DE4445305C1 - Verfahren zur Herstellung von Bauteilen aus faserverstärkten Thermoplasten sowie nach dem Verfahren hergestellter Bauteil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie einen Bauteil nach dem Oberbegriff von Anspruch 13.

Ein solches Verfahren und ein solcher Bauteil sind aus der DE 689 19 466 T2 (die der vorveröffentlichten EP 0 373 294 B1 entspricht) bekannt, auf die weiter unten näher eingegangen wird.

Im folgenden werden Fasern bis 1 mm Länge als Kurzfasern, Fasern von 1 bis 12 mm Länge als Langfasern und Fasern, die mindestens Bauteillänge besitzen, als Endlosfasern bezeichnet.

Bauteile aus faserverstärkten Thermoplasten werden meist als Verbindungselemente eingesetzt. Durch diese Bauteile sollen z. B. Metallschrauben ersetzt werden. Gerade bei einem Einsatz in der Medizintechnik, also beispielsweise bei Knochenschrauben, sind Schrauben aus faserverstärkten Thermoplasten wesentlich besser geeignet als Metallschrauben, da sie zum Knochen strukturkompatibel sind, keine Probleme mit der Korrosionsfestigkeit auftreten, das Gewicht gegenüber Metallschrauben verringert werden kann und die üblichen medizinischen Untersuchungsmethoden im Gegensatz zum Einsatz von Metall nicht beeinträchtigt werden.

Es sind schon Schrauben oder Gewindestäbe aus faserverstärkten thermoplastischen Kunststoffen bekanntgeworden, wobei die Schraubenrohlinge entweder durch Coextrusion oder durch ein Mehrkomponenten- Spritzgießverfahren hergestellt werden. Bei dieser bekannten Ausführung (DE-A-40 16 427) werden als Ausgangsmaterial kreisrunde Vollstangen, die mittels Coextrusion hergestellt werden, eingesetzt. Für den Kernbereich wird in einem Extruder thermoplastisches Granulat mit 5-10 mm Langfasern aufbereitet, für den äußeren Bereich in einem zweiten Extruder thermoplastisches Granulat mit Kurzfasern aufbereitet. Somit ist ein Ausgangsmaterial gegeben, bei welchem eine koaxiale Anordnung mit inneren Langfasern und äußeren Kurzfasern vorhanden ist. Die Langfasern im inneren Kernbereich sind durch einen Extrusionsfließvorgang vorwiegend axial ausgerichtet, die Kurzfasern im äußeren Bereich übertragen Abscherkräfte in den Gewindegängen. Die Gewindegänge werden durch anschließendes Kaltumformen, z. B. mittels Gewinderollköpfen oder -maschinen hergestellt.

In der eingangs erwähnten DE 689 19 466 T2 ist ein Verfahren beschrieben, bei dem ein Rohling aus faserverstärkten Thermoplasten in eine Negativform gelegt wird, dort erwärmt wird und anschließend unter Druck der Gestalt der Negativform angepaßt wird. Es handelt sich hierbei um ein mit dem Gesenkschmieden oder Gewinderollen verwandtes Verfahren mit kleinen Umformgraden, da nur eine partielle Umformung des Rohlings stattfindet. Bei den Fasern im Rohling handelt es sich um Endlosfasern, die nur im äußeren Bereich des Rohlings entlang der Negativform in ihrer radialen Richtung verändert werden. Ein Umformen ist bei dem bekannten Verfahren nur in beschränktem Maße möglich. Komplizierte Geometrien wie z. B. Krümmungen sind nicht möglich. Eine Beeinflussung der axialen Faserausrichtung ist bei dem bekannten Verfahren nur am äußeren Rand und nur insofern gegeben, daß sich die Fasern radial an die Negativform anlegen. Es ist somit bei dem bekannten Verfahren nicht möglich, die Steifigkeit, Torsionsfestigkeit oder andere mechanische Eigenschaften des durch das Verfahren hergestellten Bauteils speziell an den Einsatzzweck des Bauteils anzupassen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 so zu verbessern, daß eine optimale Anpassung an den Einsatzzweck eines Bauteils ermöglicht wird, und weiter ein Bauteil nach dem Oberbegriff von Anspruch 13 so zu verbessern, daß mit ihm sich in besonderer Weise die Krafteinleitung und -verteilung und die Steifigkeit an die Beschaffenheit eines mit dem Bauteil zusammenwirkenden Körpers anpassen lassen.

Diese Aufgabe ist durch ein Verfahren mit den Schritten von Anspruch 1 und einen Bauteil mit den Merkmalen von Anspruch 13 gelöst.

Bei diesem Verfahren ist vorgesehen, daß vorerst ein aus Kurz-, Lang- und/oder Endlosfaser und einem Thermoplast gebildeter Rohling vorgefertigt und dann in einem Warmumformverfahren erfindungsgemäß zunächst in einer Erwärmungsstufe auf Umformtemperatur erwärmt und anschließend durch Fließpressen in eine Negativform eingepreßt wird, wo er in die endgültige Form des Bauteiles gebracht wird. Die Fasern, welche über den ganzen Querschnitt des Rohlings verteilt sind, werden durch das Fließpressen ganz gezielt steuerbar orientiert und verteilt. Die Faserorientierung und Faserverteilung und somit die mechanischen Eigenschaften eines nach diesem Verfahren hergestellten Bauteiles können somit speziell charakterisiert und zu den Prozeßparametern des Herstellverfahrens in bezug gebracht werden. Durch das Fließpressen kann zusätzlich die Faserorientierung gesteuert werden, so daß auch über der Länge eines entsprechenden Bauteiles unterschiedliche Festigkeitswerte erzielbar sind. Bei dem Fließpressen ist das sogenannte Durchdrückverfahren nach DIN 8583 einsetzbar.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung bilden die Gegenstände der Unteransprüche.

