Fachgebiet Trennende und Fügende Fertigungsverfahren
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MINION

Mikro-Elektronenstrahlschweißen der Mischverbindungen aus Nitinol und nichtrostenden Stählen ohne Zusatzwerkstoff

Projektbeschreibung

 

Legierungen aus den beiden Elementen Nickel und Titan gehören zu den sogenannten Formgedächtnislegierungen (FGL). Nickel-Titan-Legierungen sind anderen FGL (z.B. Kupfer-Zink-Aluminium-Legierungen, spezielle Eisen-Mangan-Silizium-Legierungen) in fast allen Formgedächtnis-eigenschaften überlegen und aufgrund ihrer Biokompatibilität für den Einsatz in der Medizintechnik prädestiniert.

NiTi-FGL finden verbreitet Anwendung als Werkstoffe für Rohrverbinder, Befestigungselemente, Stellelemente und vor allem für Komponenten chirurgischer und interventioneller Instrumente sowie wegen ihrer ausgezeichneten Biokompatibilität und Korrosionsfestigkeit als Implantate. Für Mikroaktoren sind die hohen Kräfte bzw. Stellwege interessant, beim Bau von mikrochirurgischen Instrumenten nutzt man das pseudoelastische Verhalten und die gute Biokompatibilität der Legierungen aus.

Bisherige Lösungsansätze zum Fügen von Nitinol mit nicht rostenden Stählen wiesen alle individuelle Probleme oder Nachteile auf. Bei mechanischen Fügeverfahren wie Nieten, Crimpen oder Klemmen von Nitinol-FGL und nicht rostenden Stählen sind die geringen ertragbaren Zugkräfte, der relative große Bauraum der Verbindungen sowie das erhöhte Gewicht der Verbindung problematisch. Ein Lösen der Verbindungen im Betrieb der FGL besonders bei thermomechanischer, zyklischer Be- und Entlastung stellt ein weiteres Problem dieser Verbindungen dar.

Auch das Kleben und Löten von FGL wurde untersucht. Diese Fügeverfahren bieten zwar ebenso wie die mechanischen Verfahren die Möglichkeit, unterschiedliche Querschnitte miteinander zu verbinden, haben sich bisher in der medizinischen Anwendung aber nicht durchsetzen können. Der Grund hierfür sind Bestandteile in den Klebstoffen und Loten, die als toxisch gelten. Beim Löten werden flusssäurehaltige Flussmittel, die gesundheitsschädlich sind, zum Auflösen der TiO2-Schicht eingesetzt. Daher kommen diese Fügetechniken in der medizintechnischen Anwendung nicht zum Einsatz. In der Aktorik spielt die Biokompatibilität in den meisten Fällen nur eine untergeordnete Rolle. Jedoch sind die Löt- und Klebverbindungen durch die Schmelztemperatur des Lots bzw. des Erweichungsintervalls der Klebverbindung begrenzt, so dass der Einsatz bei thermisch aktivierten FGL nicht problemlos möglich ist.

Im Projektverlauf konnte gezeigt werden, dass das Mikro-Elektronenstrahlschweißen ein geeignetes Verfahren zur Herstellung haltbarer, korrosionsbeständiger und biokompatibler Verbindungen zwischen Nitinol und nichtrostendem Stahl ist. Es konnte nachgewiesen werden, dass bei Schweißungen am Stumpfstoß durch eine geschickte Prozessführung Festigkeiten bis an das superelastische Plateau der Nitinol-Werkstoffe heran erreicht werden können. Bei geeigneter Auslegung der Fügestellen kann das Spannungsplateau erreicht und sogar zyklisch durchfahren werden, ohne dass es zur Schädigung der Verbindung kommt. Zusätzlich konnte gezeigt werden, dass sich die Mikro-Elektronenstrahltechnologie mit der schnellen Strahlablenkung zur In-situ-Reinigung zu verschweißender Rohteile und geschweißter Bauteile eignet und mittels der elektronenoptischen Beobachtung eine prozessintegrierte Qualitätssicherung der geschweißten Verbindung realisierbar ist. Hierdurch ist es möglich, dass die gefertigten Bauteile mit einem nur geringen nachgelagerten Reinigungsaufwand eine für den Einsatz in der Medizintechnik genügende Sauberkeit und Korrosionsbeständigkeit aufweisen, was durch aussagekräftige Versuche belegt werden konnte.

