markierungen und Verzierungen, Schriftzeichen, Logos, Formen, Farben, Codes etc. umfasst. Das Muster kann dabei rein ästhetischer Natur sein und lediglich als Verzierung z.B. auf einem Schmuckgegenstand dienen. Es kann aber auch zur Identifizierung dienen und insbesondere maschinenlesbar sein, wie z.B. ein Bar- oder Datamatrixcode. Beispielsweise ist es gewünscht, auf medizinischen Instrumenten einen Herstellercode anzubringen und Präzisionsschrauben mittels einer farbigen Markierung leicht auch dann voneinander unterscheidbar zu machen, wenn die Schrauben nicht unmittelbar miteinander verglichen werden können.
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Zum Einbringen von Mustern in medizinische Instrumente, Implantate, Schmuckstücke und viele andere Gegenstände zwecks Markierung selbiger wurden bereits verschiedenste Vorschläge gemacht, die aber unterschiedliche Nachteile mit sich bringen. So wird beim Typ-III-Anodisieren die behandelte Oberfläche komplett gefärbt, ohne dass bestimmte Muster wie Schriftzüge o.dgl. erzeugt werden könnten. Es ist ferner bekannt und üblich, Gegenstände, die Typ-II-anodisiert wurden, laserzubeschriften. Dabei bewirkt die Laserbeschriftung eine Schwärzung der nach einer Typ-II-Anodisierung grau erscheinenden Oberfläche. Farbig wirkende Muster können damit nicht erzeugt werden.
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Neben dem Anodisieren sind weitere Oberflächenbehandlungsverfahren bekannt, um auf metallische Oberflächen eine schützende, meist als Hartstoffschicht bezeichnete Schicht aufzubringen, z.B. physikalische oder chemische Gasphasenabscheidung oder Kunststoffbeschichten. Auch solchermaßen beschichtete Gegenstände lassen sich laserbeschriften, jedoch bewirkt die Laserbeschriftung wiederum lediglich eine Schwärzung der entsprechenden Oberfläche.
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Das aus der
EP 3 017 095 B1 bekannte Einprägen eines Höhenprofils scheidet gerade medizinischen Instrumenten völlig aus, denn diese sollen zur besseren Sterilisierbarkeit eine möglichst glatte Oberfläche besitzen. Selbst wenn bei bestimmten Anwendungen das Einprägen eines Höhenprofils möglich wäre, erlaubt das aus der genannten Schrift bekannte Verfahren lediglich das Bearbeiten der vorstehenden Bereiche. Es ist aber häufig gewünscht, an beliebigen Oberflächenbereichen ein Muster mit unter Umständen sehr feinen Strukturen wie bei bestimmten Logos oder Data-Matrix-Codes einbringen zu können.
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Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mittels welchem sich auf metallischen Oberflächen, die Typ-IIIanodisierbar sind, beliebig geformte farbig wirkende Muster, z.B. Firmenlogos, Schriftzüge, Schriftzeichen, Zahlen, Datamatrixcodes etc. erzeugen lassen.
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Die Aufgabe wird gelöst von einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Der nebengeordnete Anspruch 12 betrifft einen mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens behandelten Gegenstand. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen.
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Die Erfindung hat den großen Vorteil, durch Kombination eines ersten Beschichtungsverfahrens, wie z.B. des Typ-II-Anodisierens, mit einem zweiten Beschichtungsverfahren, nämlich dem Typ-III-Anodisieren, die bislang typischerweise alternativ zueinander angewandten wurden, d.h. eine Oberfläche wurde bislang entweder z.B. Typ-II anodisiert oder Typ-III anodisiert, in Kombination mit einer kontrollieren Abtragung von Teilen der mittels des ersten Beschichtungsverfahrens erzeugten Schicht erstmals die Möglichkeit zu geben, Markierungen beliebiger Form und beliebiger Farbwirkung auf Typ-III-anodisierbaren metallischen Oberflächen durch Typ-III-Anodisieren zu erzeugen. Dabei beruht die Erfindung auf der überraschenden Erkenntnis, dass die beiden Beschichtungsverfahren auf ein und demselben Werkstück angewandt werden können, während bislang in der Fachwelt gerade für die hier besonders relevanten medizinischen Implantate und Instrumente stets immer nur das eine oder das andere Verfahren angewandt wurde. Wie nachfolgend noch beschrieben wird, ist es sogar möglich, dass es sich bei beiden Beschichtungsverfahren um ein Typ-III-Anodisieren handelt.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung bevorzugter Durchführungsformen.
