DE4445307C1 - 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 An­ spruch 12.

Ein solches Verfahren und ein solcher Bauteil sind aus der DE 6 89 19 466 T2 (die der vorveröffentlichten EP 0 373 294 B1 ent­ spricht) bekannt, auf die weiter unten näher eingegangen wird.

Im folgenden werden Fasern bis 1 mm Länge als Kurzfasern, Fa­ sern von 1 bis 12 mm Länge als Langfasern und Fasern, die min­ destens 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 Medizin­ technik, also beispielsweise bei Knochenschrauben, sind Schrauben aus faserverstärkten Thermopla­ sten wesentlich besser geeignet als Metallschrauen, 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 bekannt geworden, wobei die Schraubenrohlinge entweder durch Coextrusion oder durch ein Mehr­ komponenten-Spritzgießverfahren hergestellt werden. Bei dieser bekannten Ausführung (DE 40 16 427 A1) werden als Ausgangsmaterial kreisrunde Vollstangen, die mittels Coextrusion her­ gestellt 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 thermopla­ stisches Granulat mit Kurzfasern aufbereitet. Somit ist ein Ausgangsmaterial gegeben, bei welchem eine koaxiale Anordnung mit inneren Langfasern und äußeren Kurzfasern vorhanden ist. Die Lang­ fasern im inneren Kernbereich sind durch einen Extrusionsfließvorgang vorwiegend axial ausgerich­ tet, die Kurzfasern im äußeren Bereich übertragen Abscherkräfte in den Gewindegängen. Die Gewin­ degänge werden durch anschließendes Kaltumformen, z. B. mittels Gewinderollköpfen oder -maschi­ nen hergestellt. Eine solche Kaltumformung wird durch den Einsatz von Kurzfasern im Gewin­ debereich ermöglicht, doch ergeben sich gerade aus der Anordnung von Kurzfasern im Gewindebe­ reich verringerte Festigkeitswerte.

In der eingangs erwähnten DE 689 19 466 T2 ist ein Verfahren beschrieben, bei dem ein Rohling aus faserverstärkten Thermo­ plasten 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 Umform­ graden, da nur eine partielle Umformung des Rohlings stattfin­ det. 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 be­ kannten Verfahren nur am äußeren Rand und nur in sofern gege­ ben, daß sich die Fasern radial an die Negativform anlegen. Es ist somit bei dem bekannten Verfahren nicht möglich, die Stei­ figkeit, Torsionsfestigkeit oder andere mechanische Eigenschaf­ ten des durch das Verfahren hergestellten Bauteils speziell an den Einsatzzweck des Bauteils anzupassen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren nach dem Oberbe­ griff von Anspruch 1 so zu verbessern, daß eine optimale Anpas­ sung an den Einsatzzweck eines Bauteils ermöglicht wird, und weiter ein Bauteil nach dem Oberbegriff von Anspruch 12 so zu verbessern, daß mit ihm sich in besonderer Weise die Kraftein­ leitung und -verteilung und die Steifigkeit an die Beschaffen­ heit eines mit dem Bauteil zusammenwirkenden Körpers anpassen lassen.

Diese Aufgabe ist durch ein Verfahren mit den Schritten von An­ spruch 1 und einen Bauteil mit den Merkmalen von Anspruch 12 gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren sieht demnach vor, daß vorerst ein mit einem Faseranteil von mehr als 50 Vol.% und unter zumindest überwiegendem Einsatz von Endlosfasern und einem Thermoplast gebildeter Rohling vorgefertigt und dieser Rohling in einem Warmumformverfahren zunächst in einer Erwärmungsstufe auf Umformtemperatur erwärmt und dann durch Fließpressen in eine Negativform in die endgültige Gestalt des Bauteiles gebracht wird. Gerade durch den Einsatz von Endlosfasern praktisch über den ganzen Querschnitt des Rohlings wird bei dem Fließpressen eine ganz gezielt steuerbare Faserorientierung und Faserverteilung bewirkt. 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 Warmum­ formverfahren in für den endgültigen Bauteil erforderliche Längen zugeschnitten wird. Die für den endgültigen Bauteil notwendigen Materialstücke werden aus dem vorgefertigten Stangenmaterial ab­ getrennt und anschließend dem Warmumformverfahren zugeführt. Es ist also eine dem Fließpreßver­ fahren bei Metallteilen ähnliche Vorgangsweise vorgesehen.

Gegenüber dem Fließpressen von Metallteilen ist dabei als wesentliches Un­ terscheidungsmerkmal vorgesehen, daß bei dem erfindungsgemäßen Fließpressen das Werkzeug auf eine Umformtem­ peratur 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 Ther­ moplaste wird das bei Metallteilen bekannte Fließpreßverfahren dahingehend verändert, als der Roh­ ling nicht bei Raumtemperatur, sondern oberhalb der Schmelztemperatur oder Erweichungstem­ peratur des Matrix-Werkstoffes umgeformt wird.