 

 


Projektziele

  •  Hochfestes Fügen von Nitinol mit nichtrostendem Stahl mittels Mikro-Elektronenstrahlschweißen
  • Nutzung des Elektronenstrahls zur Vor- und Nachreinigung von metallischen Oberflächen
  • Qualifikation des elektronenoptischen Einblicks zur Qualitätssicherung geschweißter Verbindungen
  • Korrosions- und Biokompatibilitätsprüfungen

Download Schlussbericht
 



Laufzeit
01.11.2016 – 28.02.2019

Aif Forschungsvorhaben Nr.
19282 N

Fördermittelgeber
Bundesministerium für Wirtschaft und Energie
Arbeitsgemeinschaft industrieller Fördervereinigungen "Otto von Guericke" e.V.

Forschungsvereinigungen
Forschungsvereinigung Schweißen und verwandte Verfahren e.V. des DVS

Veröffentlichungen

 

Hellberg, S.; Wagner, S.; Martin, D.; Böhm, S. (2018): Micro electron beam welding of the hybrid material combination Nitinol and Stainless Steel without filler material. In: Institute of Electronics at the Bulgarian Academy of Science (Hg.): 13th International Conference on Electron Beam Technologies. Program, Abstracts, Manuscripts. Unter Mitarbeit von G. Mladenov, S. 131–136.

Hellberg, S.; Wagner, S.; Martin, D.; Böhm, S. (2018): Micro Electron Beam Welding of the hybrid material combination Nitinol and stainless steel without filler material. In: J. Phys.: Conf. Ser. 1089, S. 12003. DOI: 10.1088/1742-6596/1089/1/012003.

Hellberg, S.; Wagner, S.; Martin, D.; Böhm, S. (2018): Micro Electron Beam Welding of the hybrid material combination Nitinol and stainless steel without filler material. Presentation at 13th EBT Conference. Institute of Electronics at the Bulgarian Academy of Science. Varna (Bulgaria), 19.06.2018.

Hellberg, Sebastian; Hummel, Joana; Kroos, Philipp; Böhm, Stefan; Niendorf, Thomas (2019): Microstructural and mechanical properties of dissimilar nitinol and stainless steel wire joints produced by micro electron beam welding without filler material. Presentation at IIW Annual Assembly & International Conference. Bratislava, 09.07.2019.

Hellberg, Sebastian; Martin, Dagmar (2019): Mikro-Elektronenstrahlschweißen der Mischverbindungen aus Nitinol und nichtrostenden Stählen ohne Zusatzwerkstoff - MINION. Schlussbericht. IGF-Vorhaben NR. 19.282 N. Hg. v. IGF. Kassel, Reutlingen.

Hellberg, Sebastian; Martin, Dagmar; Hummel, Joana; Böhm, Stefan (2019): Mikro-Elektronenstrahlschweißen der Mischverbindungen aus Nitinol und nichtrostenden Stählen ohne Zusatzwerkstoff. In: Schweißen und Schneiden 79 (12), S. 806–812.

Böhm, Stefan; Hellberg, Sebastian (2019): EB Welding of Ni-Ti and steel wires for UHPC reinforcement. In: International Institute of Welding (IIW) (Hg.): Proceedings of 5th International Electron Beam Welding Conference (IEBW). 5th International Electron Beam Welding Conference. Chicago, IL, 12.-13.11.2019.

Böhm, Stefan; Hellberg, Sebastian (2019): EB Welding of Ni-Ti and steel wires for UHPC reinforcement. Presentation at 5th IEBW Conference. Chicago, 12.11.2019.                                                          

Projektbetreuer
Dipl.-Ing. IWE Sebastian Hellberg

Kooperierende Forschungsstelle
NMI Naturwissenschaftliches und Medizinisches Institut an der Universität Tübingen, Reutlingen

PROJEKTBEGLEITENDER AUSSCHUSS

 

Admedes GmbH

ASG Actuator Solutions GmbH

Bowa-electronic GmbH&Co.KG

Carl Haas GmbH

ENDOSMART GmbH

EPflex Feinwerktechnik GmbH

evobeam GmbH

Focus GmbH

Fraunhofer FEP

G.Rau GmbH & Co.KG

Heraeus Medical Components

IFF GmbH

Karl Storz GmbH & Co. KG

Olympus Winter & Ibe GmbH

pro-beam AG & Co. KGaA

Schölly Fiberoptic GmbH

Steigerwald Strahltechnik GmbH

PTR Strahltechnik GmbH