So wird weiter vorgeschlagen, daß der Rohling als Stangenmaterial vorgefertigt und vor dem Warmumformverfahren in für den endgültigen Bauteil erforderliche Längen zugeschnitten wird. Die für den endgültigen Bauteil notwendigen Materialstücke werden aus dem vorgefertigten Stangenmaterial abgetrennt und anschließend dem Warmumformverfahren zugeführt. Es ist also eine dem Fließpreßverfahren bei Metallteilen ähnliche Vorgangsweise vorgesehen.

Im Rahmen der Erfindung kann auch vorgesehen werden, daß der Rohling durch Gegentaktfließpressen in den endgültigen Bauteil umgeformt wird. Gegenüber dem Fließpressen oder dem Gegentaktfließpressen von Metallteilen ist dabei als wesentliches Unterscheidungsmerkmal vorgesehen, daß bei dem erfindungsgemäßen Fließpressen das Werkzeug auf eine Umformtemperatur von z. B. 350-450°C erwärmt und der so erwärmte Rohling in eine Negativform eingepreßt wird, wobei während einer Nachdruckphase eine Abkühlung unter die Glasübergangstemperatur des Thermoplast- Materials von z. B. 143°C erfolgt. Für die Verarbeitung der faserverstärkten Thermoplaste wird das bei Metallteilen bekannte Fließpreßverfahren dahingehend verändert, als der Rohling nicht bei Raumtemperatur, sondern oberhalb der Schmelztemperatur oder Erweichungstemperatur des Matrix-Werkstoffes umgeformt wird.

Weiter ist es vorteilhaft, daß bei dem Warmumformverfahren eine Beschichtung in Form von Kohlenstoff oder Graphit eingesetzt wird. Eine solche Beschichtung, die bei der Bearbeitung von Metallen auch als Trennmittel bezeichnet wird, wurde bei der Umformung von Thermoplasten bisher offensichtlich nicht eingesetzt. Hier ergibt sich der zusätzliche besondere Vorteil, daß z. B. Graphit im Gegensatz zu den sonst üblichen Beschichtungen oder Trennmitteln, welche für Kunststoffe eingesetzt werden, biokompatibel ist, so daß sich gerade Bauteile für den medizinischen Bereich dazu eignen. Weiter ist nach dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen, daß ein Rohling aus mit Kohlenstoffasern verstärktem PAEK (Poly-Aryl-Ether-Ketone) verarbeitet wird. Es hat sich gezeigt, daß durch die Verwendung gerade eines solchen Werkstoffes die Zugfestigkeit des derart gefertigten Bauteiles im Schnitt etwa 30% unter der Zugfestigkeit vergleichbarer Stahl-Bauteile liegt. Für den Einsatzbereich solcher Bauteile aus faserverstärkten Thermoplasten ist dies aber eine mehr als ausreichende Festigkeit, da ja immer auch betrachtet werden muß, mit welchen Materialien ein solcher Bauteil zusammenwirken soll. Gerade bei einem Einsatz in der Medizintechnik, also z. B. bei Knochenschrauben oder bei Platten- oder Schienenbauteilen ist eine entsprechend hohe Bruchkraft durchaus ausreichend, da solche Bauteile schon nahezu das Dreifache der verfügbaren Bruchkraft eines Knochens aufweisen.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ferner vorgesehen, daß bei zumindest einem Anteil an Endlosfasern diese im Rohling eine 0°-Orientierung aufweisen, also achsparallel zum Rohling verlaufen. Denkbar ist aber auch, daß bei zumindest einem Anteil an Endlosfasern diese im Rohling eine Ausrichtung von 0° bis zu 90° aufweisen. Vor allem bei der Herstellung von langgestreckten Bauteilen, z. B. in Form einer Schraube, ergeben sich dadurch besondere Anpassungsmöglichkeiten an die notwendigen Festigkeitsbereiche. Der Elastizitätsmodul von Schrauben, die aus Rohlingen mit einer achsparallelen Ausrichtung der Fasern hergestellt wurden, ist entsprechend höher, solche Schrauben sind also tendenziell steifer. Es hat sich gezeigt, daß durch den Einsatz eines Fließpreßverfahrens eine Veränderung des Faserverlaufes gegenüber dem Faserverlauf im Rohling möglich ist, so daß durch die spezielle Faserorientierung im Rohling zusätzliche Anpassungsparameter möglich werden.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren können Endlosfasern eingesetzt werden und Fasern, welche eine Länge von mehr als 3 mm aufweisen. Bei vielen bekannten faserverstärkten Thermoplasten zur Herstellung entsprechender Bauteile werden in der Regel Kurzfasern oder Langfasern eingesetzt. Der Einsatz von Endlosfasern mit dem hohen Faseranteil von mehr als 50 Vol.-% ergibt im Zusammenhang mit dem Fließpreßverfahren eine optimale Möglichkeit, die Festigkeitseigenschaften an jeder Stelle des zu fertigenden Bauteiles entsprechend zu steuern, so daß lokal gezielt eingestellte Steifigkeiten erreichbar sind.

