EP2352530A2 - Auxetisches material - Google Patents

Auxetisches material

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EP2352530A2
EP2352530A2 EP09740093A EP09740093A EP2352530A2 EP 2352530 A2 EP2352530 A2 EP 2352530A2 EP 09740093 A EP09740093 A EP 09740093A EP 09740093 A EP09740093 A EP 09740093A EP 2352530 A2 EP2352530 A2 EP 2352530A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
framework
elements
material according
auxetic material
auxetic
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP09740093A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Carolin KÖRNER
Peter Heinl
Robert Friedrich Singer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Friedrich Alexander Univeritaet Erlangen Nuernberg FAU
Original Assignee
Friedrich Alexander Univeritaet Erlangen Nuernberg FAU
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Friedrich Alexander Univeritaet Erlangen Nuernberg FAU filed Critical Friedrich Alexander Univeritaet Erlangen Nuernberg FAU
Publication of EP2352530A2 publication Critical patent/EP2352530A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K11/00—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/16—Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/162—Selection of materials
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/50—Materials characterised by their function or physical properties, e.g. injectable or lubricating compositions, shape-memory materials, surface modified materials
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L2430/00—Materials or treatment for tissue regeneration
    • A61L2430/02—Materials or treatment for tissue regeneration for reconstruction of bones; weight-bearing implants
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60R—VEHICLES, VEHICLE FITTINGS, OR VEHICLE PARTS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B60R13/00—Elements for body-finishing, identifying, or decorating; Arrangements or adaptations for advertising purposes
    • B60R13/02—Internal Trim mouldings ; Internal Ledges; Wall liners for passenger compartments; Roof liners
    • B60R13/0275—Internal Trim mouldings ; Internal Ledges; Wall liners for passenger compartments; Roof liners comprising removable or hinged parts
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60R—VEHICLES, VEHICLE FITTINGS, OR VEHICLE PARTS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B60R13/00—Elements for body-finishing, identifying, or decorating; Arrangements or adaptations for advertising purposes
    • B60R13/08—Insulating elements, e.g. for sound insulation
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y10T428/24—Structurally defined web or sheet [e.g., overall dimension, etc.]
    • Y10T428/24058—Structurally defined web or sheet [e.g., overall dimension, etc.] including grain, strips, or filamentary elements in respective layers or components in angular relation

Definitions

  • the invention relates to an auxetic material.
  • auxetic material is understood as meaning a material having a negative transverse contraction number v.
  • auxetic materials behave abnormally, unlike materials with a positive transverse contraction index v. Ie. under compressive stress, they contract in a direction perpendicular to the direction of compression, whereas against it they expand in a direction perpendicular to the tensile direction under tensile stress.
  • auxetic materials made of a compressed polymer foam are known.
  • auxetic materials For the production of the known auxetic materials by a plastic deformation of foams, only thermoplastic polymers and highly ductile metals are suitable.
  • the randomly formed three-dimensional structures are not periodic and have only partially an auxetic structure.
  • the auxetic properties of these materials can not be adjusted exactly.
  • the object of the invention is to eliminate the disadvantages of the prior art.
  • an auxetic material is to be specified, which consists of a large number of different materials can be produced.
  • the auxetic properties should also be adjustable.
  • an auxetic material which is formed from a periodic arrangement of three-dimensional framework elements, wherein each of the framework elements comprises a first and at least three second support elements, wherein the first and the second support elements with their one ends in a common node are connected, and wherein a first angle between the first support member and the second support elements is smaller than 90 °.
  • the proposed material comprises a framework structure which, because of its particular design of the three-dimensional framework elements forming it, has auxetic properties.
  • the framework structure results from a periodic arrangement of the interconnected framework elements. In a framework level, the periodicity is expediently equal to 1, d. H.
  • Each scaffolding element is directly connected to another scaffolding element.
  • the periodicity can be given in three linearly independent spatial directions.
  • the free ends of the support elements are expediently connected to each other.
  • the framework elements are connected to one another in such a way that their nodes and supporting elements do not touch each other during a deformation of the grid.
  • deformation is understood to mean a reversible deformation of the grid.
