WO2016008570A1

WO2016008570A1 - Verfahren zur herstellung einer flächenelektrode

Info

Publication number: WO2016008570A1
Application number: PCT/EP2015/001349
Authority: WO
Inventors: Uwe SCHÖLER; Mathias Kraas; Hannes Miersch
Original assignee: Olympus Winter Ibe Gmbh
Priority date: 2014-07-17
Filing date: 2015-07-03
Publication date: 2016-01-21
Also published as: CN106572882A; US20170196618A1; WO2016008570A8; DE102014010791A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Flächenelektrode (1, 7, 11) eines hochfrequenzchirurgischen Instrumentes, die in wenigstens einer Schichthöhe (S1) aus Metall und in wenigstens einer anderen Schichthöhe (S2) aus Keramik besteht, wobei die Flächenelektrode (1, 7, 11) als Grünkörper hergestellt und dann gesintert wird.

Description

Anmelder:

Olympus Winter & Ibe GmbH

Kuehnstraße 61

22045 Hamburg

Verfahren zur Herstellung einer Flächenelektrode

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Flächenelektrode nach dem Oberbegriff des Anspruches 1. Gattungsgemäße hochfrequenzchirurgische Instrumente sind z.B. aus der US 6,447,511 B1 bekannt. Die Figuren 12 und 13 dieser Druckschrift zeigen eine bipolare Schere für endoskopische Zwecke mit zwei als Schneidblätter ausgebildeten Flächenelektroden, die in unterschiedlichen Schichthöhen aus Metall, beziehungsweise Keramik, bestehen. Die dargestellten Flächenelektroden haben jeweils eine mittlere Schicht aus Isoliermaterial sowie eine oben und unten anliegende Schicht aus Metall. Jede der beiden Metallschichten ist an einen anderen Pol einer Hochfrequenzquelle anschließbar, so dass diese Schichten in den beiden Schneidblättern von unterschiedlicher Polarität sind und zwischen sich durch Wasser beziehungsweise Gewebe einen Strom fließen lassen, der eine Schneidwirkung erzeugt. Die andere Metallschicht des Scherenblattes liegt jeweils zur Berührungsfläche zwischen den Schneidblättern hin und wird hauptsächlich deswegen verwendet, weil Metall gegenüber Isoliermaterialien besser zu einer scharfen Schneide schleifbar ist.

Einen anderen gattungsgemäßen Stand der Technik zeigt die DE 10 2007 054 438 A1. Die Flächenelektrode ist hier als chirurgische Vaporisationselektrode mit einem Elektrodenkopf ausgebildet, der eine Arbeitsfläche aufweist und auf der Rückseite mit einer Keramikabdeckung versehen ist, um dort das Ausbilden von heißem Plasma gegenüber der umgebenden Flüssigkeit zu verhindern.

In beiden Fällen liegt eine Flächenelektrode vor, welche eine Materialschicht bildet, die in unterschiedlichen Schichthöhen aus unterschiedlichem Material besteht. Als "Schichthöhe" wird hier der Abstand zu einer der Flächen der Flächenelektrode bezeichnet. Bei den bekannten Konstruktionen ist die Flächenelektrode aus Schichten aufgebaut, die nach dem

BESTATIGUNGSKOPiE Stand der Technik auf unterschiedliche Weise hergestellt werden können. So können z.B. bei einer Schere die Schneid-blätter aus verschiedenen Teilschalen, die aufeinandergelegt werden, gebildet werden, wobei zur Verbindung beispielsweise eine Verklebung erfolgt. Schichten aus unterschiedlichen Materialien lassen sich auch nacheinander aufbringen, z.B. durch galvanische Abscheidung.

Bei der Herstellung solcher Flächenelektroden treten eine Reihe von Problemen auf. Verklebungen aus Teilschalen sind nicht sehr haltbar, vor allen Dingen nicht bei höheren Temperaturen, die jedoch bei hochfrequenzchirurgischen Instrumenten unabdingbar sind. Auch die Bruchfestigkeit stellt ein großes Problem dar. Teilschalen aus Keramik brechen z.B. sehr leicht. Auch das Schärfen von Scherenklingen ist schwierig, weil beim Schleifen häufig die Schichtstruktur beschädigt wird.

