Titan auf neue Art in Form gebracht

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1 Medizintechnologie.de Element 22 GmbH Titan auf neue Art in Form gebracht Die Element 22 GmbH ist ein junges Unternehmen, das sich voll und ganz dem Metall Titan verschrieben hat. Vor fünf Jahren in Kiel gegründet, ist die Firma jetzt auf Expansionskurs, stellt neue Mitarbeiter ein und verdoppelt ihre Produktionsfläche. Denn bald soll die Serienfertigung von Titan-Komponenten, z.b. für die Medizintechnik im Metallpulverspritzguss-Verfahren deutlich ausgebaut werden: nicht nur schneller, kostengünstiger und umweltfreundlicher als mit Standardmethoden, eine ungeahnte Vielfalt an Formen und Materialeigenschaften wird möglich. von Lisa Kempe Titan, das 22. Element im Periodensystem, hat sich in der Medizintechnik längst als idealer Werkstoff für Instrumente und Implantate bewährt. Es kann hohe mechanische Belastungen aushalten und ist korrosionsbeständig. Endoprothesen für den Hüft-, Knie- oder Schultergelenksersatz werden aus Titan gefertigt ebenso wie Platten, Schrauben und Nägel für die Osteosynthese. Titan ist ein besonderer Werkstoff mit einer sehr hohen Festigkeit, der gleichzeitig sehr leicht ist. Es ist sehr korrosionsresistent, weshalb sich das Metall im Gewebe ausgesprochen biokompatibel verhält. Titan ist einfach ein sehr schönes Metall, erklärt Matthias Scharvogel, Gründer und Geschäftsführer von Element 22. Schön, aber schwer zu verarbeiten

2 Dennoch hat die Sache einen Haken Titan ist zwar schön, aber die Verarbeitung mit herkömmlichen Methoden wie dem Drehen oder Fräsen ist sehr schwierig. Darüber hinaus neigen die Späne, die bei der Bearbeitung entstehen, zur Selbstentzündung. Geräte und Anlagen zur Titan-Verarbeitung müssen deshalb spezielle Anforderungen erfüllen, wie beispielsweise über eingebaute Brandlöschsysteme und besonders Schön, besonders aber sehr kompliziert : Matthias scharfe Werkzeuge verfügen. Scharvogel, Gründer und Geschäftsführer von Scharvogel berichtet über seine Element 22, spricht leidenschaftlich über das Metall langjährige Erfahrung mit Titan: Titan, aus dem seine Firma Medizinprodukte Nach meinem Maschinenbauherstellt. Studium, war ich lange Zeit in den USA und habe dort für eine deutsche Technologiefirma gearbeitet. Schon zu der Zeit habe ich mich viel mit Titan und anderen Sonder- und Edelmetallen beschäftigt. Mir war klar, dass Titan ein tolles Material ist, aber sehr schwierig zu verarbeiten. Deswegen habe ich nach einer Möglichkeit zur konturnahen Fertigung gesucht, um das aufwändige Drehen, Fräsen und Umformen zu umgehen. Was er da noch nicht wusste: Ende der 1980er Jahre hatten schon das Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM) in Bremen sowie das Helmholtz-Zentrum Geesthacht erste Versuche gestartet, Titan im Metallpulverspritzguss-Verfahren (Metal Injection Molding, MIM) zu verarbeiten. Im Jahr 2004 errichtete eine Firma im Rahmen eines Technologietransfers erstmals eine MIM-Produktionslinie zur Verarbeitung von Titanpulver für medizintechnische Anwendungen am Standort Kiel. Damit war hier bereits eine breite Wissensbasis über die verschiedenen Prozesstechniken, die zahlreichen chemischen und physikalischen Parameter, welche MIM zu einem vielseitigen Produktionsverfahren machen, vorhanden. Daraus ist dann im Jahr 2011 die Firma Element 22 entstanden. MIM ein vielseitiger Prozess Als Ausgangsmaterial für die MIM-Fertigung wird dabei feines Titan-Pulver eingesetzt. Schon bei der Auswahl der Körnung muss man sich intensiv mit der Methode beschäftigen, sagt Scharvogel. Denn es stehen verschiedene Korngrößen zur Verfügung, es gibt verschiedene Reinheitsgrade und unterschiedliche Titan- Legierungen, die als Pulver erhältlich sind. Auch im Produktionsprozess gibt es

