SB_21601NLP

2022
Abschlussbericht
DVS-Forschung
Artfremdes Mikro-
Strahlschweißen von Titan
mit Nitinol und nichtrostenden
Stählen zur
Herstellung eines -
Materialverbunds unter
Verwendung von
Zusatzwerkstoffen

Artfremdes Mikro-
Strahlschweißen von Titan mit
Nitinol und nichtrostenden
Stählen zur Herstellung eines
biokompatiblen
Materialverbunds unter
Verwendung von
Zusatzwerkstoffen
Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben
IGF-Nr.: 21.601 N
DVS-Nr.: 10.3395
Universität Kassel Institut für
Produktionstechnik und Logistik
Fachgebiet Trennende und Fügende
Fertigungsverfahren
NMI Naturwissenschaftliches und
Medizinisches Institut an der
Universität Tübingen
Förderhinweis:
Das IGF-Vorhaben Nr.: 21.601 N / DVS-Nr.: 10.3395 der Forschungsvereinigung Schweißen
und verwandte Verfahren e.V. des DVS, Aachener Str. 172, 40223 Düsseldorf, wurde über die
AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF)
vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des
Deutschen Bundestages gefördert.

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Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen
Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind online abrufbar
unter: http://dnb.dnb.de
© 2022 DVS Media GmbH, Düsseldorf
DVS Forschung Band 572
Bestell-Nr.: 170682
ISBN: 978-3-96870-572-9
Kontakt:
Forschungsvereinigung Schweißen
und verwandte Verfahren e.V. des DVS
T +49 211 1591-0
F +49 211 1591-200
forschung@dvs-hg.de
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Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen nicht gestattet.

Inhaltsverzeichnis 5
Inhaltsverzeichnis
Förderhinweis und Danksagung .............................................................................. 1
Angaben zu den Forschungseinrichtungen ............................................................. 2
Kurzzusammenfassung ........................................................................................... 3
Inhaltsverzeichnis .................................................................................................... 5
1. Einleitung und Motivation ................................................................................. 8
2. Stand der Wissenschaft und Technik ............................................................. 11
2.1. Herausforderungen beim artfremden Schmelzschweißen von Titan mit
nichtrostenden Stählen und NiTi ........................................................................... 11
2.2. Bisherige Studien zum artfremden Strahlschweißen von Titan mit
nichtrostenden Stählen und NiTi ........................................................................... 12
3. Methodische Vorgehensweise ....................................................................... 16
3.1. Forschungsziel und Arbeitshypothesen ...................................................... 16
3.2. Projektstruktur ............................................................................................ 18
4. Versuchsdurchführung ................................................................................... 26
4.1. Versuchswerkstoffe und Probengeometrien ............................................... 26
4.2. Probenpräparation ...................................................................................... 27
4.3. Schweißprozesse und Probeneinspannung ............................................... 29
4.4. Metallographische Analysen....................................................................... 33
4.5. Mechanische Analysen .............................................................................. 34
5. Erzielte Projektergebnisse ............................................................................. 37
5.1. Schweißversuche der Mischverbindungen Ti / nichtr. Stahl & Ti / NiTi ohne
Anwendung von Zusatzwerkstoffen ....................................................................... 37
5.1.1. Blechgeometrie im Stumpfstoß (Mikro-EB)............................................. 37
5.1.2. Blechgeometrie im Überlappstoß (Mikro-EB).......................................... 50