Es besteht daher ein großer Bedarf nach Weiterentwicklungen auf dem Gebiet der gattungsgemäßen Verfahren.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Kennzeichnungsteiles des Anspruches 1 gelöst.

Erfindungsgemäß wird die Flächenelektrode als Grünkörper hergestellt und dann gesintert. Unter "Grünkörper" wird ein ungebrannter Rohling verstanden, der noch plastisch verformbar ist und aus dem so genannten Feedstock geformt wird, einer Mischung von Keramikpulver oder Metallpulver und einem üblicherweise überwiegend aus einem Polymer bestehenden Binder. Bei geeignetem Binder kann der Feedstock ausreichend plastisch verformbar sein, um z.B. durch Spritzguß in die gewünschte Form des dann gegebenenfalls immer noch plastischen Grünkörpers gebracht zu werden. Nach Entbindern (Entfernen des Binders) und Sintern entsteht aus dem Grünkörper das gewünschte Werkstück aus Keramik und/oder Metall.

Das Sintern ist auf dem vorliegenden Gebiet nicht unbekannt, wurde aber nur in Teilschritten der Herstellung verwendet, z.B. bei der Herstellung keramischer Teilschalen, die dann verklebt werden. Die vorliegende Erfindung sieht dagegen vor, die gesamte Flächenelektrode zunächst als Grünkörper herzustellen und dann zu sintern. Dies führt dazu, dass bei der Herstellung des Grünkörpers eine innige Verbindung aller Teile des Schichtaufbaues entsteht. Der Grünkörper wird sodann in dieser innigen Verbindung gesintert. Es ergibt sich ein Werkstück, bei dem insbesondere die unterschiedlichen Materialien auf den unterschiedlichen Schichthöhen untrennbar verbunden sind. Daraus ergibt sich insbesondere auch eine verbesserte mechanische Festigkeit, insbesondere Bruchfestigkeit sowie Festigkeit gegenüber thermischen Spannungen. Die Haltbarkeit steigt enorm. Auch die Herstellbarkeit wird wesentlich verbessert, da die Herstellungsprobleme fast gänzlich auf Arbeiten am Grünkörper verlegt werden. Am Grünkörper ist das Arbeiten aber sehr viel leichter als an dem fertig gesinterten Werkstück. Der Grünkörper kann leicht geformt werden und kann sogar bei einer Fehlbearbeitung noch repariert werden.

Ein Grünkörper mit Schichten, die unterschiedliche Anteile von Metall und Keramik aufweisen, wird vorteilhaft gemäß Anspruch 2 aus Grünfolien hergestellt, die übereinander aufgebracht werden und jeweils aus Feedstock mit unterschiedlichen Anteilen von Metall und Keramik hergestellt sind. Dadurch wird die Herstellung sehr vereinfacht, da die Grünfolien z.B. in größeren Chargen vorgefertigt werden können. Mit Grünfolien können sehr dickschichtige Flächenelektroden aufgebaut werden, die z.B. nur aus Metall bestehen, wozu dann identische aus Metall bestehende Grünfolien übereinander angeordnet werden. Vorteilhaft gemäß Anspruch 3 werden jedoch abwechselnd Folien aus unterschiedlichen Materialien übereinander aufgebracht, womit z.B. Flächenelektroden, wie sie aus den eingangs genannten Druckschriften bekannt sind, herstellbar sind, die in unterschiedlichen Schicht-höhen aus Metall, beziehungsweise Keramik, bestehen.

Eine andere sehr interessante Möglichkeit, die das Sintern bietet, ist das Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei der Grünkörper eine Kornmischung aus Metall und Keramik aufweist, bei der sich das Mischungsverhältnis mit der Schichthöhe ändert. Mischungen aus Metall und Keramik sind gut sinterbar. Es entsteht eine Flächenelektrode, bei der die metallischen und keramischen Anteile mit kontinuierlichem Übergang ineinander verlaufen. Dadurch ergeben sich besonders positive Haltbarkeitseigenschaften. Das Mischungsverhältnis kann sich dabei kontinuierlich ändern oder vorzugsweise stufenförmig in einem Aufbau aus vielen Folien, bei denen sich stufenweise das Mischungsverhältnis ändert.