  • the framework elements can be varied by, for example, the number of the second support elements and / or the first angle and / or a Length of the first and / or second support elements to be changed.
  • the first and / or second support elements may be configured straight, curved or wavy.
  • the scaffolding elements can be made of any suitable material, especially ceramic, all metals or polymers. This can significantly expand the class of auxetic materials.
  • the combination of auxetic materials and non-auxetic materials opens up completely new options for adjusting material and component properties.
  • a second angle between two adjacent second support elements is in each case the same size. Ie. all second angles have the same value.
  • the second support elements may have the same length. A length of the first support element may differ from the length of the second support elements. However, it can also be that the first support element and the second support elements have the same length.
  • the interconnected scaffold elements form a scaffold layer in which the nodes lie in a scaffold plane and the first support elements extend perpendicularly in the same direction from the scaffold plane.
  • the framework elements are thus connected to one another by the ends of the second support elements.
  • a three-dimensional framework structure formed by the framework elements is formed by skeleton layers arranged one above the other.
  • the framework layers can expediently be arranged one above the other such that their framework levels run essentially parallel.
  • the framework layers are supported in this case by the first support elements from each other.
  • the framework layers are arranged periodically in 2 or 3 stacks one above the other.
  • a periodicity in a z-direction is thus here preferably equal to 2 or 3.
  • connection points formed for connecting the framework layers can lie in a connection point plane which is essentially parallel to the framework plane.
  • connection point at least three second support elements of a framework layer and a first support element of a further framework layer arranged above are advantageously connected to one another.
  • the framework elements may be made of metal, preferably titanium, a titanium, cobalt chrome or nickel-based alloy, steel, magnesium, shape memory alloys, in particular NiTi.
  • the scaffolding elements made of plastic, preferably polyamide, polyetheretherketone or the like. to manufacture.
  • the framework elements made of ceramic, preferably SiC, Al 2 O 3 , hydroxyapatite or the like.
  • the framework elements are coated with a coating material. It may be, for example, hydroxyapatite, tantalum, TiN, TiC or diamond. It can also be that the surface of the framework elements, for example, by etching or the like. is modified.
  • the proposed auxetic material can be used in many areas. It has proven particularly expedient to use the auxetic material as a bone substitute or as a component of a bone substitute or implant. In that regard, it is expected that, due to the auxetic properties during loading and unloading, there will be a pumping effect which assists the supply of the biological tissue.
  • the auxetic material may in particular also consist of a resorbable material, for. As magnesium, Hydroxylap- tit, are produced.
  • the proposed auxetic material is also particularly suitable for the production of disc replacement materials, for the back-feeding, for example of a knee joint implant or as a replacement for bone marrow.
  • auxetic material can serve as a scaffold for
  • auxetic material For the preparation of the proposed auxetic material are common rapid manufacturing or additive manufacturing processes, such as selective laser or electron beam melting. However, it is also possible to produce the proposed auxetic material in a casting process, preferably in precision casting. In addition, it is conceivable other suitable manufacturing processes, such as lithography, electroforming, impression and micro-machining techniques to use.
  • suitable manufacturing processes such as lithography, electroforming, impression and micro-machining techniques to use.
  • coating an auxetic framework structure according to the invention conventional processes are suitable, for example physical or chemical gas phase deposition, galvanic coating processes, powder coating processes and the like.
  • FIG. 2 shows the formation of a framework layer from the framework element according to FIG. 1, FIG.
  • FIG. 3 shows a first framework structure using the framework layer according to FIG. 2 and FIG.
  • FIG. 4 shows a second framework structure using the framework layer according to FIG. 2.
  • FIG. 1 shows a tetrahedral structure, as realized, for example, in the diamond lattice.
  • four arms 2 of the same length extend from a node 1 under the known tetrahedral angle of 109.5 °.
  • a framework element G can be derived by mirroring three arms on a plane of symmetry running perpendicularly to the fourth arm and through the node 1.
  • Such a framework element G is shown in the right-hand illustration of FIG. It is formed from a first supporting element 3 and three second supporting elements 4. The first 3 and the second supporting elements 4 are connected at the junction 1.