Ein weiteres Verfahrensmerkmal liegt darin, daß die Fasern sowohl im Rohling als auch im fertigen Bauteil oberflächendeckend vom Matrix-Material umschlossen sind. Somit ist auch bei den dann endgültig durch das Warmumformverfahren hergestellten Bauteilen keine Nachbearbeitung mehr nötig, da die gesamte Oberfläche praktisch bereits versiegelt ist.

Durch das Fließpreßverfahren ergeben sich verschiedene Möglichkeiten, den Herstellungsprozeß zu steuern. Gemäß einer vorteilhaften Variante der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, daß die Preßtemperatur und die Preßgeschwindigkeit als Variablen zur Veränderung der Lage und Ausrichtung der Fasern, insbesondere der Endlosfasern, im fertigen Bauteil einstellbar veränderbar sind. Die höchsten Zugfestigkeiten wurden beispielsweise bei Bauteilen erzielt, die bei hohen Umformgeschwindigkeiten und hohen Rohlingtemperaturen hergestellt wurden. Bei Berücksichtigung der Torsionsfestigkeit hingegen werden dann Maximalwerte erzielt, wenn vergleichsweise tiefe Umformtemperaturen und eine niedrige Umformgeschwindigkeit eingesetzt werden. Es werden also gerade bei einem Verfahren zur Herstellung von Bauteilen aus faserverstärkten Thermoplasten durch das erfindungsgemäße Verfahren Möglichkeiten geschaffen, einen Bauteil für den speziellen Einsatzzweck anzupassen, wobei es auch durchaus möglich wäre, einen Arbeitsgang z. B. aus zwei oder mehr als zwei Stufen verschiedener Umformgeschwindigkeiten zusammenzusetzen.

Im Rahmen der Erfindung ist es auch möglich, daß die Bauteile bei der Warmumformung eine zusätzliche Oberflächenversiegelung erhalten. Diese kann durch den Einfluß der Wärme im Umformwerkzeug oder entsprechende zusätzliche Mittel, z. B. Beschichtungen oder Trennmittel, erzielt werden.

Ein durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellter Bauteil ist gekennzeichnet durch einen in Anpassung an die Gestalt und den Einsatz des Bauteiles vorherbestimmten Verlauf der Fasern, wobei bezogen auf die Längsrichtung, den Durchmesser, die Dicke, die Gestalt des Bauteiles oder bei Durchbrechungen, Vertiefungen, Einbuchtungen oder dergleichen im Bauteil Bereiche unterschiedlicher Faserorientierung bzw. unterschiedlichen Faserverlaufes vorgesehen sind, so daß Bereiche mit lokal vorherbestimmten Steifigkeiten und Festigkeiten erzielbar sind.

Ein solcher Bauteil ist in besonderer Weise an einen speziellen Einsatzzweck anpaßbar. Es kann also bei einem solchen Bauteil die Krafteinleitung und -verteilung besser an die Beschaffenheit des mit diesem Bauteil zusammenwirkenden Körpers angepaßt werden. Dies gilt in besonderer Weise für die Medizintechnik, beispielsweise bei Knochenschrauben, aber auch bei anderen Anwendungen im Maschinenbau, im Elektro- bzw. Elektronikeinsatz oder in der Bautechnik.

Deshalb ist es auch eine vorteilhafte Ausführung, daß dieser Bauteil als Verbindungselement mit einem Angriffsende für ein Werkzeug und einem Gewindeschaft ausgeführt ist, und daß die Steifigkeit des Verbindungselementes durch unterschiedliche Faserorientierung vom Angriffsende zum freien Ende hin variiert. Gerade bei für den Knochenbereich einsetzbaren Bauteilen ist eine Anpassung an die natürliche Struktur eines Knochens möglich, so daß ein leichtes, amagnetisches, röntgentransparentes und biokompatibles Verbindungselement geschaffen werden kann. Im Gegensatz zu meist üblichen Metallschrauben kann durch die Anpassung der Faserstruktur und des Faserverlaufes ein echt wirksamer Bauteil geschaffen werden.

Weiter wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß bei Einsatz von Endlosfasern diese vom Angriffsende her bis über die unmittelbar daran anschließenden Gewindegänge zumindest annähernd parallel zur Mittelachse des Bauteiles verlaufen, wogegen die Fasern im restlichen Gewindeabschnitt oberflächennah der Gewindekontur in Achsrichtung des Bauteiles folgen, im Kernbereich dieses Abschnittes jedoch eine zum freien Ende hin zunehmend zufällig verteilte Faserorientierung vorgesehen ist. Daher ist gerade im Bereich des Angriffes des als Schraube ausgebildeten Bauteiles und im daran anschließenden Gewindeabschnitt die größte Festigkeit vorhanden, wogegen die in den Knocheninnenbereich hineingreifenden Gewindeabschnitte eine geringere Zugfestigkeit aufweisen, da ja gerade in diesem Bereich auch keine Zugkräfte aufgenommen werden könnten.