Die Flächenelektrode kann nach ihrer Herstellung, also nach der Sinterung, bearbeitet werden, z.B. durch Bohren oder Schleifen. Das ist jedoch wegen der Härte des keramischen Materials schwierig und teuer. Vorzugsweise wird daher gemäß Anspruch 5 der Grünkörper vor dem Sintern in die gewünschte Form gebracht, so dass Bearbeitungen nach dem Sintern entfallen. Grünkörper können aus einem leicht formbaren, knetbaren Material bestehen und lassen sich daher sehr leicht formen, schneiden, ausstanzen oder auf sonstige Art bearbeiten. Dazu kann eine Temperaturerhöhung hilfreich sein, z.B. bei Verwendung eines thermoplastischen Binders.

In den Zeichnungen ist die Erfindung beispielsweise und schematisch dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Flächenelektrode eines Vaporisationsinstrumentes im

Schnitt,

Fig. 2 eine Seitenansicht einer bipolaren Schere, Fig. 3 einen Schnitt nach Linie 3 - 3 in Fig. 2,

Fig. 4 einen Ausschnitt aus Fig. 3 in einer abgewandelten Ausführungsform und Fig. 5 einen Querschnitt einer Flächenelektrode einer weiteren Ausführungsform.

Fig. 1 zeigt eine chirurgische Vaporisationselektrode, ähnlich der, die in der DE 10 2007 054 438 A1 erläutert ist. Die in Fig. 1 dargestellte Elektrodenanordnung weist eine Flächenelektrode in Form eines Elektrodenkopfes 1 auf, die leicht gekrümmt, flächig aus einer Metallschicht 2 und einer rückwärtigen Keramikschicht 3 besteht. Die Flächenelektrode wird von einem metallischen Anschlussdraht 4 durchsetzt, der mit der Metallschicht 2 elektrisch leitend verbunden ist. Der Anschlussdraht 4 ist mit einem schützenden Isolierschlauch 5 überzogen, der z.B. aus Kunststoff besteht.

Bekannte Methoden der Herstellung dieses Elektrodenkopfes, z.B. durch Verkleben vorgefertigter Metallschichten 2 mit Keramikschichten 3, sind schwierig, vor allem aufgrund der geringen Abmessungen von nur wenigen Millimetern Außendurchmesser des Elektrodenkopfes.

Außerdem wird eine solche Elektrode bei bipolarer Hochfrequenzbeaufschlagung in leitender Flüssigkeit verwendet, was zu extremer Temperaturbelastung führt. Dabei kann der Schichtaufbau der Flächenelektrode sehr schnell zerstört werden. Ein weiteres Problemfeld gemäß der eingangs genannten US 6,447,511 B1 ist in der Ausführungsform der Fig. 2 mit einer bipolaren Schere 6 dargestellt, bei der Flächenelektroden in Form von Schneidblättern 7 angeordnet sind, die im Detail aus Fig. 3 ersichtlich sind. Die Schneidblätter 7 bestehen jeweils aus einer zur Schneidfläche 8 hin liegenden Keramikschicht 13 und einer dieser anliegenden Metallschicht 12. Auch hier ergeben sich Probleme der Herstellbarkeit.

Diese Probleme bestehen im Wesentlichen in der Frage, wie man die Metallschicht 2, beziehungsweise 12, mit der Keramikschicht 3, beziehungsweise 13, verbinden soll.

Die Erfindung löst dieses Problem, indem sie die Verbindung der beiden Schichten auf Bearbeitungsschritte an einem Grünkörper verlagert. Die Flächenelektrode 1 der Fig. 1 wird, ebenso wie die Schneidblätter 7 der Fig. 3, als Grünkörper hergestellt. Als "Grünkörper" versteht man den Rohling, der noch plastisch verformbar ist und der aus einer Mischung von Keramikpulver und/oder Metallpulver und einem Bindemittel besteht. Durch Brennen oder Sintern entsteht aus dem Grünkörper das gewünschte Werkstück.