  • the support elements are preferably rod-like or rod-like educated.
  • a first angle ⁇ between the first 3 and each of the second support elements 4 is identical.
  • the angle ⁇ is less than 90 °. It is expediently in the range from 85 to 30 °, preferably in the range from 85 to 60 ° or from 85 to 70 °.
  • a formed between two adjacent support elements 4 second angle ß is also the same. It is in the embodiment shown in Fig. 1 109.5 °.
  • the size of the second angle ⁇ is dependent on the size of the first angle ⁇ .
  • the first 3 and the second support elements 4 have the same length. However, it is also conceivable that the first support element 3 are formed longer or shorter than the second support elements 4.
  • FIG. 2 shows the formation of a framework layer GS using the framework element G shown in FIG. 1.
  • three framework elements G1, G2, G3 are connected to the free ends of respectively two second support elements 4 in such a way that in the projection on the xy plane creates a honeycomb-like structure.
  • the first support elements 3 are each perpendicular to a frame plane GE formed by the nodes 1.
  • FIG. 3 shows the formation of a first framework structure A by stacking a plurality of the framework layers GS shown in FIG. 2.
  • a second framework layer GS2 is supported on a first framework layer GS1 with its first support elements 3 in connection points 5.
  • the connection points 5 form a connection point plane VE, which runs approximately parallel to the framework plane GE.
  • the second framework layer GS2 is rotated by 60 ° with respect to the first framework layer GS1, wherein the axis of rotation is perpendicular to the framework layer GS.
  • the framework layer sequence comprising the first framework layer GS1 and the second framework layer GS2 is periodically stacked to form the first framework structure A. The result is the first framework structure A shown in the right-hand illustration of FIG. 3.
  • a framework layer sequence comprises a first framework layer GS1, a second framework layer GS2 and a third framework layer GS3, each without rotation, but with a translation in the framework plane GE in the direction of the projection of a second framework element 4 are arranged on the framework level GE.
  • the second framework structure B is formed by periodically stacking the framework layer sequence formed from the three framework layers GS1, GS2 and GS3.
  • the proposed framework structures A, B can, for example, by means of rapid prototyping method, casting method or the like. be made of a variety of different materials. By varying the geometry, in particular the length or the width of the support elements 3, 4 and the provided between the support members 3, 4 angle ⁇ , ß can be adjusted to the auxetic and other properties of the proposed material.
  • elements G can also have four second support elements 4 and a first support element 3.
  • the proposed auxetic material is particularly suitable for the production of bone substitutes.
  • a length of the support elements 3.4 is preferably 0.5 to 3 mm.
  • the diameter of the cross-section preferably round support members 3, 4 is between 0.1 and 1 mm and can be variably adjusted in the structure.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein auxetisches Material, welches aus einer periodischen Anordnung miteinander verbundener dreidimensionaler Gerüstelemente (G, G1, G2, G3) gebildet ist, wobei jedes der Gerüstelemente (G) ein erstes (3) und zumindest drei zweite Stützelemente (4) umfasst, wobei das erste (3) und die zweiten Stützelemente (4) mit ihren einen Enden in einem gemeinsamen Knotenpunkt (1) verbunden sind, und wobei ein erster Winkel (α) zwischen dem ersten Stützelement (3) und den zweiten Stützelementen (4) kleiner als 90° ist.

Description

Auxetisches Material
Die Erfindung betrifft ein auxetisches Material.
Unter einem auxetischen Material wird ein Material mit einer negativen Querkontraktionszahl v verstanden. Auxetische Materialien verhalten sich im Gegensatz zu Materialien mit einer positiven Querkontraktionszahl v abnormal. D. h. unter Druckbeanspruchung ziehen sie sich in einer Richtung senkrecht zur Druckrichtung zusammen, wohin gegen sie sich bei Zugbeanspruchung in einer Richtung senkrecht zur Zugrichtung ausdehnen.
Aus dem Stand der Technik sind aus einem komprimierten Polymerschaum hergestellte auxetische Materialien bekannt. Es wird beispielsweise verwiesen auf die US 4,668,557, WO 99/25530, US 5,035,713 sowie die WO 2007/052054 Al.
