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Intelligentes Material erinnert sich jetzt noch besser – auch in Serie

| Autor/ Redakteur: / Peter Reinhardt

In der Medizintechnik sind Formgedächtnislegierungen (FGL) aus Nitinol längst etabliert. Die aus Nickel und Titan bestehenden Legierungen werden seit vielen Jahren in Stents, Führungsdrähten oder Wurzelkanalfeilen eingesetzt. Die Branche bekommt nun innovativen Zuwachs aus Bochum.

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Formgedächtnislegierungen (engl.: Shape Memory Alloys) sind metallische Werkstoffe, die sich nach einer scheinbar plastischen Verformung wieder an ihre Ursprungsgestalt zurückerinnern können.
Formgedächtnislegierungen (engl.: Shape Memory Alloys) sind metallische Werkstoffe, die sich nach einer scheinbar plastischen Verformung wieder an ihre Ursprungsgestalt zurückerinnern können.
(Bild: Ingpuls)
  • Kundenspezifische Legierungen und Komponenten aus Formgedächtnislegierungen (FGL)
  • FGL leistungsfähiger machen und Materialien präziser und besser reproduzierbar herstellen
  • Pseudoplastisches Verhalten – große Verformungen bewerkstelligen, die bei Erwärmung nahezu vollständig reversibel aufgehoben werden

Ingpuls aus Bochum entwickelt und produziert mit inzwischen 60 Mitarbeitern kundenspezifische Legierungen und Komponenten aus Formgedächtnislegierungen (FGL). FGL sind metallische Werkstoffe, die sich nach einer scheinbar plastischen Verformung durch Erwärmung wieder an ihre Ursprungsgestalt „zurückerinnern“ können, sobald sich die Temperatur entsprechend ändert. Je nach Legierungszusammensetzung, Umgebungstemperatur und Beanspruchungszustand können unterschiedliche Effekte auftreten, die für technische Systeme auf unterschiedliche Weise intelligent genutzt werden können.

Produktionsprozesse aus Automobilindustrie und Raumfahrt für die Medizintechnik adaptieren

Dem Innovator aus Bochum ist es gelungen, FGL leistungsfähiger zu machen und Materialien präziser und besser reproduzierbar herzustellen. Erreicht wurde dies mit Know-how aus der Werkstoff-Talentschmiede Ruhr-Universität Bochum in Kombination mit neu gedachten Produktionsprozessen und Fertigungstechnologien, die das Unternehmen ursprünglich für die Automobilindustrie oder Raumfahrt implementiert hatte.

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Schon bei der Ausgründung als Spin-Off des Instituts für Werkstoffe waren sich die Gründer darüber bewusst, dass es nur eine Frage der Zeit sein würde, ehe sich auch der Medizintechnikmarkt für ihre Lösungskompetenz interessiert. Zunächst aber konzentrierte sich das Unternehmen auf Nicht-Medizin-Anwendungen. So werden heute durch NiTi-Elemente aus Bochum bereits Millionen von Auto-Motoren durch Thermostatventile auf Temperatur gehalten: „Unsere Kunden und die dahinter liegenden OEM schätzen insbesondere, dass wir die technischen, vor allem aber die qualitativen Anforderungen genau abbilden können und so individualisierte Funktionsmaterialien bereitstellen können“, so Dr. Christian Großmann, Mitgründer und Geschäftsführer.

Das bekannte Nitinol verfügt bei einer speziellen Zusammensetzung bei Körpertemperatur über superelastische Eigenschaften. Beim Stent beispielsweise werden die Materialeigenschaften von Metall mit gummiartiger Verformbarkeit kombiniert. Diese Legierungen sind aber nur auf den Bereich der Körpertemperatur abgestimmt und funktionieren in anderen Bereichen nicht ohne Weiteres. Manchmal sind aber auch ganz andere Eigenschaften von FGL erwünscht. Das so genannte pseudoplastische Verhalten erlaubt es z.B. große Verformungen zu bewerkstelligen, die dann bei Erwärmung nahezu vollständig reversibel aufgehoben werden. Das Material erinnert sich an seine vorherige Form und kann als Antriebskonzept oder Aktuator eingesetzt werden. Hunderte Male, Millionen Male, je nach Anforderung, Auslegung und Design.