Es ist bei einem solchen erfindungsgemäßen Bauteil deshalb auch von Vorteil, daß die Steifigkeit des Bauteiles durch unterschiedliche Faserorientierung vom Angriffsende her gesehen zum freien Ende hin stufenförmig oder kontinuierlich abnimmt. Daher kann gerade durch den Faserverlauf, der sich durch das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren und natürlich auch durch die Umformgeschwindigkeit ergibt, eine exakte Anpassung an den Einsatzbereich des Bauteiles erzielt werden.

Weiter wird vorgeschlagen, daß in dem Bauteil wenigstens ein Sackloch oder eine Durchgangsöffnung, z. B. zum Einsatz eines Drehwerkzeuges oder zum Durchführen von Befestigungsmitteln, vorgesehen ist. Durch eine solche Anordnung ist es möglich, entsprechende Torsionskräfte beim Eindrehen eines solchen schraubenförmigen Bauteiles und insbesondere bei einem eventuell notwendigen Herausdrehen aufzubringen. Bei Durchgangsöffnungen oder dergleichen ergibt sich auch bei flachen Bauteilen eine vorteilhafte Ausführung, da z. B. der die Öffnung umschließende Bereich mit besonderer Faserorientierung verstärkt werden kann. In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn das Sackloch oder die Durchgangsöffnung bei der Herstellung des Bauteiles eingeformt ist. Gerade bei einem Fließpreßverfahren ergeben sich hier besondere zusätzliche Möglichkeiten, um eben in einem Umformverfahren auch gleich entsprechende Sacklöcher oder Durchgangsöffnungen für Drehwerkzeuge vorzusehen.

Ein besonderer Einsatzbereich für einen erfindungsgemäßen Bauteil ergibt sich dann, wenn der Bauteil als für den medizinischen Einsatz strukturkompatible Corticalis- oder Spongiosa-Schraube ausgebildet ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden in der nachstehenden Beschreibung anhand der Zeichnung noch näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Abschnitt eines stabförmigen Rohlings, teilweise aufgeschnitten dargestellt, um eine achsparallele Orientierung von eingeschlossenen Endlosfasern aufzuzeigen,

Fig. 2 einen Bauteil in Form einer Schraube, wobei eine schematische Darstellung der Faserorientierungsverteilung in der Schraube eingezeichnet ist,

Fig. 3 ein Diagramm über den Verlauf der Steifigkeit bezogen auf die Länge des als Verbindungselement vorgesehenen Bauteiles,

Fig. 4 eine Prinzip-Skizze eines möglichen Fließpreßwerkzeuges mit Temperaturzonen zur Herstellung des Bauteiles,

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines Fließpreßwerkzeuges.

Bei der nachfolgenden Erläuterung des Verfahrens sowie des nach dem Verfahren hergestellten Bauteiles wird davon ausgegangen, daß der Bauteil ein Verbindungselement, insbesondere eine Schraube ist, die speziell in der Medizintechnik, also beispielsweise als Corticalis- oder Spongiosa-Schraube, eingesetzt wird. Natürlich sind auch andere Bauteile hier mitumfaßt, welche aus faserverstärkten Thermoplasten bestehen und durch das hier beschriebene Verfahren hergestellt werden. Die Anwendung solcher Bauteile ist dabei nicht nur auf die Medizintechnik beschränkt. Es ist durchaus denkbar, solche Bauteile auch in anderen Anwendungsbereichen, z. B. im Maschinenbau, in der Elektrotechnik, in der Raumfahrttechnik, im Hoch- oder Tiefbau usw., einzusetzen. Die Bauteile müssen auch nicht immer notgedrungen in Form von Verbindungselementen (Schrauben) hergestellt sein, sondern können auch als Bauteile mit ganz anderen konstruktiven Ausgestaltungen, wie z. B. Schienen oder Platten, eingesetzt werden. So wäre es beispielsweise denkbar, die in der Regel wohl nicht als selbstbohrende Schrauben ausgeführten Bauteile aus faserverstärkten Thermoplasten mit einem entsprechenden Bohrteil zu bestücken, der gegebenenfalls ebenfalls aus biokompatiblem Material gefertigt ist oder aber nach dem Bohrvorgang leicht entfernt werden kann. Unter Umständen ist eine solche Entfernung bei verschiedenen Anwendungsbereichen gar nicht notwendig. Das Beispiel wird auch anhand eines faserverstärkten Thermoplastes erläutert, welches mit Endlosfasern mit einem Volumenanteil von mehr als 50% gefertigt ist. Mit dem hier beschriebenen Verfahren sind aber genauso vorteilhaft faserverstärkte Thermoplaste verarbeitbar, welche nur Kurzfasern oder Langfasern oder aber Kombinationen von Anteilen an Kurz-, Lang- und/oder Endlosfasern enthalten. Das hier beschriebene Verfahren läßt sich auch bei einem Faseranteil im Rohling von unter 50 Vol.-% erfolgreich einsetzen.

Das in der Zeichnung dargestellte Verbindungselement in Form einer Schraube 1 besteht im wesentlichen aus einem Kopf 2, einem Angriff 3 für die Krafteinleitung von einem Drehwerkzeug her und einem mit Gewindegängen 4 versehenen Gewindeschaft 5.