E. A. Friis, R. S. Lakes, J. B. Park: Negative Poisson's ratio polymeric and metallic forms, Journal of Materials Scien- ce, 23, 1998, 4406-4414 offenbart ein aus einem hoch duktilen Kupferschaum hergestelltes auxetisches Material. Die auxetischen Eigenschaften werden dem Kupferschaum ebenfalls durch eine geeignete plastische Deformation verliehen.
Zur Herstellung der bekannten auxetischen Materialien durch eine plastische Deformation von Schäumen eignen sich nur thermoplastische Polymere und hochduktile Metalle. Die dabei zufällig gebildeten dreidimensionalen Strukturen sind nicht periodisch und weisen lediglich zum Teil eine auxetische Struktur auf. Die auxetischen Eigenschaften dieser Materialien können nicht exakt eingestellt werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile aus dem Stand der Technik zu beseitigen. Es soll insbesondere ein auxetisches Material angegeben werden, welches aus einer Vielzahl unter- schiedlicher Werkstoffe herstellbar ist. Nach einem weiteren Ziel der Erfindung sollen außerdem die auxetischen Eigenschaften einstellbar sein.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 16 bis 18 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 15.
Nach Maßgabe der Erfindung wird ein auxetisches Material vor- geschlagen, welches aus einer periodischen Anordnung dreidimensionaler Gerüstelemente gebildet ist, wobei jedes der Gerüstelemente ein erstes und zumindest drei zweite Stützelemente umfasst, wobei das erste und die zweiten Stützelemente mit ihren einen Enden in einem gemeinsamen Knotenpunkt ver- bunden sind, und wobei ein erster Winkel zwischen dem ersten Stützelement und den zweiten Stützelementen kleiner als 90° ist. - Das vorgeschlagene Material umfasst eine Gerüststruktur, welche wegen ihrer besonderen Ausgestaltung der sie aufbauenden dreidimensionalen Gerüstelemente auxetische Eigen- Schäften aufweist. Die Gerüststruktur ergibt sich aus einer periodischen Anordnung der miteinander verbundenen Gerüstelemente. In einer Gerüstebene ist dabei die Periodizität zweckmäßigerweise gleich 1, d. h. jedes Gerüstelement ist unmittelbar mit einem weiteren Gerüstelement verbunden. Die Perio- dizität kann in drei linear unabhängigen Raumrichtungen gegeben sein. Dabei sind zweckmäßigerweise die freien Enden der Stützelemente miteinander verbunden. Die Gerüstelemente sind so miteinander verbunden, dass deren Knotenpunkte und Stützelemente sich bei einer Deformation des Gitters nicht berüh- ren. Dabei wird unter dem Begriff "Deformation" eine reversible Verformung des Gitters verstanden.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können die Gerüstelemente variiert werden, indem beispielsweise die Anzahl der zwei- ten Stützelemente und/oder der erste Winkel und/oder eine Länge der ersten und/oder zweiten Stützelemente geändert werden. Die ersten und/oder zweiten Stützelemente können gerade, gekrümmt oder gewellt ausgestaltet sein. Durch eine Änderung des Gerüstelements ist es möglich, gewünschte auxetische Ei- genschaften einzustellen. Die Gerüstelemente können aus jedem geeigneten Material, insbesondere auch Keramik, sämtlichen Metallen oder auch Polymeren hergestellt werden. Damit kann die Klasse der auxetischen Materialien erheblich erweitert werden. Es ergeben sich insbesondere auch durch eine Kombina- tion auxetischer Materialien und nicht auxetischen Materialien völlig neue Möglichkeiten der Einstellung von Werkstoff- und Bauteileigenschaften.
Im Hinblick auf die Ausgestaltung des dreidimensionalen Ge- rüstelements hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass ein zweiter Winkel zwischen zwei benachbarten zweiten Stützelementen jeweils gleich groß ist. D. h. sämtliche zweiten Winkel weisen denselben Wert auf. Des Weiteren können die zweiten Stützelemente dieselbe Länge aufweisen. Eine Länge des ersten Stützelements kann von der Länge der zweiten Stützelemente abweichen. Es kann aber auch sein, dass das erste Stützelement und die zweiten Stützelemente dieselbe Länge aufweisen .