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BESCHREIBUNG BEVORZUGTER DURCHFÜHRUNGSFORMEN
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Verfahren zum Erzeugen einer farbigen oder einer schützenden Schicht auf einer Typ-III-anodisierbaren Oberfläche, wie insbesondere das Typ-II- und das Typ-III-Anodisieren, die physikalische und die chemische Dampfphasenabscheidung (meist kurz als PVD- bzw. CVD-Beschichten bezeichnet von „physical vapor deposition“ bzw. „chemical vapor deposition“) einschließlich des plasmagestützten CVD-Beschichtens (oft PACVD-Beschichten, manchmal auch PECVD-Beschichten genannt von „plasma assisted chemical vapor deposition“ bzw. „plasma enhanced chemical vapor deposition“) und das Kunststoffbeschichten, sind als solche dem Fachmann hinlänglich bekannt, so dass auf eine detaillierte Beschreibung hier verzichtet werden kann.
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In seiner einfachsten Durchführungsform wird eine Typ-III-anodisierbare Oberfläche, also z.B. eine Oberfläche aus Titan oder einer Titanlegierung, die später das Muster tragen soll, zunächst mit einer schützenden Schicht überzogen, also z.B. Typ-II anodisiert. Es sind aber auch Anwendungsfälle denkbar, in denen aufgrund der Tatsache, dass die Oberfläche keiner besonderen mechanischen Beanspruchung unterliegt, direkt eine farbige Schicht mittels Typ-III-Anodisierung auf die Oberfläche aufgebracht wird.
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Typischerweise handelt es sich bei einer erfindungsgemäß zu beschichtenden Oberfläche um die Oberfläche eines komplett aus einem Metall oder einer Metalllegierung bestehenden Gegenstandes wie eines medizinischen Instrumentes, eines Implantats, einer Schraube, eines Nagels, eines Werkzeugs, eines Schmuckstücks, einer Brille, einer Rahmenstruktur oder eines Bauteils für einen der vorgenannten Gegenstände. Beispiele für solche Rahmenstrukturen sind z.B. Golfwagen.
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Typischerweise wird zur Typ-II-Anodisierung nicht nur eine Oberfläche bzw. ein Oberflächenabschnitt, sondern der gesamte Gegenstand in ein entsprechendes Elektrolytbad getaucht und der gesamte Gegenstand wird mit einer Typ-II-Oxidschicht überzogen. Er ist dadurch gehärtet und resistent gegen eine Vielzahl mechanischer und chemischer Beanspruchungen.
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Wenn der Schritt des Erzeugens einer ersten, in der Regel schützenden Schicht abgeschlossen ist, erfolgt ein partielles Abtragen der ersten Schicht zur Ausbildung des gewünschten Musters, wobei anders als z.B. beim Laserbeschriften die erste Schicht an den gewünschten Stellen komplett abgetragen wird, so dass die darunter befindliche Typ-III-anodisierbare Oberfläche freigelegt wird. Dabei sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass das Erzeugen der ersten Schicht, also z.B. das Typ-II-Anodisieren, nicht unmittelbar vor dem Einbringen des Musters erfolgen muss. Vielmehr können auch Gegenstände bearbeitet werden, die schon vor längerer Zeit entsprechend behandelt wurden. Insofern ist der Schritt des Ausbildens der ersten Schicht kein dem Einbringen des Musters zwingend unmittelbar vorausgehender Schritt. Dem Fachmann ist auch klar, dass unter dem Begriff Muster hier alle Arten von geometrischen Formen wie Kreise, Dreiecke, Vierecke, Ringe, aber auch Schriftzeichen, Firmenlogos, Bar- und Datamatrixcodes etc. verstanden werden können, wobei, wie nachfolgend noch dargelegt wird, auch mehrere Muster hintereinander eingebracht werden können, die sich z.B. zu einem farbig wirkenden Gesamtmuster, z.B. einem Firmenlogo, ergänzen können.
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Wenn die erste Schicht an den gewünschten Stellen abgetragen und die Typ-III-anodisierbare Oberfläche freigelegt ist, erfolgt in an sich bekannter Weise ein Typ-III-Anodisieren, wodurch auf der freigelegten Oberfläche eine farbig wirkende Typ-III-Oxidschicht mit einer Dicke von typischerweise 10 bis 300 nm erzeugt wird, die bei Bestrahlung mit sichtbarem Licht als Interferenzfilter wirkt und so den entsprechenden farbigen Effekt erzeugt.
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Das Abtragen der ersten Schicht und das Freilegen der darunter befindlichen Typ-III-anodisierbaren Oberfläche erfolgt vorzugsweise mittels Lasern, Bohren oder Fräsen oder Strahlen, z.B. Sandstrahlen oder Strahlen mit anderen geeigneten abrasiven Stoffen.