Wie gerade aus der Fig. 2 der Zeichnung ersichtlich ist, geht es bei der Schraube 1 im besonderen um den Verlauf der Endlosfasern 6. Durch gezielt lokal gerichtete Fasern 6 innerhalb der Struktur verfügt die Schraube 1 über lokal gezielt eingestellte Steifigkeiten. Dadurch läßt sich gerade bei der Verwendung als Corticalis-Schraube die Steifigkeit an die natürliche Struktur eines Knochens anpassen. Durch die Wahl eines Verbundes von Thermoplasten mit Kohlenstoffasern läßt sich ein leichtes, röntgentransparentes und biokompatibles Verbindungselement schaffen. Der besondere Vorteil einer solchen Schraube 1 liegt darin, daß die Steifigkeiten und die Steifigkeitsgradienten besser an die natürliche Struktur des Knochens angepaßt sind als bei herkömmlichen Metallschrauben. Durch die Faserstruktur wird eine bessere Kraftverteilung gewährleistet, d. h., es sind nicht mehr nur die ersten drei der Gewindegänge 4 tragend. Des weiteren beeinträchtigt das Verbindungselement die üblichen medizinischen Untersuchungsmethoden nicht, da es amagnetisch und röntgentransparent ist. Dies ist ein besonderer Nachteil herkömmlicher Metallimplantate, darunter auch Verbindungselemente. Sie können die Untersuchungsbefunde von modernen diagnostischen Methoden, wie z. B. Computertomographie oder Kernspintomographie, wertlos machen.

Durch das Nachstellverhalten des Verbindungselementes ist eine Lockerung erst nach längerer Zeit zu erwarten. Bei Ausbildung des Verbindungselementes als Corticalis-Schraube läßt sich die Schraube 1 nach einem Überdrehen mit der verbleibenden Restfestigkeit wieder herausdrehen.

Wie schon ausgeführt, läßt sich das Verbindungselement im allgemeinen Maschinenbau in korrosiven Umgebungen und insbesondere dort einsetzen, wo hohe Festigkeiten, gezielte Festigkeiten bei geringerem Gewicht verlangt werden. Auch hier ist die Krafteinleitung über mehr als drei Gewindegänge ausschlaggebend.

Mit dem Kopf 2 der in Fig. 2 gezeigten Corticalis-Schraube 1 können verschiedene weitere Elemente fixiert werden, z. B. eine Osteosyntheseplatte. Der Angriff 3 kann beispielsweise als Innensechskant ausgeführt sein. Es ist aber durchaus auch denkbar, andere Angriffs- oder Eingriffsformen zu wählen, z. B. eine Vierkantöffnung, eine Innensternöffnung oder einen Kreuzschlitz.

Eine Abwandlung des Fließpreßverfahrens, wie es aus der Metallbearbeitung bekannt ist, wird angewendet, um die Corticalis-Schraube 1 (z. B. mit einem Kerndurchmesser von 3 mm) aus kohlenstoffaserverstärktem PAEK (Poly-Aryl-Ether-Ketone) herzustellen. Eine spezielle Variante sieht vor, kohlenstoffaserverstärkte PEEK (Poly-Ether-Ether-Ketone) einzusetzen. Die Faserorientierungsverteilung und die mechanischen Eigenschaften der Schraube werden charakterisiert und zu den Prozeßparametern des Herstellverfahrens in bezug gebracht.

Die Bruchlast der im Fließpreßverfahren hergestellten Schrauben 1 liegt im Bereich zwischen 3000 und 4000 N, das maximale Torsionsmoment zwischen 1 und 1,5 Nm, wobei der maximale Verdrehwinkel nach ISO-Norm 6475 bis zu 370° beträgt. Die Schrauben 1 besitzen einen vom Kopf 2 zur Spitze hin abnehmenden E-Modul und sind als homoelastisch zum Knochen zu bezeichnen.

Die Natur wendet in ihren Strukturen sehr häufig das Prinzip der Faserverstärkung an. Es ist deshalb aus Gründen der Strukturkompatibilität vorteilhaft, medizinische Implantate ebenfalls als Faserverbundteile zu gestalten. Insbesondere im Bereich der Osteosynthese-Technik sind Entwicklungen erforderlich, um konventionelle Stahl-Osteosyntheseplatten durch weniger rigide Implantate aus Faserverbundwerkstoffen zu ersetzen. Gerade im Zusammenhang mit Osteosyntheseplatten wirkt sich die hier beschriebene Ausbildung vorteilhaft aus. Ein solches Osteosynthese-System hat gegenüber einem konventionellen Stahl-Implantat zahlreiche Vorteile. Zum einen ist die Homoelastizität zum Knochen gegeben und deshalb eine angepaßte Lasteinleitung in den Knochen möglich, zum andern ist die Röntgentransparenz und Kernspintomographie möglich. Weiter ergibt sich durch die hier beschriebenen Maßnahmen eine kostengünstige Fertigung in einem Warmumformverfahren. Was zusätzlich zählt, ist die Tatsache, daß derart ausgebildete Bauteile unproblematisch sind bei Nickel-Allergien.

Bei den Forschungsarbeiten auf diesem Gebiet wurde festgestellt, daß erst durch den Einsatz von Knochenschrauben aus kohlenstoffaserverstärkten Thermoplasten und in diesem Zusammenhang durch das hier beschriebene Herstellverfahren eine optimale Variante geschaffen werden konnte. Basierend auf dem dabei entwickelten Fließpreßverfahren wurden Knochenschrauben aus kohlen­ stoffaserverstärktem PAEK hergestellt und charakterisiert.

