Alu­mi­ni­um und Titan in der Ortho­pä­die-Tech­nik – Werk­stoff­ei­gen­schaf­ten und Verwendung

J. Welz, J. Becker
Aluminium und Titan sind zwei wichtige Werkstoffe in Orthopädie- und Reha-Technik. Der Beitrag unterzieht die beiden Metalle einem Vergleich und zeigt die unterschiedlichen Eigenschaften und Verwendungsweisen auf. Während das hochfeste Titan eher bei vorgefertigten Bauteilen eingesetzt wird, eignet sich Aluminium auch für die handwerkliche Verarbeitung. In Titan-Aluminium-Legierungen verbinden sich die Vorzüge beider Materialien. Der Artikel basiert auf einer Seminararbeit, die im Rahmen der Meisterausbildung an der BUFA erstellt wurde.

Ein­lei­tung

Die Metal­le Alu­mi­ni­um und Titan sind in vie­len Berei­chen des täg­li­chen Lebens anzu­tref­fen. Auch in der Ortho­pä­die-Tech­nik sind sie ange­sichts ihrer indi­vi­du­el­len Eigen­schaf­ten weit ver­brei­tet. Wäh­rend sich Alu­mi­ni­um beson­ders für eine hand­werk­li­che Ver- und Bear­bei­tung eig­net, ist Titan als hoch­fes­tes Metall eher bei vor­ge­fer­tig­ten Bau­tei­len anzu­tref­fen. Grund­sätz­lich kann ein Ver­gleich der Eigen­schaf­ten bei­der Metal­le nur in Bezug auf die jewei­li­ge Rein­form erfol­gen. Liegt, wie in den meis­ten Fäl­len, eine Legie­rung vor, so wei­chen die Eigen­schaf­ten oft­mals deut­lich vom Rein­me­tall ab. Im Fol­gen­den wer­den Alu­mi­ni­um und Titan als Werk­stof­fe vor­ge­stellt und mit­ein­an­der ver­gli­chen, zunächst jeweils all­ge­mein, sodann bezüg­lich ihrer Ver­wen­dung in Ortho­pä­die- und Reha-Tech­nik. Abschlie­ßend wird auf Titan-Alu­mi­ni­um-Legie­run­gen und ihre Vor­zü­ge eingegangen.

Alu­mi­ni­um als Werkstoff

Auf­bau

Alu­mi­ni­um (Al) ist ein metal­li­scher Fest­stoff mit einer kubisch flä­chen­zen­trier­ten Git­ter­struk­tur (Abb. 1). Mit einer Dich­te von 2,7 g/cm³ gehört es zu den Leicht­me­tal­len. Es kommt am häu­figs­ten von allen Metal­len in der Erd­krus­te vor. Die wich­tigs­te und wirt­schaft­lich inter­es­san­tes­te Alu­mi­ni­um­ver­bin­dung Bau­xit besteht bis zu 60 % aus Alu­mi­ni­um­hy­dro­xid und zu 30 % aus Eisen­oxid sowie aus Siliziumoxid.

Eigen­schaf­ten

Auf­grund sei­ner schnel­len Oxi­da­ti­on an der Luft bil­det Alu­mi­ni­um eine hauch­dün­ne Oxid­schicht, wodurch es eine sehr hohe Kor­ro­si­ons­be­stän­dig­keit besitzt. Die­se Oxid­schicht kann durch elek­tri­sche Oxi­da­ti­on noch ver­stärkt wer­den und wird dann Eloxal­schicht genannt.

Alu­mi­ni­um ist ein rela­tiv wei­ches, gut ver­form­ba­res, zähes Metall. Es ist dehn­bar und lässt sich auch bei nied­ri­ge­ren Tem­pe­ra­tu­ren leicht ver­ar­bei­ten und bei­spiels­wei­se zu hauch­dün­nen Foli­en aus­wal­zen, aber auch gut schmie­den, bie­gen und pres­sen. Es ist zudem gut spa­nend zu bearbeiten.

Rei­nes Alu­mi­ni­um hat eine Zug­fes­tig­keit von ca. 49 MPa; bei Al-Legie­run­gen liegt die­se weit­aus höher: zwi­schen 300 und 700 MPa. Im Bereich des Strom­leit­ver­mö­gens gehört Alu­mi­ni­um zu den mit­tel­gut lei­ten­den Metal­len, aber es ist ein her­vor­ra­gen­der Wär­me- bzw. Käl­te­lei­ter und wird somit ent­spre­chend verwendet.