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Überraschend hat sich gezeigt, dass die Schritte des Einbringens eines Musters in die erste oder die zweite Schicht durch partielles Abtragen der entsprechenden Schicht und Freilegen der darunter befindlichen Typ-III-anodisierbaren Oberfläche und des Ausbildens einer farbig wirkenden Typ-III- Oxidschicht auf der freigelegten Oberfläche mittels Typ-III-Anodisieren mehrfach wiederholt werden können, um so unterschiedlich gefärbte Muster zu erzeugen. Da die Filterwirkung der Typ-III-Oxidschicht von ihrer Dicke abhängt, und die Dicke der Typ-III-Oxidschicht von der angelegten Spannung abhängt, kann zur Erzeugung ein zweier oder mehrerer unterschiedlich gefärbter Muster, die sich z.B. zu einem Logo oder zu einer bestimmten Farbkennzeichnung wie sie z.B. von der Kennzeichnung von Widerständen mittels farbiger Ringe bekannt ist, ergänzen, so vorgegangen werden, das, beginnend bei dem Muster, dessen Farbe die höchste Spannung der jeweils gewünschten Farben erfordert, nacheinander durch Freilegen der entsprechenden Oberflächenabschnitte und anschließendes Typ-III-Anodisieren Muster erzeugt werden, deren Farbe jeweils eine niedrigere Spannung als die Farbe des zuvor erzeugten Musters erfordert. Wie sich gezeigt hat, lässt ein erneutes Typ-III-Anodisieren mit niedrigerer Spannung zuvor bereits mit höherer Spannung erzeugte Oxidschichten unverändert.
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Bei einer besonders vorteilhaften Durchführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, zur Implantation bestimmte Schrauben so zu bearbeiten, dass sie am Gewinde mit einer Hartstoffschicht, also insbesondere einer Typ-II-anodisierten Schicht, die das Eindringen der Schraube begünstigt, an der Kopfseite aber mit einer Typ-III-anodisierten Schicht versehen sind, die das Einwachsen begünstigt.
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Die Erfindung erlaubt es vorteilhaft, beliebige ein- oder mehrfarbig wirkende Muster zu erzeugen, also z.B. geometrische Formen, Firmenlogos, Schriftzeichen, Zahlen, Skalen, Bar- und Datamatrixcodes. Bei den solchermaßen gekennzeichneten Gegenständen handelt es sich typischerweise um Gegenstände, die komplett aus einem Metall wie Titan oder einer entsprechenden Legierung bestehen, zumindest aber wenigstens eine Oberfläche aus einem/einer Typ-III-anodisierbaren Metall/Metalllegierung besitzen, wie insbesondere medizinische Instrumente, Implantate, Werkzeuge, Schrauben, Schmuckstücke, Rahmenstrukturen wie z.B. Golfwagen, Brillen oder Bauteile der vorgenannten Gegenstände.
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So können dank der Erfindung z.B. Pinzetten und ähnliche Instrumente skalenartigen Markierungen versehen werden, die dem Benutzer z.B. die Eindringtiefe anzeigen. Bei bestimmten Instrumenten und Implantaten ist es hilfreich, erfindungsgemäß Richtungs- und/oder Positionsmarkierungen einzubringen, die z.B. das Ausrichten verschiedener Teile relativ zueinander erlauben.
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Bei Implantaten können die Schraubenköpfe und Schraubenlöcher gemeinsame Farben erhalten, so dass ein Operateur leicht erkennen kann, welche Schraube wohin gehört, also z.B. eine erfindungsgemäß blau gekennzeichnete Schraube in eine erfindungsgemäß blau gefärbte Bohrung und eine z.B. erfindungsgemäß gelb gekennzeichnete Schraube in eine erfindungsgemäß gelb gefärbte Bohrung. Auch ist es oft hilfreich, Implantate erfindungsgemäß mit einer Farbmarkierung zu versehen, die die Implantate z.B. nach ihrer Einbaulage (links / rechts) kennzeichnet. Selbiges gilt natürlich nicht nur für Implantate, sondern auch für andere Bauteile, z.B. Schrauben, die sich an Apparaten, Deckeln, Abdeckungen, Rohrleitungen etc. befinden und die erfindungsgemäß farbig markiert werden können, um z.B. sensitive Verschraubungen zu kennzeichnen, so dass diese bei Reparatur- oder Wartungsarbeiten leicht identifiziert werden können und Arbeiter entsprechende Vorsicht walten lassen können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008008517 B4 [0008]
- EP 3017095 B1 [0009, 0013]