Beim Fließpressen von Metallteilen wird das Werkstück in der Regel bei Raumtemperatur mittels ei­ nes Stempels in eine Form gepreßt. Es gehört damit zu den sogenannten Durchdrückverfahren nach DIN 8583. Für die Verarbeitung der faserverstärkten Thermoplaste wurde das Verfahren dahinge­ hend verändert, daß ein Rohling nicht bei Raumtemperatur, sondern oberhalb der Schmelztem­ peratur des Matrix-Werkstoffes umgeformt wird.

Als Rohling für die Schraubenherstellung dienen kohlenstoffaserverstärkte PAEK-Rundstäbe 7 (Fig. 1), welche ein Faservolumengehalt von mehr als 50%, vorteilhaft 60% haben, wobei bezüglich der Faserorientierung zwei unterschiedliche Rohling-Typen verwendet wurden, und zwar einerseits Rohlinge mit einer rein achsparallelen Faserorientierung und andererseits Rohlinge mit einer zwischen 0 und ±90° abweichenden Faserorientierung.

Der Rohling 7 wird in einem beheizten Fließpreßwerkzeug 8 auf die Umformtemperatur (z. B. 350- 450°C) erwärmt, wobei die Erwärmung auch in aufeinander folgenden Erwärmungsstufen 9-11 (Fig. 4) erfolgen kann. Der Rohling 7 wird also in die erste Erwärmungsstufe 9 eingebracht, dort ent­ sprechend vorgewärmt, in der Stufe 10 weiter erwärmt und dann im Umformbereich der Stufe 11 auf die endgültige Umformtemperatur gebracht. Wie Fig. 5 zeigt, die eine weitere Ausführungsform des Fließpreßwerkzeugs 8 darstellt, wird mittels eines Stempels 12 der in das Fließpreßwerkzeug 8 ein­ gesetzte Rohling 7 in eine Negativform 13 eingepreßt und erhält dort die endgültige Gestalt. Die Preßge­ schwindigkeit kann dabei im Bereich zischen 2 und 80 mm/s liegen. Der Preßdruck wurde bei ver­ schiedenen Versuchen mit 120 MPa bemessen. Während einer darauffolgenden Nachdruckphase (Preßdruck ist annähernd 90 MPa) wird das Fließpreßwerkzeug 8 mit Druckluft unter die Glasübergangstempe­ ratur von PAEK (143°C) gekühlt. Nach dem Öffnen des Fließpreßwerkzeuges 8 kann die fertige Corti­ calis-Schraube entnommen werden.

Bei einer nachfolgenden Analyse einer so hergestellten Schraube hat sich gezeigt, daß jeweils opti­ male Werte erzielt werden können. Dies ergibt sich aus dem hohen Faseranteil, dem Einsatz von Endlosfasern und dem ganz speziellen Warmumformverfahren zur Herstellung der Schraube. Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, richten sich die Fasern 6 im Bereich des Kopfes 2 der Schraube 1 überwiegend in Richtung der Schraubenachse aus. Im Bereich der Schraubenspitze folgen die Fasern 6 im Randbereich der Schraubenkontur (also dem Gewindeverlauf), während in der Kernzone eine zufällig verteilte Fa­ serorientierung vorherrscht.

Bezüglich der mechanischen Eigenschaften ist festzuhalten, daß der Mittelwert der Zugfestigkeit der Corticalis-Schrauben etwa 460 N/mm² beträgt. Die höchsten Zugfestigkeiten wurden mit Schrauben erzielt, die bei hohen Umformgeschwindigkeiten (ungefähr 80 mm/s) und hohen Rohlingtemperaturen (ca. 400°C) hergestellt wurden. Die Torsionsfestigkeit von Schrauben, die aus Rohlingen mit rein achsparalleler Faserorientierung hergestellt wurden, ist im Schnitt 18% höher als bei Schrauben aus 0° bis ±45°-faserorientierten Rohlingen. Die Maximalwerte wurden bei Schrauben gemessen, die bei ver­ gleichsweise tiefen Temperaturen (380°C) und tiefen Umformgeschwindigkeiten (2 mm/s) hergestellt wurden. Der Elastizitätsmodul in Schraubenlängsrichtung ist nicht konstant, sondern nimmt zur Spit­ ze hin stark ab. Die E-Moduli variieren zwischen 5 und 23 GPa, wobei Schrauben, die aus Rohlingen mit einer achsparallelen Faserorientierung hergestellt wurden, tendenziell steifer sind. Dies ist auch eindeutig dem schematischen Diagramm nach Fig. 3 zu entnehmen. Die von der Diagrammlinie dargestellte Steifigkeit nimmt in Richtung des Kopfes 2 der Schraube 1 zu, wobei gerade in einem bestimmten Bereich auf die Länge des mit den Gewindegängen 4 versehenen Gewindeschaftes 5 gesehen ein Knick in dieser Linie gegeben ist. Gerade in diesem Bereich, wie auch der Fig. 2 entnommen werden kann, endet die im Kernbereich vorgesehene achsparallele Faserorientierung.