Weiter ist es vorteilhaft, daß bei dem Warmumformverfahren eine Beschichtung in Form von Kohlen­ stoff 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 offen­ sichtlich nicht eingesetzt. Hier ergibt sich der zusätzliche besondere Vorteil, daß z. B. Graphit im Ge­ gensatz 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 Kohlen­ stoffasern 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 ausrei­ chende 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 Knochen­ schrauben, ist eine entsprechend hohe Bruchkraft durchaus ausreichend, da eine solche Schraube schon bei nahezu einem Drittel der verfügbaren Bruchkraft aus dem Knochen herausgezogen würde.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können Rohlinge eingesetzt werden, bei welchen die Endlosfa­ sern eine 0°-Orientierung aufweisen, also achsparallel zum Rohling verlaufen. Denkbar ist aber auch, daß die Endlosfasern im Rohling eine Ausrichtung von 0° bis zu 90° aufweisen. Vor allem bei der Herstellung von Bauteilen 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 zusätz­ liche Anpassungsparameter möglich werden.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren werden stets Fasern eingesetzt, 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 Warmumformverfahren eine optimale Möglichkeit, die Festigkeitseigenschaft an jeder Stelle des zu fertigenden Bauteiles entsprechend zu steuern, so daß lokal gezielt eingestellte Steifigkeiten erreich­ bar sind.

Ein weiteres Verfahrensmerkmal liegt darin, daß die Fasern sowohl im Rohling als auch im fer­ tigen 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 Aus­ richtung der Endlosfasern im fertigen Bauteil einstellbar veränderbar sind. Die höchsten Zugfestigkei­ ten wurden beispielsweise bei Bauteilen erzielt, die bei hohen Umformgeschwindigkeiten und hohen Rohlingtemperaturen hergestellt wurden. Bei Berücksichtigung der Torsionsfestigkeit hingegen wer­ den dann Maximalwerte erzielt, wenn vergleichsweise tiefe Umformtemperaturen und eine niedrige Umformgeschwindigkeit eingesetzt werden. Es werden also gerade bei einem Verfahren zur Herstel­ lung von Bauteilen aus faserverstärkten Thermoplasten durch das erfindungsgemäße Verfahren Mög­ lichkeiten 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 Ober­ flächenversiegelung 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 hergestellte Bauteil ist gekennzeichnet durch einen in Anpassung an die Gestalt und den Einsatz des Bauteiles vorherbestimmten Verlauf der Endlosfasern, wobei bezogen auf die Längsrichtung des Bauteiles Bereiche unterschiedlicher Faserorientierung bzw. unterschiedlichen Faserverlaufes vorgesehen 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.

Deshalb ist es auch vorteilhaft, daß dieser Bauteil als Verbindungselement mit einem Angriffsende für ein Werkzeug und einem Gewindeschaft ausgeführt ist, und daß die Steifigkeit des Verbindungs­ elementes 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 bio­ kompatibles Verbindungselement geschaffen werden kann. Im Gegensatz zu meist üblichen Metall­ schrauben kann durch die Anpassung der Faserstruktur und des Faserverlaufes ein echt wirksamer Bauteil geschaffen werden.

Weiter wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die Endlosfasern 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 Ge­ windekontur 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 Ge­ windeabschnitt die größte Festigkeit vorhanden, wogegen die in den Knocheninnenbereich hinein­ greifenden 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 Umformgeschwin­ digkeit ergibt, eine exakte Anpassung an den Einsatzbereich des Bauteiles erzielt werden.

Weiter wird vorgeschlagen, daß mittig in dem Bauteil ein Sackloch oder eine Durchgangsöffnung mit ei­ nem zum Einsatz eines Drehwerkzeuges vorgesehenen Querschnitt ausgebildet ist. Durch eine solche Anordnung ist es möglich, entsprechende Torsionskräfte beim Eindrehen eines solchen schrauben­ förmigen Bauteiles, und insbesondere bei einem eventuell notwendigen Herausdrehen aufzubringen. In die­ sem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn das Sackloch oder die Durchgangsöffnung bei der Her­ stellung des Bauteiles eingeformt ist. Gerade bei einem Fließpreßverfahren ergeben sich hier be­ sondere zusätzliche Möglichkeiten, um eben in einem Umformverfahren auch gleich entsprechende Sacklöcher bzw. Durchgangsöffnungen für Drehwerkzeuge vorzusehen.