Die Erfindung stellt die Flächenelektrode, also den Elektrodenkopf 1 der Fig. 1 , beziehungsweise das Schneidblatt 7 der Fig. 3, als Grünkörper her. Dabei können jeweils die Metallschicht 2 bzw. 12, und die Keramikschicht 3, bzw. 13, als Grünfolie getrennt angefertigt und durch Übereinanderlegen zum Grünkörper der Flächenelektrode vereinigt werden. Es können Grünfolien desselben Materials übereinandergelegt werden, um z.B. eine sehr dicke Flächenelektrode nur aus Metall herzustellen. Vorzugsweise werden unterschiedliche Materialien, wie im dargestellten Beispiel Metall und Keramik, verwendet.

Wie Fig. 1 zeigt, kann auch eine kompliziert schalenförmig verrundete Formgebung der Flächenelektrode 1 sehr einfach durch Formen des noch biegbaren Grünkörpers hergestellt werden, der z.B. sehr einfach in einer Pressform, oder durch Spritzguß in die gewünschte Form gebracht werden kann. Auch das Loch zum Durchführen des Anschlussdrahtes 4 lässt sich dabei sehr einfach stanzen. Es werden dadurch sehr aufwendige Verfahrensschritte eingespart, die bei entsprechender Bearbeitung nach erfolgtem Sintern erforderlich wären.

Fig. 4 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt im Bereich der Schneide eines Scherenblattes 7', ähnlich dem Schneidblatt 7 der Fig. 3. Der Schichtaufbau ist jedoch anders. Es werden hier nicht zwei Schichten, wie im Fall der Fig. 3 verwendet, sondern drei Schichten, die ähnlich angeordnet sein können, wie im Fall der eingangs genannten US 6,447,511 B1 , nämlich eine Isolierschicht 14 in der Mitte und zwei oben und unten anliegende Metallschichten 15 und 16. Gegenüber der Konstruktion der Fig. 3 mit nur zwei Schichten, gibt die zusätzliche Metallschicht 16 an der Schneidfläche 8 eine verbesserte Möglichkeit, die Schneidkante 9 scharf zu schleifen, was bei der Konstruktion der Fig. 3, bei der diese Kante aus Keramik besteht, schwieriger wäre. Auch andere Gründe, wie z.B. Gründe der Potenzialsteuerung, können für einen solchen mehrschichtigen Aufbau sprechen. Fig. 5 zeigt einen Abschnitt aus einer als Flächenelektrode ausgebildeten Elektrode 11. Dies kann z.B. ein Ausschnitt aus dem Schneidblatt 7 der Fig. 3 sein. Vergleicht man mit den vorhergehenden Ausführungsformen, so erkennt man den wesentlichen Unterschied, nämlich den sich mit der Schichthöhe stufenweise ändernden Materialübergang. Als Schichthöhe S wird hier der Abstand zur Schneidfläche 8 bezeichnet.

Bei unterschiedlichen Schichthöhen liegen im Material der dargestellten Elektrode 11 unterschiedliche Konzentrationen von Metall und Keramik vor. Bei der Schichthöhe S1 liegt reines Metall vor, bei S2 reine Keramik. Dazwischen ist die Mischung von Keramikteilchen und Metallteilchen stufenweise verändert.

Die in der Fig. 5 neben der Elektrode 11 dargestellte Treppe soll verdeutlichen, dass die Mischung von Keramikteilchen und Metallteilchen sich in der Elektrode 11 von S1 nach S2 stufenförmig von 100% Metall zu 100% Keramik ändert. Es kann auch eine sehr viel feinere Stufenteilung gewählt werden.

Die Stufen können bei der dargestellten Ausführungsform als Schichten aus vor-fabrizierten Folien bestehen. In nicht dargestellter Ausführungsvariante kann die Elektrode 11 das Mischungsverhältnis auch mit einem kontinuierlichen Gradienten Ändern. Die Herstellung der in den Figuren dargestellten Flächenelektroden geschieht wie folgt:

Bei der Ausführungsform der Fig. 1 wird eine Grünfolie auf Metallbasis und eine Grünfolie auf Keramikbasis hergestellt. Die Herstellung dieser Folien erfolgt durch Anrühren eines Feedstocks aus Keramik-, beziehungsweise Metallpulver, mit einem Binder, z.B. einem geeigneten Polymer. Es entsteht der breiartige Feedstock, der z.B. mittels einer Rakel bei geeigneter Temperatur auf einer glatten Arbeitsplatte zu einer Folie ausgestrichen wird. Nach Erkalten ist das Material noch flexibel aber ohne Träger handhabbar und kann von der Arbeitsplatte abgezogen werden. Eine Folie mit Metallmaterial und eine Folie mit Keramikmaterial werden übereinander angeordnet. Aus der Doppellage der beiden Schichten wird dann der Umfang der Flächenelektrode 1 ausgeschnitten oder ausgestanzt. Dabei kann auch das Loch für den Anschlussdraht 4 gestanzt werden. Anschließend wird die Flächenelektrode 1 in die in Fig. 1 dargestellte gewölbte Form gebracht, z.B. in einer Form presse. Der fertige Grünkörper wird nun gesintert, nachdem zuvor aus dem Feedstock der Binder z.B. thermisch entfernt wurde. Danach wird dann der Anschlussdraht 4 angebracht und verschweißt, beziehungsweise verlötet. Als Letztes wird der Isolierschlauch 5 angebracht.

Im Falle der bipolaren Schere 6, die in Fig. 2 dargestellt ist, werden Schneidblätter 7 mit einem Schichtaufbau hergestellt so, wie er in Fig. 3 dargestellt ist. Dazu werden wiederum Grünfolien für die Schichten 12 und 13 hergestellt, aufeinander gebracht und zugeschnitten. Nach dem Sintern werden die Schneidblätter 7 an einem vorgefertigten, handelsüblichen Scherengriff befestigt, wie er in Fig. 2 beispielhaft dargestellt ist. In nicht dargestellter Weise sind die beschriebenen Flächenelektroden mit einer Hochfrequenzspannungsquelle zu verbinden. Dazu ist der Anschlussdraht 4 der Fig. 1 oder sind die Metallschichten 12 der Schneidblätter 7 mit entsprechenden Verbindungsleitungen zu kontaktieren, die entweder an den Elektroden fest angeschlossen oder z.B. mit Kupplungen ansteckbar sind.

Der in Fig. 4 gezeigte Schichtaufbau kann grundsätzlich ähnlich wie der der Fig. 3 hergestellt werden.

Bei der Elektrode 11 der Fig. 5 ist die Herstellung ähnlich, wenn die Materialmischung den dargestellten Stufengradienten aufweisen soll. Dann können übereinandergelegte Grünfolien abgestufter Zusammensetzung verwendet werden.

Soll sich das Mischungsverhältnis aber mit der Schichthöhe kontinuierlich, also ohne Stufung, ändern, so können z.B. Einstreutechniken verwendet werden, bei denen beim Aufbau einer Feedstockschicht Metall- und Keramikpulver mit sich allmählich veränderndem Mischungsverhältnis in die wachsende Feedstockschicht eingestreut werden.

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Bezugszeichenliste

1 Elektrodenkopf

2 Metallschicht

3 Keramikschicht

4 Anschlussdraht

5 Isolierschlauch

6 Schere

7 Schneidblatt

7' Scherenblatt

8 Schneidfläche

9 Schneidkante

11 Elektrode

12 Metallschicht

13 Keramikschicht

14 Isolierschicht

15 Metallschicht

16 Metallschicht

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung einer Flächenelektrode (1 , 7, 11) eines hochfrequenzchirurgischen Instrumentes, die in wenigstens einer Schichthöhe (S1 ) aus Metall und in wenigstens einer anderen Schichthöhe (S2) aus Keramik besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächenelektrode (1 , 7, 11) als Grünkörper hergestellt und dann gesintert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Grünkörper aus mehreren Folien (15, 14 ,16) hergestellt wird, die als Grünfolien übereinander angebracht werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass übereinander abwechselnd Folien (15, 14, 16) aus unterschiedlichen Materialien aufgebracht werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Grünkörper aus einer Mischung von Metall und Keramik gebildet ist, bei der sich das Mischungsverhältnis mit der Schichthöhe (S) kontinuierlich oder stufenförmig ändert.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grünkörper vor dem Sintern in die gewünschte Form gebracht wird.

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