Am Beispiel einer Corticalis-Schraube ist aufgezeigt worden, daß durch Fließpressen von faser­ verstärkten Thermoplasten in einem Warmumformverfahren auch Bauteile mit komplexen Geometrien hergestellt werden können. Die Faserorientierungsverteilung als die bestimmende Größe für die me­ chanischen Eigenschaften läßt sich durch geeignete Wahl der Faserorientierung im Rohling in gewis­ sen Grenzen steuern. Die übrigen untersuchten Prozeßparameter (Umformgeschwindigkeit und Um­ formtemperatur) haben einen geringeren Einfluß auf das Fließpreß-Resultat.

Die Zugfestigkeit von fließgepreßten PAEK-kohlenstoffaserverstärkten Schrauben liegt im Schnitt et­ wa 30% unter derjenigen vergleichbarer Stahlschrauben. Eine durchschnittliche Bruchkraft von 3200 N ist für Osteosynthese-Anwendungen ausreichend, da eine entsprechende Schraube schon bei einer Zugkraft von 800-1300 N aus dem Knochen herausgezogen wird.

Die ISO-Norm 6475 verlangt für Stahlschrauben mit vergleichbaren Dimensionen ein minimales Bruchdrehmoment von 4,4 Nm und einen Torsionswinkel mit mindestens 180°. Solche Vorgaben können mit Schrauben aus faserverstärkten Thermoplasten nicht erfüllt werden (maximal 1,3 Nm). Versuche haben allerdings gezeigt, daß ein Überdrehen und damit eine Zerstörung der Schraube beim Eindrehen in den Knochen ausgeschlossen ist, da das Gewinde im Knochen schon bei einem Drehmoment von ca. 0,8 Nm zerstört wurde. Der langsame Abfall der Restfestigkeit nach dem Pri­ märversagen würde auch noch nach einem Bruch ein Ausdrehen der beschädigken Schraube aus dem Knochen erlauben.

Mit einem Elastizitätsmodul zwischen 5 und 23 GPa ist die fließgepreßte Corticalis-Schraube in ihrem elastischen Verhalten dem Knochen ähnlich. Die Steifigkeit in Längsrichtung nimmt zur Spitze hin deutlich ab (abfallender Steifigkeitsgradient). Im eingeschraubten Zustand liegt damit der steife Teil der Schraube (Kopfbereich) cortikalisnah und somit an der steifsten Stelle des behandelten Kno­ chens. Mit einer solchen Steifigkeitsverteilung kann eine weitgehend an die Knochenstruktur ange­ paßte Krafteinleitung erreicht werden.

Mit dem hier beschriebenen Verfahren ist erstmals die Möglichkeit geschaffen worden, Bauteile aus faser­ verstärkten Thermoplasten, welche z. B. eine besondere Ausbildung eines Gewindes, eines Kopfes, einer Gestalt usw. haben, in einem Fließpreßverfahren herzustellen und über die Materialeigen­ schaften, insbesondere die exakte Ausrichtung von Fasern, eine zum Anwendungsbereich kompati­ ble Konstruktion zu erreichen.

In der vorstehenden Beschreibung wurde von einem Fließpreßverfahren ausgegangen, welches prak­ tisch nur in einer Richtung wirksam ist. Der Rohling 7 wird dabei auf eine entsprechende Temperatur (teigartiger bzw. honigartig fließender Zustand) gebracht und dann in die Negativform 13 eingepreßt. Es ist auch möglich, gerade bei der Herstellung von schienen- oder platten­ artigen Teilen, aber auch bei besonderen Gestaltungen von Teilen oder bei bestimmter Ausgestaltung von Bolzen usw., ein Gegentaktfließpreßverfahren anzuwenden. Es kann dann unter Umständen durch mehrfaches Hin- und Herpressen, also durch ein- oder mehrfache Bewegungsumkehr der Preßrich­ tung, eine gewünschte Faserorientierung und Faserverteilung erzielt werden. Dies kann gerade dann von besonderer Bedeutung sein, wenn im entsprechenden Teil beispielsweise Sacklöcher, Durch­ gangsöffnungen, Einbuchtungen oder besondere Formgebungen vorgesehen sind. Dann kann der spezielle Verlauf der Fasern beeinflußt und somit der herzustellende Bauteil gerade in jenem Bereich besonders verstärkt ausgeführt werden, in welchem die besondere Verstärkung eben notwendig ist.

Als Beschichtung bei der Anwendung des hier beschriebenen Verfahrens wird der Einsatz von Koh­ lenstoff oder Graphit vorgesehen. Diese Beschichtungen oder Trennmittel werden bisher praktisch nur für den Metallbereich und nicht für Kunststoffe benutzt. Hier ergeben sich zusätzliche Vorteile, da Graphit im Gegensatz zu den üblichen Trennmitteln für Kunststoffe biokompatibel ist.

In Fig. 2 ist eine in axialer Ausrichtung gesehen nur kurze Öffnung für einen Angriff 3 vorgesehen. Es ist auch möglich, hier ein entsprechend tieferes Sackloch oder aber auch eine axial durchgehende Öffnung vorzusehen, um ein entsprechendes Drehwerkzeug einzuset­ zen. Dadurch könnte zusätzlich zu den bereits vorhandenen Werten bei der Torsionsfestigkeit ein hö­ heres Eindrehmoment überwunden werden, da ein entsprechendes Werkzeug in entsprechend lange Einsteckkanäle eingesetzt werden kann. Da die Herstellung einer solchen Schraube hier im Fließpreßverfahren erfolgt, ist diese zusätzliche Formgebung problemlos möglich.