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

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden in der nachstehenden Beschrei­ bung anhand der Zeichnung noch näher erläutert. Es zeigen:

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 Faserorientie­ rungsverteilung in der Schraube eingezeichnet ist;

Fig. 3 ein Diagramm über den Verlauf der Steifigkeit bezogen auf die Länge des als Verbindungsele­ ment 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 erfindungsgemäßen Verfahrens sowie des nach dem Verfah­ ren hergestellten Bauteiles wird davon ausgegangen, daß der Bauteil ein Verbindungselement, insbe­ sondere 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 Medizin­ technik beschränkt. Es ist durchaus denkbar, solche Bauteile auch in anderen Anwendungsberei­ chen, 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 Verbindungs­ elementen (Schrauben) hergestellt sein, sondern können auch als Bauteile mit ganz anderen kon­ struktiven Ausgestaltungen eingesetzt werden. So wäre es beispielsweise denkbar, die in der Regel wohl nicht als selbstbohrende Schrauben ausführten Bauteile aus faserverstärkten Thermoplasten mit einem entsprechenden Bohrteil zu bestücken, der gegebenenfalls ebenfalls aus biokompatiblem Ma­ terial gefertigt ist oder aber nach dem Bohrvorgang leicht entfernt werden kann. Unter Umständen ist eine solche Entfernung bei verschiedenen Anwendungsbereichen gar nicht notwendig.

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

Wie gerade aus der Fig. 2 der Zeichnung ersichtlich ist, geht es bei der Schrauben 1 im besonderen um den Verlauf der Endlosfasern 6. Durch gezielt lokal gerichtete Fasern 6 innerhalb der Struktur ver­ fügt die Schraube 1 über lokal gezielt eingestellte Steifigkeiten. Dadurch läßt sich gerade bei der Ver­ wendung als Corticalis-Schraube die Steifigkeit an die natürliche Struktur eines Knochens anpassen. Durch die Wahl eines Verbundes von Thermoplasten mit Endlosfasern läßt sich ein leichtes, rönt­ gentransparentes und biokompatibles Verbindungselement schaffen. Der besondere Vorteil einer sol­ chen Schraube liegt darin, daß die Steifigkeiten und die Steifigkeitsgradienten besser an die natürli­ che Struktur des Knochens angepaßt sind als bei herkömmlichen Metallschrauben. Durch die Faser­ struktur 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 medizi­ nischen Untersuchungsmethoden nicht, da es amagnetisch und röntgentransparent ist. Dies ist ein besonderer Nachteil herkömmlicher Metallimplantate, darunter auch Verbindungselemente. Metall­ implantate 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 Schrau­ be 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 hohe spezifische Festigkeiten und Steifigkeiten bei geringerem Gewicht verlangt werden. Auch hier ist die Krafteinleitung über mehr als drei Gewinde­ gänge ausschlaggebend.

Mit dem Kopf 2 der in Fig. 2 gezeigten Corticalis-Schraube 1 können verschiedene weitere Elemente fi­ xiert 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 wäh­ len, z. B. eine Vierkantöffnung oder einen Kreuzschlitz.

Eine Abwandlung des Fließpreßverfahrens, wie es aus der Metallbearbeitung bekannt ist, wird ange­ wendet, um die Corticalis-Schraube 1 (z. B. mit einem Kerndurchmesser von 3 mm) aus kohlenstoffa­ serverstärktem PAEK (Poly-Aryl-Ether-Ketone) herzustellen. Eine spezielle Variante sieht vor, kohlen­ stoffaserverstärktes PEEK (Poly-Ether-Ether-Ketone) einzusetzen. Die Faserorientierungsverteilung und die mechanischen Eigenschaften der Schraube werden charakterisiert und zu den Prozeßparame­ tern 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 Faserver­ bundteile zu gestalten. Insbesondere im Bereich der Osteosynthese-Technik sind Entwicklungen er­ forderlich, um konventionelle Stahl-Osteosyntheseplatten durch weniger rigide Implantate aus Faser­ verbundwerkstoffen zu ersetzen. Gerade im Zusammenhang mit Osteosyntheseplatten wirkt sich die hier beschriebene Ausbildung vorteilhaft aus. Ein solches Osteosynthese-System hat gegenüber ei­ nem konventionellen Stahl-Implantat zahlreiche Vorteile. Zum einen ist die Homoelastizität zum Kno­ chen 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 zusätz­ lich zählt, ist die Tatsache, daß derart ausgebildete Bauteile unproblematisch sind bei Nickel-Al­ lergien.