3 zahlreiche Stellschrauben, die einen Einfluss auf das Ergebnis, also die Materialeigenschaften der fertigen Titan-Komponente haben. Damit das Pulver in die spätere Form gebracht werden kann, muss das Ausgangsmaterial, der sogenannte Feedstock, fließfähig gemacht werden. Dafür wird das Titan-Pulver mit einem Bindersystem aus Wachsen und Kunststoffpolymeren für das Spritzgießen gemischt. Das ist der erste wichtige Prozess bei dem Verfahren. Denn es kommt auf die richtige Mischung an. Verwenden Am Fraunhofer IFAM werden Material- und wir mehr oder weniger Wachs, Verfahrensfragen insbesondere im Bereich des damit das Spritzgießen reibungslos Metallpulverspritzgusses für alle gängigen Pulver und Bindersysteme bearbeitet. Abgebildet ist das funktioniert oder mehr oder Schema eines solchen Metallpulverspritzgussweniger Polymer, damit beim Verfahrens Sintern ein optimaler backbone Quelle: Fraunhofer IFAM vorhanden ist? Das sind alles Einflussfaktoren, die wir uns schon im Vorfeld überlegen, berichtet Scharvogel. Nachdem das Pulver-Gemisch in eine vorgefertigte Form gepresst wurde, verlässt das zukünftige Titan-Stück als sogenannter Grünteil die Spritzgussmaschine. Bevor es zum Sintern geht, müssen die Binder erst wieder herausgelöst werden. Auch das ist ein wichtiger Prozessschritt, bei dem Lösungsmittel eingesetzt und bestimmte Temperaturen eingehalten werden müssen. Durch das Entbindern entsteht das Braunteil, das nur noch einen geringen Restbindergerhalt enthält, der als backbone für ausreichende Stabilität bei den nachfolgenden Verfahrensschritten sorgt. Beim Sintern, das bei hohen Temparaturen unter Schutzgasatmosphäre stattfindet, geht es dann darum, die endgültige Festigkeit des Bauteils zu erreichen. Während der Grünling noch wie Schokolade bröselt, haben sich die Pulverteilchen nach dem Sintern so fest miteinander verbunden, dass sich das Titan in punkto Festigkeit von einem geschmiedeten Bauteil nicht unterscheiden lässt. Aber auch das Sintern ist eine Kunst, bei der eine ganze Klaviatur von unterschiedlichen Paramatern eine Rolle spielt: Sinter- Temperatur und -Dauer, Aufheizgeschwindigkeit und Vakuum können variiert werden. Die Kunst des Vorhersehens Noch heute profitiert Element 22 von der engen Kooperation mit den

4 Erfindern der MIM-Technologie an den beiden Forschungsinstituten in der Nähe. Was unserem Vorläufer fehlte, war eine klare Strategie und Vision, mit der sich das Geschäft ausweiten ließ. Dabei ist der Standort Kiel ideal zum einen fördert das Land Schleswig- Holstein Technologiefirmen wie uns. Zum anderen profitieren wir von der Nähe zur Technischen Fakultät der Universität Kiel mit ihrem Studiengang Gehäuse eines implantierbaren Ports zur Materialwissenschaften und von Medikamentenapplikation der Nähe zur Fachhochschule mit ihrem Studiengang Maschinenbau. Es gibt hier viele gut ausgebildete Absolventen. Das war für mich ein wichtiger Grund, hier in Deutschland und nicht in den USA eine Technologie-Firma aufzubauen, erläutert Scharvogel. Scharvogel setzt bei der Prozessentwicklung nicht auf Versuch oder Irrtum, um die Technik zu verbessern. Wir haben eigens Mathematiker eingestellt, die die MIM- Prozesse am Computer simulieren. So können wir ziemlich genau vorhersehen, was beim Spritzgießen passiert, wie die Spritzform aussehen muss, wie das Werkzeug temperiert sein soll oder welche Drücke notwendig sind. Auch wenn MIM auf den ersten Blick ein sehr komplexes Verfahren ist, so können wir inzwischen für unser Titan sehr gut vorhersehen, was für ein Bauteil man herstellen kann und welches nicht, erläutert Scharvogel. Vor allem für die Herstellung der Spritzgussform sei die Computersimulation sehr hilfreich. Denn dabei müsse berücksichtig werden, dass das fertig gesinterte Stück gegenüber dem Grünling ein wenig schrumpft. Die Computersimulation beschleunigt die Entwicklung von Bauteilen deutlich. Gleichzeitig können wir damit Fehler bei der Produktion vermeiden, so Scharvogel. Für ihn liegen die Vorteile der MIM-Technologie klar auf der Hand: Kostenintensive Fertigungsschritte entfallen. Ein Beispiel: Um ein daumennagelgroßes implantierbares Titan-Gehäuse herzustellen, dauert das Fräsen des Titanblocks rund 45 Minuten. Bei uns entsteht die Form innerhalb von 25 Sekunden und das Titan hat nach dem Sintern genau die gleichen mechanischen Eigenschaften. Die Kostenreduktion gegenüber der spanenden Fertigung kann bis zu 70 Prozent betragen. Deutlich gespart wird auch beim Materialeinsatz: Durch die konturnahe Fertigung gibt es fast keine Materialverluste. Gleichzeitig sind beim Spritzgießen der Formgebung kaum Grenzen gesetzt. Scharvogel geht davon aus, das Titan zukünftig für Anwendungen erschwinglich wird, in denen bisher auf das weniger beständige Aluminium oder den deutlich schwereren Edelstahl gesetzt wird. MIM ist immer dann interessant, wenn ein Bauteil von komplexer Geometrie in hoher Stückzahl gefertigt werden soll. Mit MIM können die

5 Bauteile kleiner werden und es sind ganz neue Anwendungsmöglichkeiten denkbar. Das macht uns als Zulieferer insbesondere für Medizintechnikfirmen interessant. Denn wir fertigen implantierbare Komponenten aus reinem Titan oder Titan-Legierungen nach dem internationalen ASTM-Standard. Mehr im Internet: Mehr über Element 22 MIM beim Fraunhofer-Institut IFAM MIM beim Helmholtz-Institut Geesthacht Medizintechnologie.de/ga