Vorteilhafterweise bilden die miteinander verbundenen Gerüstelemente eine Gerüstschicht, bei der die Knotenpunkte in einer Gerüstebene liegen und die ersten Stützelemente sich senkrecht in dieselbe Richtung von der Gerüstebene erstrecken. Bei der Gerüstschicht sind die Gerüstelemente also mit den Enden der zweiten Stützelemente miteinander verbunden.
Bei der Verbindung von drei Gerüstelementen mit deren zweiten Stützelementen ergibt sich eine Gerüstschicht mit einer wabenartigen Struktur. Eine durch die Gerüstelemente gebildete dreidimensionale Gerüststruktur ist durch übereinander angeordnete Gerüstschichten gebildet. Dabei können die Gerüstschichten zweckmäßigerweise so übereinander angeordnet sein, dass deren Gerüstebe- nen im Wesentlichen parallel verlaufen. Die Gerüstschichten stützen sich in diesem Fall durch die ersten Stützelemente aufeinander ab.
Nach einer weiteren Ausgestaltung sind die Gerüstschichten periodisch in 2er oder 3er Stapeln übereinander angeordnet. Eine Periodizität in einer z-Richtung ist hier also vorzugsweise gleich 2 oder 3. Durch die verschiedenartige periodische Anordnung der Gerüstschichten können Gerüststrukturen mit unterschiedlichen Eigenschaften hergestellt werden.
Die Gerüstschichten sind vorteilhafterweise über die ersten Stützelemente miteinander verbunden. Dabei können die zur Verbindung der Gerüstschichten gebildeten Verbindungspunkte in einer Verbindungspunktebene liegen, welche im Wesentlichen parallel zur Gerüstebene ist. In einem Verbindungspunkt sind vorteilhafterweise zumindest drei zweite Stützelemente einer Gerüstschicht sowie ein erstes Stützelement einer darüber angeordneten weiteren Gerüstschicht miteinander verbunden.
Die Gerüstelemente können aus Metall, vorzugsweise aus Titan, einer Titan-, Cobaltchrom- oder Nickelbasislegierung, Stahl, Magnesium, Formgedächtnislegierungen, insbesondere NiTi, hergestellt sein. Desgleichen ist es möglich, die Gerüstelemente aus Kunststoff, vorzugsweise Polyamid, Polyetheretherketon oder dgl . , herzustellen. Ferner ist es möglich, die Gerüstelemente aus Keramik, vorzugsweise SiC, Al2O3, Hydroxylapatit oder dgl., herzustellen. Nach einer zweckmäßigen Ausgestaltung sind die Gerüstelemente mit einem Beschichtungsmaterial beschichtet. Es kann sich dabei beispielsweise um Hydroxyl- apatit, Tantal, TiN, TiC oder Diamant handeln. Es kann auch sein, dass die Oberfläche der Gerüstelemente beispielsweise durch Ätzen oder dgl . modifiziert ist.
Das vorgeschlagene auxetische Material kann in vielen Berei- chen eingesetzt werden. Als besonders zweckmäßig hat es sich erwiesen, das auxetische Material als Knochenersatzstoff oder als Bestandteil eines Knochenersatzstoffs oder Implantats zu verwenden. Insoweit wird erwartet, dass sich wegen der auxe- tischen Eigenschaften bei Be- und Entlastung eine Pumpwirkung ergibt, welche die Versorgung des biologischen Gewebes unterstützt. Das auxetische Material kann insbesondere auch aus einem resorbierbaren Material, z. B. Magnesium, Hydroxylap- tit, hergestellt werden. Das vorgeschlagene auxetische Material eignet sich besonders auch zur Herstellung von Band- scheibenersatzmaterialien, zur Hinterfütterung, beispielsweise eines Kniegelenkimplantats oder als Ersatz für Knochenmark .
Abgesehen davon kann das vorgeschlagene auxetische Material zur Herstellung von schallabsorbierenden Werkstoffen, zur
Herstellung von Werkstoffen zum Schutz eines Aufpralls oder eines Einschlags sowie zur Herstellung adaptiver Filter mit variabler Porengröße verwendet werden.