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 durch eine Düse gepreßt. Es gehört damit zu den sogenannten Durchdrückverfahren nach DIN 8583. Für die Verarbeitung der faserverstärkten Thermoplaste wurde das Verfahren dahin­ gehend verändert, daß ein Rohling nicht bei Raumtemperatur, sondern oberhalb der Schmelz­ temperatur 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 in Fig. 5 gezeigt, 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 zwischen 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 Zerlegen des Fließpreßwerkzeuges 8 kann die fertige Cor­ ticalis-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) herge­ stellt wurden. Der Elastizitätsmodul in Schraubenlängsrichtung ist nicht konstant, sondern nimmt zur Spitze hin stark ab. Die E-Moduli variieren zwischen 5 und 23 GPa, wobei Schrauben, die aus Rohlin­ gen mit einer achsparallelen Faserorientierung hergestellt wurden, tendenziell steifer sind. Dies ist auch eindeu­ tig 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 von 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 in der Corticalis schon bei ei­ nem Drehmoment von ca. 0,8 Nm zerstört wurde. Der langsame Abfall der Restfestigkeit nach dem Primärversagen würde auch noch nach einem Bruch ein Ausdrehen der beschädigten 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.

Es ist nochmals festzuhalten, daß beim hier beschriebenen Verfahren und bei dem nach diesem Ver­ fahren hergestellten Bauteil immer Endlosfasern und ein hoher Faseranteil von mehr als 50 Vol-% vorgesehen sind. Mit dem hier beschrieben Verfahren ist erstmals die Möglichkeit geschaffen worden, ei­ ne aus faserverstärkten Thermoplasten gebildete Schraube für den Einsatz bei Knochen herzustellen, bei der über die besondere Ausbildung des Gewindes in einem Fließpreßverfahren und über die Materialeigenschaften, insbesondere die exakte Ausrichtung von Fasern, eine zu den Knochen kom­ patible Konstruktion erreicht wird.

Als Beschichtung bei der Anwendung des hier beschrieben 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.

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 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 durch den hohen Faseranteil von mehr als 50 Vol-% und den Einsatz von Endlosfasern ergeben sich in vielen Bereichen der Technik, insbesondere im Bereich von Verbindungselementen und im Be­ reich der Medizintechnik neue und besonders wirkungsvolle Varianten.

Claims (18)

1. Verfahren zur Herstellung von auf Zug, Biegung und/oder Tor­ sion beanspruchten Bauteilen aus faserverstärkten Thermopla­ sten, wobei vorerst ein mit einem Faseranteil von mehr als 50 Vol. -% und unter zumindest überwiegendem Einsatz von Endlosfa­ sern (6) und einem Thermoplast gebildeter Rohling (7) vorgefer­ tigt und dieser Rohling (7) in einem Warmumformverfahren unter Druck in einer Negativform in die endgültige Gestalt des Bau­ teiles gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohling (7) zunächst in einer Erwärmungsstufe auf Umformtemperatur er­ wärmt und dann durch Fließpressen in die Negativform (13) ein­ gepreßt 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 beim Fließpressen der Rohling (7) in der Erwärmungsstufe auf eine Umformtemperatur von z. B. 350-450°C erwärmt und dann in die Negativform (13) eingepreßt wird, wobei während ei­ ner Nachdruckphase eine Abkühlung unter die Glasübergangstempe­ ratur des Thermoplasts von z. B. 143°C erfolgt.

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

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

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Endlosfasern (6) im Rohling (7) achsparallel verlaufen.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Endlosfasern (6) im Rohling (7) eine Ausrich­ tung von 0 bis 90° aufweisen.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Fasern (6) eine Länge von mehr als 3 mm auf­ weisen.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Fasern (6) beim Fließpressen oberflächendec­ kend vom Matrix-Material umschlossen werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, 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.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Bauteile bei der Warmumformung eine zu­ sätzliche Oberflächenversiegelung erhalten.

12. Bauteil aus faserverstärkten Thermoplasten, hergestellt nach einem Verfahren gemäß wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch einen in Anpassung an die Gestalt und den Einsatz des Bauteiles vorherbestimmten Verlauf der Fasern (6) zur Erzielung von Bereichen mit lokal vorherbestimmten Steifigkeiten und Festigkeiten.

13. Bauteil nach Anspruch 12, 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.

14. Bauteil nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Endlosfasern (6) vom Angriffsende (2) her bis über die unmit­ telbar daran anschließenden Gewindegänge (4) zumindest annä­ hernd parallel zur Mittelachse des Bauteiles verlaufen, wogegen die Fasern (6) 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.

15. Bauteil nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Steifigkeit des Bauteiles durch unterschiedliche Faser­ orientierung vom Angriffsende (2) her gesehen zum freien Ende hin stufenförmig oder kontinuierlich abnimmt.

16. Bauteil nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mittig im Bauteil ein Sackloch oder eine Durch­ gangsöffnung mit einem zum Einsatz eines Drehwerkzeuges vorge­ sehenen Querschnitt ausgebildet ist.

17. Bauteil nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Sackloch oder die Durchgangsöffnung bei der Herstellung des Bauteiles eingeformt ist.

18. Bauteil nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Bauteil als für den medizinischen Einsatz strukturkompatible Corticalis- oder Spongiosa-Schraube ausge­ bildet ist.