Her­stel­lung

Die groß­in­dus­tri­el­le Gewin­nung von Alu­mi­ni­um fin­det aus­schließ­lich mit­tels der Al-Ver­bin­dung Bau­xit statt, das zunächst im Mahl­werk zer­klei­nert wird. Im nächs­ten Schritt wird es im Auto­klav mit Natron­lau­ge von den übri­gen Bestand­tei­len gelöst und dann in gro­ßen Rohr­öfen zu Alu­mi­ni­um­oxid gebrannt. Spä­ter im Elek­tro­ly­se­pro­zess wird das Alu­mi­ni­um­oxid ver­flüs­sigt, das rei­ne Alu­mi­ni­um abge­schöpft und in ein­heit­li­che „Blö­cke” gegos­sen. Ins­ge­samt ist die Alu­mi­ni­um­her­stel­lung sehr ener­gie­auf­wen­dig; aus dem Roh­stoff Bau­xit kann ledig­lich ein Vier­tel rei­nes Alu­mi­ni­um gewon­nen wer­den. Aller­dings hat Alu­mi­ni­um aus­ge­zeich­ne­te Recy­cling-Eigen­schaf­ten 1.

Ver­wen­dung in der Orthopädie-Technik

Auch in der Ortho­pä­die-Tech­nik ist Alu­mi­ni­um ein weit ver­brei­te­tes Mate­ri­al. Es besitzt gute Fes­tig­keits­wer­te im Ver­hält­nis zum gerin­gen Gewicht. Des Wei­te­ren lässt es sich leicht ver­ar­bei­ten, da es sich kalt ver­for­men und gut spa­nend bear­bei­ten lässt. Es wird daher in vie­len Gebie­ten inner­halb der Ortho­pä­die-Tech­nik sowie der Reha-Tech­nik ver­wen­det, zum Bei­spiel in der Pro­the­tik bei Knie­ge­len­ken (Abb. 2) und Modu­lar­pas­s­tei­len. In der Orthe­tik wird es z. B. für Gelen­ke, Sys­tem­schie­nen und ande­re Bau­tei­le ver­wen­det. In der Reha-Tech­nik wer­den häu­fig Rah­men­kon­struk­tio­nen für Roll­stüh­le (Abb. 3), Kin­der­the­ra­pie­ge­rä­te oder Geh­stüt­zen aus Alu­mi­ni­um gefer­tigt 2 3 4.

Titan als Werkstoff

Auf­bau

Titan (Ti) ist wie alle Metal­le in einer Git­ter­struk­tur auf­ge­baut, in der sich die Titan­mo­le­kü­le zusam­men­fin­den. Beim Titan ist es bei Raum­tem­pe­ra­tur die soge­nann­te hexa­go­na­le Git­ter­struk­tur (Abb. 4). Ab einer Tem­pe­ra­tur von 882 °C (bei Rein­ti­tan) ver­än­dert sich die Struk­tur zum kubisch raum­zen­trier­ten Git­ter­typ (Abb. 5). Mit die­ser Ände­rung der Git­ter­struk­tur gehen wesent­li­che Ver­än­de­run­gen der Eigen­schaf­ten einher.

Eigen­schaf­ten

Eben­so wie Alu­mi­ni­um zählt Titan zu den uned­len Metal­len und bil­det des­halb eine Oxid­schicht („Pati­na”), wodurch es sehr kor­ro­si­ons­be­stän­dig wird. Zu den all­ge­mei­nen Eigen­schaf­ten des Titans zäh­len eine rela­tiv gerin­ge Dich­te von 4,51 kg/dm³; es ist nicht magne­tisch und besitzt eine hohe Lang­le­big­keit. Es ist dabei bestän­dig gegen­über Salz­was­ser, einer Viel­zahl von Säu­ren und Lau­gen, natür­li­chem Was­ser und indus­tri­el­len Che­mi­ka­li­en. Ein beson­de­rer Vor­teil von Titan ist, dass es hoch bio­kom­pa­ti­bel ist, wor­auf die hohe Nach­fra­ge aus dem Bereich der Medi­zin-Tech­nik basiert. Zu den mecha­ni­schen Eigen­schaf­ten zäh­len sei­ne hohe Fes­tig­keit (Dau­er­fes­tig­keit dyna­misch und sta­tisch) im Ver­hält­nis zum Gewicht und sei­ne Här­te 5.

