Entwicklung der Ziehparameter und Herstellung resorbierbarer Nahtmaterialien auf Magnesiumsbasis
Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Am Anfang des Projekts stand die Entwicklung eines Strangpresswerkzeuges, welches den Anforderungen beim Strangpressen von Drähten mit einem Durchmesser von < 1 mm im Hinblick auf Umformgrad und Materialfluss entsprach. Dieses Vorhaben konnte mit der Patentierung einer Matrize abgeschlossen werden, die zur Herstellung von möglichst dünnen Drahtvormaterialien eingesetzt werden konnte, wodurch zeitaufwendige Ziehschritte eingespart werden können. In einer Parameterstudie konnten die geeigneten Zieh- und Pressparameter festgestellt werden, um aus den Legierungen ZEK100, AL36, AX30 und MgCa0,8 Drähte zu erzeugen. In der anschließenden metallographischen Bestimmung der mittleren Korngröße zeigte sich, dass sich die Korngröße des Gussbolzens durch das Strangpressen auf einen Durchmesser von 0,5 mm und einem Umformverhältnis von 16 bereits deutlich verringert. Bei den folgenden Ziehschritten konnten die Korngrößen weiter verringert werden. Dies ist allerdings nur bis zu der Durchmesserverringerung auf 0,144 mm möglich. Somit kann das gewünschte Gefüge nicht ausschließlich durch die Ziehprozesse eingestellt werden. Dies begründet sich in den Wärmebehandlungen, die notwendig sind, um die erforderliche Verformbarkeit des Drahtes nach den Ziehschritten zu gewährleisten, aber auch zu einer Kornvergröberung führen. Die Analyse der mechanischen Eigenschaften der Drähte zeigt einen Anstieg der Zugfestigkeit auf von 265 MPa auf 530 MPa und eine Abnahme der Bruchdehnung von 12 % auf 6 % für die Legierung ZEK100 bei der Verringerung des Durchmessers von 0,5 mm auf 0,144 mm. Die mechanischen Kennwerte der Legierungen MgCa0,8 und AL36 bleiben dagegen relativ konstant über dem veränderten Durchmesser. Alle Legierungen zeigen einen deutlichen Unterschied der mechanischen Kennwerte zwischen den monofilen und den polyfilen Drähten. Die Zugfestigkeiten der monofilen Drähte sind etwa dreimal so groß wie die der polyfilen Drähte. Generell weisen die polyfilen Drähte eine höhere Bruchdehnung auf. Bei den polyfilen Drähten ist zusätzlich zu beobachten, dass die einzelnen Drähte nacheinander reißen. Die Ermittlung minimaler Biegeradien zeigte, dass Einzeldrähte aus MgCa0,8 und ZEK100 im ungeglühten Zustand bei Kaltumformungen brachen während sowohl polyfile Drahtsegmente als auch geglühte (270°C/16 h) Drähte aus ZEK100 der Umformung standhielten. Durch den Einsatz von Wärmebehandlungen und polyfilen Drähten kann das Biegeverhalten somit verbessert werden. Durch die Verwendung von MgF2 und Bioglas-Beschichtungen konnte das Auftreten von Lochfraß minimiert und eine verminderte und homogenere Korrosion erzielt werden. Die Beschichtungen verfügen allerdings über äußerst spröde Eigenschaften und platzen in der Umformzone ab. Abschließend erfolgte eine Korrosionsuntersuchung in körperähnlicher Ersatzflüssigkeit an monofilen und polyfilen Drähten unterschiedlicher Durchmesser. Teilweise wurden diese mit definierten Biegeradien versehen, um den Einfluss von Kaltverformung auf den Korrosionsprozess zu untersuchen. Dabei konnte ein magnesiumtypisches Korrosionsverhalten mit Bildung einer unregelmäßigen Oxidschicht auf der Oberfläche sowie Lochfraß beobachtet werden. Die pH-Wertevergleiche und die lichtmikroskopischen Aufnahmen der Proben mit und ohne Biegeradius zeigen, dass es durch die Kaltverformung nicht zu einer verstärkten Korrosion kommt. Ähnliches konnte für den Einfluss der Kaltverformung während des Verseilprozesses beobachtet werden. Die Korrosion verläuft somit bei den verseilten Drähte nicht schneller als beim Einzeldraht. Allerdings konnte festgestellt werden, dass in den Grenzverläufen zwischen den Drähten vermehrt Korrosion auftritt und sich auch Lochfraß ausbildet. Seitz, J.-M.; Bach, F.-W.: Schwer auf Draht: Selbstauflösende Magnesiumdrähte in der Biomedizintechnik, Unimagazin; Nr. 1, S. 48–50, Leibniz Universität Hannover, 2010
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Strangpress-Matrize und Verfahren zum Strangpressen von Magnesiumwerkstoffen. Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover. Reg.No. DE102010006387.8, Germany
Seitz, J.-M.; Freytag, P.; Bach, F.-W.
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Numeryczne modelowanie procesów wyciskania oraz cišgnienia cienkich drutów ze stopów magnezu do zastosowania w chirurgii. Polska metalurgia w latach 2006-2010, konferencja sprawozdawcza Komitetu Metalurgii, S. 650-655, 2010
Milenin, A.; Kustra, P.; Packo, M.; Seitz, J.-M.; Bach, F.-W.; Bormann, D.
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The Manufacture of Resorbable Suture Material from Magnesium, Advanced Engineering Materials Vol. 12, Nr. 11, S. 1099-1105, 2010
Seitz, J.-M.; Wulf, E., Freytag, P., Bormann, D., Bach, F.-W.
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Development and Validation of a Mathematical Model of Warm Drawing Process of Magnesium Alloys in Heated Dies, 2011 Conference proceedings of the Wire Association International Inc., InterWire2011, Atlanta, Georgia, USA 2011
Milenin, A., Kustra, P., Seitz, J.-M., Bach, F.-W., Bormann, D.
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The Manufacture of Resorbable Suture Material from Magnesium – Drawing and Stranding of Thin Wires, Advanced Engineering Materials 13, S. 1087-1095, 2011
Seitz, J.-M.; Utermöhlen, D.; Wulf, E.; Klose, C.; Bach, F.-W.