6
5.1.3. Blechgeometrie im Stumpfstoß (Pulslaser)............................................. 53
5.1.4. Blechgeometrie im Überlappstoß (Pulslaser).......................................... 61
5.1.5. Drahtgeometrie ø0,2 mm (Mikro-EB & Pulslaser) ................................... 62
5.2. Schweißversuche der Mischverbindungen Ti / nichtr. Stahl und Ti / Nitinol mit
Applikation einer biokompatiblen Pufferlage ......................................................... 66
5.2.1. Blechgeometrie im Stumpfstoß (Mikro-EB)............................................. 67
5.2.2. Blechgeometrie im Stumpfstoß (Pulslaser)............................................. 82
5.2.3. Blechgeometrie im Überlappstoß (Mikro-EB & Pulslaser) ...................... 92
5.2.4. Übertragung der Projektergebnisse auf cw-Lasersystem ....................... 94
5.2.5. Drahtgeometrie ø0,5 mm (Mikro-EB & Pulslaser) ................................... 96
5.2.6. Drei-Punkt-Biegeversuche finaler Material- und Parameterkombinationen
100
5.2.7. Kurzzeit-zyklische Versuche finaler Material- und Parameterkombinationen
104
5.3. Versuchsdurchführung Biokompatibilitätsanalysen finaler Material- und
Parameterkombinationen .................................................................................... 108
5.3.1. Oberflächenchemische Untersuchungen,
Röntgenphotoelektronenspektroskopie XPS ....................................................... 108
5.3.2. Immersionstests, Test zur Nickelfreisetzung......................................... 109
5.3.3. Ergebnisse aus den Biokompatibilitätsanalysen finaler Material- und
Parameterkombinationen .................................................................................... 111
5.3.4. Diskussion der Oberflächenchemische Untersuchungen ..................... 125
5.3.5. Ergebnisse der Immersionstests ........................................................... 127
5.3.6. Diskussion der Immersionstests ........................................................... 129
5.4. Übertragung der Projektergebnisse auf industrielle Fertigungsmuster ..... 130
5.5. Abgeleitete Methode zur Schweißnahtcharakterisierung in der
Medizintechnik ..................................................................................................... 137

7
6. Gegenüberstellung der Zielsetzung mit den Ergebnissen ............................ 146
Angaben über gewerbliche Schutzrechte ............................................................ 152
Angaben zu den aus der Zuwendung finanzierten Ausgaben ............................. 153
Wissenschaftlich-technischer sowie wirtschaftlicher Nutzen für kleine und
mittelständische Unternehmen ............................................................................ 156
Veröffentlichungen und Ergebnistransfer in die Wirtschaft .................................. 158
Einschätzung zur Realisierbarkeit des Transferkonzepts .................................... 163
Abbildungsverzeichnis ......................................................................................... 165
Tabellenverzeichnis ............................................................................................. 173
Literaturverzeichnis ............................................................................................. 175

Einleitung und Motivation 8
1. Einleitung und Motivation
Metallische Werkstoffe sind essentielle Bestandteile der Medizintechnik und finden
umfangreiche Anwendung in verschiedensten Instrumenten, Werkzeugen und Implantaten.
Aufgrund exzellenter mechanischer Eigenschaften, einer häufig gegebenen Korrosionsbeständigkeit
sowie der Sichtbarkeit auf Röntgen- und Computertomographie-
Aufnahmen werden sie auch in Zukunft nicht durch polymere oder keramische Werkstoffe
ersetzt werden können.
Titanlegierungen, Nickel-Titan-Formgedächtnislegierungen (kurz: NiTi) sowie nichtrostende
Stähle zeichnen sich unter anderem durch ihre hervorragende Korrosions- und
Medienbeständigkeit aus und zählen deshalb zu den am häufigsten genutzten Metallen
in der Medizintechnik [1, 2]. Aufgrund der spezifischen Materialeigenschaften ist
es aus funktionellen, fertigungstechnischen sowie aus wirtschaftlichen Gründen gewünscht,
artfremde Verbindungen aus diesen Werkstoffen herzustellen und somit deren
Vorteile in gradierten Bauteilen zu vereinen. Eine beispielshafte Anwendung aus
dem Bereich der Medizintechnik sind Stapesprothesen, welche als Mittelohrimplantate
eingesetzt werden, siehe Abbildung 1.
Abbildung 1: Stapesprothesen der Firma Heinz Kurz GmbH [3]