Darüberhinaus kann das auxetische Material als Gerüst zur
Herstellung von Kompositwerkstoffen, z. B. durch Infiltration mit Polymeren, Metallen oder keramischen Werkstoffen, genutzt werden .
Zur Herstellung des vorgeschlagenen auxetischen Materials eignen sich gängige Rapid Manufacturing bzw. Verfahren der additiven Fertigung, beispielsweise selektives Laser- oder Elektronenstrahlschmelzen. Es ist aber auch möglich, das vorgeschlagene auxetische Material in einem Gießverfahren, vor- zugsweise im Feinguss, herzustellen. Daneben ist es denkbar, andere geeignete Herstellungsverfahren, beispielsweise Lithographie, Galvanoformung, Abformung sowie Mikrobearbeitungs- techniken einzusetzen. Zur Beschichtung einer erfindungsgemäßen auxetischen Gerüststruktur eignen sich herkömmliche Ver- fahren, beispielsweise physikalische oder chemische Gaspha- senabscheidung, galvanische Beschichtungsverfahren, Pulverbe- schichtungsverfahren und dgl .
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 die Ableitung eines Gerüstelements,
Fig. 2 die Bildung einer Gerüstschicht aus dem Gerüstele- ment gemäß Fig. 1,
Fig. 3 eine erste Gerüststruktur unter Verwendung der Gerüstschicht gemäß Fig. 2 und
Fig. 4 eine zweite Gerüststruktur unter Verwendung der Gerüstschicht gemäß Fig. 2.
Die linke Ansicht der Fig. 1 zeigt eine tetraedrische Struktur, wie sie beispielsweise im Diamantgitter realisiert ist. Dabei erstrecken sich von einem Knotenpunkt 1 unter dem bekannten Tetraederwinkel von 109,5° vier Arme 2 gleicher Länge. Aus einer solchen tetraedrischen Struktur lässt sich durch Spiegelung von drei Armen an einer senkrecht zum vierten Arm und durch den Knotenpunkt 1 verlaufenden Symmetrie- ebene ein erfindungsgemäßes Gerüstelement G ableiten. Ein solches Gerüstelement G ist in der rechten Abbildung der Fig. 1 dargestellt. Es ist gebildet aus einem ersten Stützelement 3 und drei zweiten Stützelementen 4. Das erste 3 und die zweiten Stützelemente 4 sind im Knotenpunkt 1 verbunden. Die Stützelemente sind vorzugsweise stab- bzw. stangenartig aus- gebildet. Sie weisen zweckmäßigerweise einen kreisförmigen Querschnitt auf. Ein erster Winkel α zwischen dem ersten 3 und jedem der zweiten Stützelemente 4 ist identisch. Der Winkel α ist kleiner als 90°. Er liegt zweckmäßigerweise im Be- reich von 85 bis 30°, vorzugsweise im Bereich von 85 bis 60° oder von 85 bis 70°. Ein zwischen zwei benachbarten Stützelementen 4 gebildeter zweiter Winkel ß ist ebenfalls gleich. Er beträgt bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel 109,5°. Die Größe des zweiten Winkels ß ist abhängig von der Größe des ersten Winkels α. Bei dem in Fig. 1 gezeigten Gerüstelement G weisen das erste 3 und die zweiten Stützelemente 4 dieselbe Länge auf. Es ist allerdings auch denkbar, dass das erste Stützelement 3 länger oder kürzer als die zweiten Stützelemente 4 ausgebildet sind. Ferner ist es denkbar, auch die zweiten Stützelemente 4 in unterschiedlicher Länge auszuführen. In diesem Fall kann es erforderlich sein, von der zwischen den zweiten Stützelementen 4 vorgesehenen Winkelgleichheit abzuweichen, d. h. zwischen den zweiten Stützelementen 4 können dann auch zweite Winkel ß unterschiedlicher Größe realisiert sein.