Her­stel­lung

Als Roh­stof­fe für die Titan­her­stel­lung die­nen in ers­ter Regel Titan­mi­ne­ra­le wie Rutil (TiO2) und Ilme­nit (FeTiO3), wobei Rutil das wert­volls­te Titan­mi­ne­ral ist, da es bis zu 95 % Titan­oxid ent­hält, Ilme­nit maxi­mal 60 %. Abge­baut wer­den die Titan­mi­ne­ra­li­en vor­ran­gig in Aus­tra­li­en, Indi­en, Bra­si­li­en und Nor­we­gen. Aus den Erzen wird das Titan­oxid (TiO2) als Aus­gangs­stoff gewon­nen, indem die Erze zer­klei­nert und gerei­nigt wer­den. Hier­bei wer­den für den spä­te­ren Pro­zess magne­ti­sche von nicht­ma­gne­ti­schen Stof­fen getrennt. Anschlie­ßend wird eine Chlo­rie­rung voll­zo­gen, um letz­te Ver­un­rei­ni­gun­gen durch Destil­la­ti­on zu ent­fer­nen. Im soge­nann­ten Kroll-Ver­fah­ren wird sodann das Chlor vom Titan­te­tra­chlo­rid getrennt. Der so ent­stan­de­ne Titan­schwamm wird zer­klei­nert und anschlie­ßend umge­schmol­zen; hier­bei wer­den auch die Legie­rungs­be­stand­tei­le zuge­ge­ben 6.

Ver­wen­dung in der Orthopädie-Technik

Titan wird in allen Berei­chen der Ortho­pä­die- und Reha-Tech­nik ver­wen­det; häu­fig bestehen jedoch nur ein­zel­ne Bau­tei­le und nicht kom­plet­te Kom­po­nen­ten aus Titan. In der Pro­the­tik wer­den z. B. Pro­the­sen-Knie­ge­len­ke, Modu­lar­pas­s­tei­le, Rohr­ad­ap­ter (Abb. 6), Klein­bau­tei­le wie Liner-Pins und vie­les mehr aus Titan her­ge­stellt. Das Glei­che gilt für die Orthe­tik, wo man z. B. Orthe­sen­ge­len­ke und Sys­tem­schie­nen sowie Ver­bin­dungs­tei­le aus Titan fer­tigt. Auch bei Rah­men­kon­struk­tio­nen für Aktiv­roll­stüh­le (Abb. 7) sowie bei hoch belas­te­ten Bau­tei­len wie Kreuz­ver­bin­dun­gen oder Fuß­bret­tern wird in der Reha-Tech­nik oft auf Titan zurück­ge­grif­fen (Tab. 1) 7 8 9.

Titan-Alu­mi­ni­um-Legie­run­gen

Auf­bau und Eigenschaften

Der Auf­bau von Tit­an­le­gie­run­gen ähnelt dem von Titan als Rein­me­tall; Titan stellt den größ­ten Mas­se­an­teil der Legie­rung. Die Misch­kris­tal­le ent­ste­hen durch Ein­la­ge­rung und Sub­sti­tu­ti­on der Legie­rungs­be­stand­tei­le. Die Legie­rungs­be­stand­tei­le wir­ken sich auf die soge­nann­te α-Pha­se (hexa­go­na­le Struk­tur bis 882° C) und die soge­nann­te ß‑Phase (kubisch raum­zen­trier­te Struk­tur ab 882 °C) aus. So wer­den zum Bei­spiel Eigen­schaf­ten wie Fes­tig­keit, Schmelz­punkt, Kor­ro­si­ons­be­stän­dig­keit und Git­ter­struk­tur verändert.

Die Legie­run­gen kön­nen je nach ihrem Gefü­ge unter­schie­den wer­den. Dabei zeich­nen sich zum Bei­spiel die α-Legie­run­gen durch eine hohe Zug- und Form­än­de­rungs­be­stän­dig­keit bis +500 °C aus. Die Bruch­fes­tig­keit zwi­schen ‑200 und +500 °C ist für vie­le Anwen­dun­gen aus­rei­chend. Die­se Legie­rungs­ty­pen sind nicht wär­me­be­han­del­bar, jedoch bie­ten sie eine gute Oxi­da­ti­ons­be­stän­dig­keit und sind gut schweiß­bar. Durch die Bei­ga­be von Alu­mi­ni­um kann die Fes­tig­keit noch erhöht wer­den. Die ß‑Legierungen besit­zen dage­gen höhe­re Fes­tig­keits­wer­te als die α-Legie­run­gen. Sie sind wär­me­be­stän­dig bis zu +500 °C und bie­ten nach einer Wär­me­be­hand­lung hohe Fes­tig­keits­wer­te. Des Wei­te­ren sind sie gut umform- und schweiß­bar und besit­zen eine hohe Dehnfähigkeit.

