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

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

1. Fischer U (Hrsg.). Fach­kun­de Metall, 56. Auf­la­ge. Haan-Grui­ten: Ver­lag Euro­pa-Lehr­mit­tel, 2010
2. Ross­mann T, Tro­pea C (Hrsg.). Bio­nik. Aktu­el­le For­schungs­er­geb­nis­se in Natur‑, Inge­nieur- und Geis­tes­wis­sen­schaft. 1. Auf­la­ge. Ber­lin, Hei­del­berg, New York: Sprin­ger, 2005
3. Fir­ma Otto Bock, Her­stel­ler­infor­ma­tio­nen Pro­dukt­ka­ta­log 2013
4. Fir­ma Strei­fen­e­der, Her­stel­ler­infor­ma­tio­nen Pro­dukt­ka­ta­log 2013
5. Kal­vi­us MG. Phy­sik, Bd. IV: Phy­sik der Ato­me, Mole­kü­le und Ker­ne, Wär­me­sta­tis­tik. 5. Auf­la­ge. Mün­chen, Wien: Olden­bourg, 1999
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7. Ross­mann T, Tro­pea C (Hrsg.). Bio­nik. Aktu­el­le For­schungs­er­geb­nis­se in Natur‑, Inge­nieur- und Geis­tes­wis­sen­schaft. 1. Auf­la­ge. Ber­lin, Hei­del­berg, New York: Sprin­ger, 2005
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14. Fir­ma Otto Bock, Her­stel­ler­infor­ma­tio­nen Pro­dukt­ka­ta­log 2013
15. Fir­ma Strei­fen­e­der, Her­stel­ler­infor­ma­tio­nen Pro­dukt­ka­ta­log 2013