Fig. 2 zeigt die Bildung einer Gerüstschicht GS unter Verwendung des in Fig. 1 gezeigten Gerüstelements G. Dabei werden jeweils drei Gerüstelemente Gl, G2, G3 mit den freien Enden von jeweils zwei zweiten Stützelementen 4 so miteinander verbunden, dass in der Projektion auf die xy-Ebene eine wabenartige Struktur entsteht. Dabei stehen die ersten Stützelemente 3 jeweils senkrecht auf einer durch die Knotenpunkte 1 gebildeten Gerüstebene GE.
Fig. 3 zeigt die Bildung einer ersten Gerüststruktur A durch Übereinanderstapeln mehrerer der in Fig. 2 gezeigten Gerüstschichten GS. Dabei stützt sich auf einer ersten Gerüstschicht GSl eine zweite Gerüstschicht GS2 mit ihren ersten Stützelementen 3 in Verbindungspunkten 5 ab. In jedem der Verbindungspunkte 5 sind jeweils mindestens drei zweite Stützelemente 4 der ersten Gerüstschicht GSl sowie ein erstes Stützelement 3 der darüber liegenden zweiten Gerüstschicht GS2 miteinander verbunden. Die Verbindungspunkte 5 bilden ei- ne Verbindungspunktebene VE, welche etwa parallel zur Gerüstebene GE verläuft. Die zweite Gerüstschicht GS2 ist gegenüber der ersten Gerüstschicht GSl um 60° rotiert, wobei die Drehachse senkrecht auf der Gerüstschicht GS steht. Die Gerüstschichtabfolge aus erster Gerüstschicht GSl und zweiter Ge- rüstschicht GS2 wird zum Aufbau der ersten Gerüststruktur A periodisch übereinander gestapelt. Es ergibt sich die in der rechten Abbildung der Fig. 3 gezeigte erste Gerüststruktur A.
Bei der in Fig. 4 gezeigten zweiten Gerüststruktur B besteht eine Gerüstschichtabfolge aus einer ersten Gerüstschicht GSl, einer zweiten Gerüstschicht GS2 und einer dritten Gerüstschicht GS3, welche jeweils ohne Rotation, jedoch mit einer Translation in der Gerüstebene GE in Richtung der Projektion eines zweiten Gerüstelements 4 auf die Gerüstebene GE ange- ordnet sind. Die zweite Gerüststruktur B entsteht durch periodisches Übereinanderstapeln der aus den drei Gerüstschichten GSl, GS2 und GS3 gebildeten Gerüstschichtabfolge.
Die vorgeschlagenen Gerüststrukturen A, B können beispiels- weise mittels Rapid Prototyping Verfahren, Gießverfahren oder dgl . aus einer Vielzahl unterschiedlicher Materialien hergestellt werden. Durch eine Variation der Geometrie, insbesondere der Länge oder der Breite der Stützelemente 3, 4 sowie der zwischen den Stützelementen 3, 4 vorgesehenen Winkel α, ß lassen sich die auxetischen und auch andere Eigenschaften des vorgeschlagenen Materials einstellen.
Auxetische Gerüststrukturen können auch unter Verwendung anderer Gerüstelemente G hergestellt werden. Geeignete Gerüst- elemente G können beispielsweise auch vier zweite Stützelemente 4 und ein erstes Stützelement 3 aufweisen.
Das vorgeschlagene auxetische Material eignet sich insbeson- dere zur Herstellung von Knochenersatzstoffen. Dabei beträgt eine Länge der Stützelemente 3,4 vorzugsweise 0,5 bis 3 mm. Der Durchmesser der im Querschnitt vorzugsweisen runden Stützelemente 3, 4 liegt zwischen 0,1 und 1 mm und kann in der Struktur variabel eingestellt werden.