Der am häu­figs­ten ver­wen­de­te Legie­rungs­typ ist die soge­nann­te α+ß‑Legierung. Hier­zu gehört die Legie­rung „TiAl6V4″ als meist­ver­wen­de­te Titan-Legie­rung, da sie Eigen­schaf­ten der α+ß‑Pha­sen-Legie­rung besitzt. Beson­ders her­vor­he­ben ist hier­bei die hohe Fes­tig­keit. Die­se Legie­run­gen sind wär­me­be­stän­dig bis +450 °C und wär­me­be­han­del­bar. Vor­teil­haft ist die gute span­lo­se Ver­form­bar­keit, jedoch ist die Schweiß­bar­keit her­ab­ge­setzt 10 11.

Her­stel­lung

Tit­an­le­gie­run­gen wer­den in ähn­li­chen Pro­zes­sen wie das Rein-Titan her­ge­stellt, wobei die Legie­rungs­be­stand­tei­le in ver­schie­de­nen Sta­di­en der Her­stel­lung zum Haupt­be­stand­teil Titan zuge­ge­ben wer­den. Zudem gibt es spe­zi­el­le Nach­be­hand­lungs­ver­fah­ren, um gezielt bestimm­te Eigen­schaf­ten des Mate­ri­als her­vor­zu­he­ben 12.

Ver­wen­dung in der Orthopädie-Technik

In der Ortho­pä­die-Tech­nik wird Titan häu­fig in Form von Tit­an­le­gie­run­gen ein­ge­setzt, da deren Eigen­schaf­ten denen des Rein-Titans über­le­gen sind. Dies gilt ins­be­son­de­re für mecha­nisch belas­te­te Bau­tei­le (Abb. 8). Zum Bei­spiel kann die Ach­se eines Knie­ge­lenks durch eine Tit­an­le­gie­rung weit­aus ver­schleiß­fes­ter und wär­me­sta­bi­ler gestal­tet wer­den. Beson­ders der Gewichts­aspekt gegen­über der Fes­tig­keit spielt hier eine Rol­le. Hier­bei hat wie erwähnt der Legie­rungs­typ „TiAl6V4″ die größ­te Bedeu­tung 13 14 15.

Fazit

Bei der Betrach­tung von Alu­mi­ni­um und Titan ist fest­zu­stel­len, dass sich die bei­den Metal­le nicht ganz ein­fach mit­ein­an­der ver­glei­chen las­sen. Zwar ist ein Ver­gleich der Rein­for­men in Bezug auf tech­ni­sche Kenn­da­ten und Eigen­schaf­ten mög­lich; die­ser ist jedoch in der Regel nicht aus­sa­ge­kräf­tig bezo­gen auf den Anwen­dungs­be­reich der Ortho­pä­die-Tech­nik, da hier meist Legie­run­gen ange­wen­det wer­den. Ange­sichts der ver­schie­de­nen Legie­run­gen und deren spe­zi­el­len Eigen­schaf­ten gibt es eine Viel­zahl von Ver­wen­dungs­ge­bie­ten, auf denen sich das eine oder das ande­re Metall durch­ge­setzt hat. Man kann jedoch fest­stel­len, dass in Ortho­pä­die- und Reha-Tech­nik Alu­mi­ni­um und Al-Legie­run­gen häu­fi­ger anzu­tref­fen sind als Titan. Titan und Ti-Legie­run­gen sind vor allem in Berei­chen eta­bliert, wo Höchst­leis­tun­gen gefor­dert werden.

Die Autoren:
Dipl.-Ing. (FH) OTM Julia Welz
Berufs­för­de­rungs­werk Hamm GmbH
Cal­den­ho­fer Weg 225
59063 Hamm
Julia.Welz@bfw-hamm.de

OTM Jan Becker
Bun­des­fach­schu­le für Orthopädie-Technik
Schliep­stra­ße 6–8
44135 Dort­mund

Begut­ach­te­ter Artikel/reviewed paper

Zita­ti­on
Welz J, Becker J. Alu­mi­ni­um und Titan in der Ortho­pä­die-Tech­nik – Werk­stoff­ei­gen­schaf­ten und Ver­wen­dung. Ortho­pä­die Tech­nik, 2014; 65 (1): 26–29
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