9
Das Ankopplungselement dieser Prothesen besteht aus superelastischem NiTi, wohingegen
der Schaft fertigungsbedingt aus reinem Titan hergestellt wird. Im Übergangsbereich
ist demnach eine geeignete Verbindungstechnologie erforderlich, welche
den hohen Anforderungen medizintechnischer Bauteile gerecht wird. Um diese
und vergleichbare Verbindungen in entsprechenden Bauteilen zu realisieren, ist insbesondere
das stoffschlüssige Schmelzschweißen funktionell vorteilhaft, da gegenüber
anderen Fügemethoden die größten geometrischen Freiheiten vorliegen und vollständig
spaltfreie Verbindungen erzeugt werden können. Insbesondere die feinfokussierbaren
Strahlschweißprozesse sind aufgrund ihrer hohen Prozessgenauigkeit und
Reproduzierbarkeit sowie durch die Möglichkeit sehr kleine Schmelzbäder mit minimalem
Wärmeeintrag zu realisieren, für das Fügen der kleinen und häufig sehr komplexen
medizintechnischen Bauteile prädestiniert [4].
Während artgleiche (Strahl-)Schweißverbindungen bei Titanlegierungen, nichtrostenden
Stählen und auch bei NiTi zum Stand der Technik gehören, bereitet jedoch das
artfremde Schmelzschweißen dieser Werkstoffe erhebliche Probleme. Dies beruht vorwiegend
auf der Entstehung von sehr spröden intermetallischen Phasen, welche sowohl
die Schweißeignung als auch die mechanische Belastbarkeit der Mischverbindung
maßgeblich beeinträchtigen [5, 6].
Die bisherigen Lösungsansätze, welche diese Problematik umgehen, weisen jeweils
individuelle Probleme oder Nachteile auf, welche insbesondere eine Umsetzung in der
Medizintechnik verhindern. Form- und kraftschlüssige Fügeverfahren, klebtechnisches
Fügen aber auch pressgeschweißte Verbindungen sind unter anderem durch die gegebenen
Geometrieeinschränkungen für die häufig sehr kleinen und komplexen medizintechnischen
Bauteile ungeeignet. Auch das Löten ist in der Medizintechnik stark
limitiert, da die meisten Lotwerkstoffe toxische Bestandteile aufweisen und potentiell
gefährdende Flussmittel notwendig sind. Eine vergleichbare Gefährdung gilt auch bei
Anwendung von Zusatzwerkstoffen wie beispielsweise Kupfer, Nickel oder Vanadium,
welche in bisherigen Forschungsstudien zum Strahlschweißen der Mischverbindungen
betrachtet wurden [7–9].
Aus dem aktuellen Stand der Technik lässt sich demnach die Problemstellung ableiten,
dass es derzeit keine Fügemethode gibt, welche die Mischverbindungen Titan / NiTi

10
und Titan / nichtrostende Stähle mit zufriedenstellenden mechanischen und biokompatiblen
Eigenschaften herstellen kann. Hier setzt das Forschungsvorhaben „MeTi-
Weld“ an und untersucht das Mikro-Strahlschweißen der benannten Mischverbindungen
unter Applikation der biokompatiblen Zusatzwerkstoffe Niob, Tantal und Hafnium.

Stand der Wissenschaft und Technik 11
2. Stand der Wissenschaft und Technik
2.1. Herausforderungen beim artfremden Schmelzschweißen
von Titan mit nichtrostenden Stählen und NiTi
Die Hauptproblematik bei der schmelzschweißtechnischen Herstellung der Mischverbindungen
Titan / nichtr. Stahl und Titan / NiTi resultiert aus der chemischen Inkompatibilität
der Legierungselemente. Wie anhand der Phasendiagramme zwischen Titan
und Eisen, dem Hauptbestandteil des nichtr. Stahls, sowie zwischen Titan und Nickel
ersichtlich wird, sind beide benannten Werkstoffkombinationen durch eine geringe
Löslichkeit im festen Zustand sowie durch die Bildung intermetallischer Phasen, unter
anderem Fe2Ti & FeTi, respektive Ti2Ni & TiNi3 charakterisiert [6, 10, 11]. Diese intermetallischen
Phasen sind aufgrund ihrer hohen Härte durch ein sprödes, keramikartiges
Verhalten charakterisiert und schränken bei ausgeprägter Verteilung im Schweißgut
sowohl die Schweißeignung als auch die mechanischen Eigenschaften substantiell
ein.
Neben der chemischen Kompatibilität existieren beim artfremden Schmelzschweißen
weitere Herausforderungen, welche eine defektfreie Verbindungsbildung erschweren.
Unter anderem können Abweichungen bei den thermophysikalischen Eigenschaften
der Materialien, wie beispielsweise der Schmelztemperatur, der Wärmeausdehnung
oder der Wärmeleitfähigkeit zu ausgeprägten Spannungszuständen beim Abkühlen
führen. Darüber hinaus besteht bei Mischverbindungen häufig eine hohe Gefahr der
Heißrissbildung, welche auf die Bildung niedrigschmelzender Phasen (Eutektika) zurückzuführen
sind [12].
Zwar existieren diverse Verbindungsmethoden, welche die oben genannten Probleme
umgehen können, jedoch weisen diese wiederum speziell für die Medizintechnik individuelle
Nachteile auf. Beispielsweise durch Kleben, Löten, mechanisches Verbinden
und auch durch Pressschweißen lässt sich ein Aufschmelzen der Grundwerkstoffe und