Bezugs zeichenliste
1 Knotenpunkt
2 Arm 3 erstes Stützelement
4 zweites Stützelement
5 Verbindungspunkt
α erster Winkel ß zweiter Winkel
A, B GerüstStruktur
G, Gl, G2, G3 Gerüstelernent
GE Gerüstebene
GS, GSl, GS2, GS3 Gerüstschicht VE Verbindungspunktebene

Claims

Patentansprüche
1. Auxetisches Material gebildet aus einer periodischen Anordnung miteinander verbundener dreidimensionaler Gerüst- elemente (G, Gl, G2, G3) , wobei jedes der Gerüstelemente (G, Gl, G2, G3) ein erstes (3) und zumindest drei zweite Stützelemente (4) umfasst, wobei das erste (3) und die zweiten Stützelemente (4) mit ihren einen Enden in einem gemeinsamen Knotenpunkt (1) verbunden sind, und wobei ein erster Winkel (α) zwischen dem ersten Stützelement (3) und den zweiten Stützelementen (4) kleiner als 90° ist.
2. Auxetisches Material nach Anspruch 1, wobei ein zweiter Winkel (ß) zwischen zwei benachbarten zweiten Stützelementen (4) jeweils gleich groß ist.
3. Auxetisches Material nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweiten Stützelemente (4) dieselbe Länge aufweisen .
4. Auxetisches Material nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Stützelement (3) und die zweiten Stützelemente (4) dieselbe Länge aufweisen.
5. Auxetisches Material nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die miteinander verbundenen Gerüstelemente (G, Gl, G2, G3) eine Gerüstschicht (GS, GSl, GS2, GS3) bilden, bei der die Kontenpunkte (1) in einer Gerüstebene (GE) liegen und die ersten Stützelemente (3) sich senkrecht in dieselbe Richtung von der Gerüstebene (GE) erstrecken.
6. Auxetisches Material nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine durch die Gerüstelemente (G, Gl, G2, G3) gebildete dreidimensionale Gerüststruktur (A, B) durch über- einander angeordnete Gerüstschichten (GS, GSl, GS2, GS3) gebildet ist.
7. Auxetisches Material nach einem der vorhergehenden An- Sprüche, wobei die Gerüstschichten (GS, GSl, GS2, GS3) so übereinander angeordnet sind, dass deren Gerüstebenen (GE) im Wesentlichen parallel verlaufen.
8. Auxetisches Material nach einem der vorhergehenden An- Sprüche, wobei die Gerüstschichten (GS, GSl, GS2, GS3) periodisch in 2er oder 3er Stapeln übereinander angeordnet sind.
9. Auxetisches Material nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Gerüstschichten (GS, GSl, GS2, GS3) über die ersten Stützelemente (3) miteinander verbunden sind.
10. Auxetisches Material nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur Verbindung der Gerüstschichten (GS, GSl, GS2, GS3) gebildete Verbindungspunkte (3) in einer Verbin- dungspunktebene (VE) liegen, welche im Wesentlichen parallel zur Gerüstebene (GE) ist.
11. Auxetisches Material nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in einem Verbindungspunkt (5) zumindest drei zweite Stützelemente (4) einer Gerüstschicht (GS, GSl, GS2,
GS3) sowie ein erstes Stützelement (3) einer darüber angeordneten weiteren Gerüstschicht (GS, GSl, GS2, GS3) miteinander verbunden sind.
12. Auxetisches Material nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Gerüstelemente (G, Gl, G2, G3) aus Metall, vorzugsweise aus Titan, einer Titan-, Cobaldchrom- oder Nickelbasislegierung, Mg, Stahl, Formgedächtnislegierungen, insbesondere NiTi, hergestellt sind.
13. Auxetisches Material nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Gerüstelemente (G, Gl, G2, G3) aus Kunststoff, vorzugsweise Polyamid, Polyetheretherketon, hergestellt sind.
14. Auxetisches Material nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Gerüstelemente (G, Gl, G2, G3) aus Keramik, vorzugsweise SiC, Al2O3, Hydroxylapatit, hergestellt sind.
15. Auxetisches Material nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Gerüstelemente (G, Gl, G2, G3) mit einem Beschichtungsmaterial, vorzugsweise Hydroxylapatit, Tantal, TiN, TiC oder Diamant, beschichtet sind.
16. Knochenersatzstoff, umfassend das auxetische Material nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
17. Implantat, umfassend das auxetische Material nach einem der Ansprüche 1 bis 15.
18. Kompositwerkstoff, umfassend das auxetische Material nach einem der Ansprüche 1 bis 15.
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