Gerade bei Schienen oder Platten können ebenfalls Durchgangsöffnungen, Einbuchtungen, Sacklö­ cher usw. vorgesehen werden, welche dann speziell von den Fasern 6 umgeben sind.

Die Faserorientierung in der Schraube 1 nach Fig. 2 oder in einem entsprechend anderen Bauteil für einen anderen Einsatzbereich ist grundsätzlich differenziert zu betrachten. Gerade durch die hier beschriebenen Maßnahmen und das hier beschriebene Verfahren ist es möglich, für jeden speziel­ len Einsatzzweck eine optimale Faserorientierung an dem fertiggestellten Bauteil zu ermöglichen. Beson­ ders bei einem hohen Faseranteil von mehr als 50 Vol.-% und bei dem Einsatz von Endlosfasern ergeben sich in vielen Bereichen der Technik, insbesondere im Bereich von Verbindungselementen und im Be­ reich der Medizintechnik besonders wirkungsvolle Varianten.

Claims (19)

1. Verfahren zur Herstellung von Bauteilen aus faserverstärkten Thermoplasten, wobei vorerst ein aus Kurz-, Lang- und/oder End­ losfaser (6) und einem Thermoplast gebildeter Rohling (7) vor­ gefertigt und dieser Rohling (7) in einem Warmumformverfahren unter Druck in einer Negativform in die endgültige Gestalt des Bauteiles gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Roh­ ling (7) zunächst in eine Erwärmungsstufe auf Umformtemperatur erwärmt und dann durch Fließpressen in die Negativform (13) eingepreßt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohling (7) als Stangenmaterial vorgefertigt und vor dem Warm­ umformverfahren in für den endgültigen Bauteil erforderlicher Länge zugeschnitten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohling (7) durch Gegentaktfließpressen in den endgül­ tigen Bauteil umgeformt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß beim Fließ- oder Gegentaktfließpressen der Roh­ ling (7) in der Erwärmungsstufe auf eine Umformtemperatur von z. B. 350-450°C erwärmt und dann in die Negativform (13) ein­ gepreßt wird, wobei während einer Nachdruckphase eine Abkühlung unter die Glasübergangstemperatur des Thermoplasts von z. B. 143 °C erfolgt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß beim Warmumformverfahren als Trennmittel Kohlenstoff oder Graphit eingesetzt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rohling (7) aus mit Kohlenstoffasern (6) verstärktem PAEK (Poly-Aryl-Ether-Ketone) verarbeitet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß bei zumindest einem Anteil an Fasern (6) diese im Rohling (7) achsparallel verlaufen.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß bei zumindest einem Anteil an Fasern (6) diese im Rohling (7) eine Ausrichtung von 0 bis 90° aufweisen.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Fasern (6) eine Länge von mehr als 3 mm auf­ weisen.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Fasern beim Fließpressen oberflächendeckend vom Matrix-Material umschlossen werden.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Preßtemperatur und die Preßgeschwindig­ keit als Variable zur Veränderung der Lage und Ausrichtung der Fasern im fertigen Bauteil eingestellt werden.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Bauteile bei der Warmumformung eine zu­ sätzliche Oberflächenversiegelung erhalten.

13. Bauteil aus faserverstärkten Thermoplasten, hergestellt nach einem Verfahren gemäß wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch einen in Anpassung an die Gestalt und den Einsatz des Bauteiles vorherbestimmten Verlauf der Fasern zur Erzielung von Bereichen mit lokal vorherbestimmten Steifig­ keiten und Festigkeiten.

14. Bauteil nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die­ ser als Verbindungselement mit einem Angriffsende (2) für ein Werkzeug und einem Gewindeschaft (5) ausgeführt ist und daß die Steifigkeit des Verbindungselementes durch unterschiedliche Fa­ serorientierung vom Angriffsende (2) zum freien Ende hin va­ riiert.

15. Bauteil nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern (6) vom Angriffsende (2) her bis über die unmittelbar daran anschließenden Gewindegänge (4) zumindest annähernd par­ allel zur Mittelachse des Bauteiles verlaufen, wogegen die Fa­ sern (6) im restlichen Gewindeabschnitt oberflächennah der Ge­ windekorrektur in Achsrichtung des Bauteiles folgen, im Kernbe­ reich dieses Abschnittes jedoch eine zum freien Ende hin zuneh­ mend zufällig verteilte Faserorientierung vorgesehen ist.

16. Bauteil nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Steifigkeit des Bauteiles durch unterschiedliche Faser­ orientierung vom Angriffsende (2) her gesehen zum freien Ende hin stufenförmig oder kontinuierlich abnimmt.

17. Bauteil nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekenn­ zeichnet, daß im Bauteil wenigstens ein Sackloch oder eine Durchgangsöffnung, z. B. zum Einsatz eines Drehwerkzeuges oder zum Durchführen von Befestigungsmitteln, vorgesehen ist.

18. Bauteil nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Sackloch oder die Durchgangsöffnung bei der Herstellung des Bauteiles eingeformt ist.

19. Bauteil nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Bauteil als für den medizinischen Einsatz strukturkompatible Corticalis- oder Spongiosa-Schraube ausge­ bildet ist.