FGL machen komplexe Baugruppen wieder übersichtlicher

Dieses Verhalten ist insbesondere bei wiederverwendbaren medizinischen Instrumenten interessant, wenn diese während ihres Einsatzes flexibel sein sollen, um das Gewebe zu schonen. Ein aktueller Einsatzbereich sind adaptive Wurzelkanalfeilen, wie sie bereits seit längerer Zeit im Markt erhältlich sind. Während die Feilen sich bei der Wurzelbehandlung patientenschonend an den Wurzelkanal anpassen, stellen sie sich bei anschließender Sterilisierung und Hitzeeinwirkung in ihren Ausgangszustand zurück. Eine ungewollte Aufweitung des Wurzelkanals durch permanente Kraft gegen die Wurzelkanalinnenseite wird auf diese Weise vermieden. Das schont die Gesundheit, reduziert die Behandlungszeit und -kosten und ist natürlich auch für den Patienten viel angenehmer. Das Material kann aber auch durch gezielte elektrische Stromimpulse erwärmt und damit aktiviert werden. Minimalinvasive Instrumente und Apparaturen wie adaptive Katheter, Mikrogreifer oder lösbare Fixiermechanismen sind auf diese Weise umsetzbar.

Anfragen kommen auch von Orthesenherstellern. Und auch aus dem Prothesen- und Implantatbereich häuft sich das Interesse: Hier kann die Formgedächtnistechnik viel schonendere OPs ermöglichen, da sich Implantate oder Prothesen erst nach dem Einsatz in ihre Zielform begeben. Daneben ermöglichen die ebenfalls angebotenen pulvermetallurgischen Lösungen (3D-Druck) für jeden Kunden individuell angefertigte Lösungen, gerade im Bereich der Dentaltechnik. Ein Trend, der sich langsam abzeichnet.

Der komplexe Werkstoff muss ganzheitlich betrachtet werden

Der Grund, warum derartige Optionen bisher kaum existieren: Für das pseudoplastische Verhalten, oft als Stellmechanismus eingesetzt, muss das Material gänzlich anders ausgelegt und hergestellt werden. Dazu sind nicht nur neue Legierungen und angepasste Herstellungsprozesse erforderlich. In der aktuell fragmentierten Nitinol-Wertschöpfungskette fehlt es nachweislich an einem Integrator, der dem Medizinmarkt auch abseits der bekannten Legierung alles aus einer Hand bieten kann: von der Auslegungskompetenz über die Legierungsdefinition bis zur Bauteilproduktion. Das Erfordernis, den Werkstoff FGL ganzheitlich zu betrachten, ist insbesondere seiner hohen Komplexität geschuldet. „Der Durchbruch in der Industrie hat genau aus diesen Gründen so lange auf sich warten lassen, weil es für den Anwender schlichtweg unmöglich ist, die FGL-Komplexität zu seinen eigenen Themen noch zusätzlich zu beherrschen. Unsere internen Werkstoffanalysen haben gezeigt, dass wir im Benchmark Materialreinheit und -performance im Medizinmarkt ganz vorne dabei sind. Weil wir technisch bereit sind, öffnen wir uns jetzt“, so Dr. Christian Großmann.

Die Früchte der langjährigen Grundlagenarbeit zeigen nun Wirkung: Aufgrund immer umfangreicherer und komplexerer Anfragen hat Ingpuls die Anzahl seiner Mitarbeiter allein im letzten Jahr planmäßig verdoppelt. Ein Ende des Wachstums ist vorerst nicht in Sicht. Kürzlich gewann das Unternehmen den Preis des Bundesverbands Deutscher Mittelstand als „Innovator des Jahres“ (bis 50 Mitarbeiter). Hier wurde weniger die Kompetenz im Bereich FGL betont, sondern insbesondere die Innovationskraft hervorgehoben, die auf soliden und fundierten Prozessen des Unternehmens beruhe. Das Wachstum spiegelt sich auch in Zahlen wider. Bis 2021 ist die Vervierfachung der Produktionsflächen auf 5.000 m2 geplant, um den Auftragsbüchern und den mittelfristigen Anforderungen der branchenspezifischen Gesellschaften Rechnung zu tragen. So entsteht nun der gesonderte medizintechnische Unternehmensbereich.

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