Um glatte Instrumentenoberflächen zu erhalten haben Forscherinnen und Forscher im Projekt Clean Tools ein Rotationsreibschweißverfahren entwickelt und an einem so genannten Markraumbohrer erprobt. Bei diesem medizinischen Instrument ist ein Schaft aus einer flexiblen Formgedächtnislegierung mit einem Bohrkopf aus Edelstahl über eine Zwischenschicht verschweißt. Die funktionale Kombination aus elastischem Schaft und festem Bohrer ermöglicht es, das Werkzeug entlang eines gekrümmten Knochens zu führen. Bei heute genutzten Markraumbohrern verbindet ein Doppelgewinde einen flexiblen Schaft mechanisch mit einem harten, unflexiblen Bohrer. Oder es wird zur Realisierung von Schaft und Bohrer aus demselben Material ein spiralförmiger Schaft eingesetzt. In beiden Fällen entstehen Zwischenräume und Spalten auf der Instrumentenoberfläche, in denen sich beim Bohrprozess Knochen- und Gewebereste ansammeln. Die unzugänglichen Zwischenräume können nur sehr schwer sterilisiert werden – es kann somit zu Kreuzinfektionen kommen. "Aber nun gibt es Abhilfe: Die im Projekt entwickelte spezielle Rotationsreibschweißverbindung schafft eine glatte Oberfläche", erklärt Dr. Dirk Helm, Gruppenleiter am Fraunhofer IWM. "Das spezielle Schweißverfahren und die Zwischenschicht machen es nun möglich, die normalerweise nicht miteinander verschweißbaren Materialien von Schaft und Bohrkopf zu kombinieren."
In dem EU-geförderten Gemeinschaftsprojekt Clean Tools haben die Forscherinnen und Forscher des Fraunhofer IWM mit TWI Ltd, der Universiteit Twente und mit den Industriepartnern Corin Ltd, Fricweld AB, Technosprings Italia und SIMEX Medizintechnik GmbH zusammengearbeitet.
Reibschweißen mit drei Materialien
Die Schwierigkeit der Rotationsreibschweiß-Verbindung besteht darin, dass die sehr verschiedenen Materialien beim Schweißen zur Bildung von Sprödteilchen neigen. Um die Stabilität der Schweißnaht zu gewährleisten, kam daher eine spezielle Zwischenschicht zum Einsatz. Die Zwischenschicht muss hohe Anforderungen bezüglich Biokompatibilität und mechanischen Eigenschaften erfüllen, die sich zudem durch den Rotationsreibschweißprozess verändern können. Daher haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am Fraunhofer IWM, nachdem sie gezielt die geeignetsten Materialien ausgewählt hatten, einerseits die einzelnen Materialien der Verbindung und andererseits den gesamten Materialverbund mit experimentellen Methoden und Simulationen bewertet. Damit konnten sie das Materialsystem für die Praxis qualifizieren. Darüber hinaus haben die Projektteilnehmer die Parameter zum Rotationsreibschweißen entwickelt, um solche dreifachen Verbindungen fertigen zu können und einen Markraumbohrer hergestellt, der sich derzeit im Probeeinsatz befindet.
