Offenzellige Metallschäume

Ein wichtiges klinisches Problem ist der Ersatz von großen Knochendefekten in der Unfallchirurgie, in der Krebstherapie oder in der Behandlung osteoporotischer Brüche. Typischerweise werden derartige Defekte heutzutage durch körpereigene Knochen oder durch massives Knochenersatzmaterial ersetzt. Ersteres erfordert zusätzlich risikobehaftete und schmerzhafte Eingriffe, letztere sind aufgrund ihrer hohen Steifigkeit unvorteilhaft. Diese Implantate übertreffen die Steifigkeit des umgebenden Knochens weit und übernehmen an dieser Stelle die Last, die auf den betreffenden Körperteil wirkt. Da der Knochenaufbau der Lastverteilung folgt, ist die Knochenneubildung in diesem Bereich gestört.

Zellulare Metallische Werkstoffe besitzen aufgrund ihrer porösen Struktur eine stark verringerte Steifigkeit. Dieser Wert liegt typischerweise im Bereich der Steifigkeit eines spongiösen Knochens. Zellulare Metalle erlauben zudem das Einwachsen von Knochenzellen und von Blutgefäßen, die für das Knochenwachstum notwendig sind.

Als Dauerimplantat werden zellulare metallische Werkstoffe aus einer Titanlegierung gefertigt. Dies ist vor allem begründet in der außerordentlich guten Biokompatibilität, gepaart mit einer exzellenten Korrosionsbeständigkeit. Für den Einsatz als Knochenersatz spricht darüber hinaus insbesondere die gute Osteokonduktivität von Titan. Titan und seine Legierung Ti6Al4V genießen aus diesen Gründen die höchste Marktakzeptanz unter den metallischen Ersatzmaterialien.

Ein anderes Konzept wird mit der Entwicklung biodegradabler Werkstoffe verfolgt. Ein ideales Implantat übernimmt hier zu Beginn der Heilung zunächst die volle Stabilisierung. Bei zunehmender Knochenregeneration wird durch die Resorption des Implantatmaterials eine vermehrte Lastübertragung auf den Knochen eingeleitet. In diesem Idealfall wird durch fortschreitende Osteointegration einerseits und Zersetzung des Implantats andererseits jederzeit eine optimale Anpassung an den jeweiligen Festigkeitszustand erreicht. Am Fraunhofer IFAM werden zellulare Metalle auf der Basis von biodegradierbarem Magnesium entwickelt.

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Offenzellige Metallschäume aus korrosionsfesten Stählen wie z. B. FeCrAl-Legierungen sind für die Katalyse aufgrund ihrer hohen inneren Oberfläche und ihrer hohen Festigkeit interessant. Im Vergleich zu herkömmlichen Schüttgutkatalysatoren kann eine Materialersparnis von bis zu 30 % und eine um bis zu 90 % erhöhte Haltbarkeit erreicht werden. Als Katalysator-Träger können offenzellige Stahlschäume konventionelle Trägermaterialien, wie z. B. Keramikwabenträger aus Kordierit oder Mullit, sowie Metallwabenträger ersetzen. Mit Beschichtungen aus z. B. Cu, Ni, NiO, Pt, Pd oder Rh ist damit beispielsweise die Herstellung von Katalysatoren für die Gewinnung von Wasserstoff aus Kohlenwasserstoffen (Reforming) oder mit Beschichtungen aus Platingruppenmetallen bzw. perowskitähnlichen Metallmischoxiden (z. B. La_0,9Ag_0,1MnO₃) für die Oxidation von verschiedensten organischen Verbindungsklassen möglich. Beim Test im praktischen Einsatz in einem mit Biogas betriebenen Blockheizkraftwerk zeigte sich beispielsweise, dass FeCrAl-Schäume mit TiO₂-Beschichtung mit drastisch verringerten Platinbeladungen gleiche bis bessere Ergebnisse erzielen im Vergleich zu kommerziellen Katalysatoren mit der ca. zwanzigfachen Platinmenge.

Offenzellige Stähle können sowohl im Kraftfahrzeug als auch in industriellen Produktionsanlagen vorteilhaft für Aufgaben eingesetzt werden, die eine Oberflächenvergrößerung und Turbulenzerhöhung für Wärmetransport -und Stoffaustauschprozesse bei gleichzeitig guter Durchströmbarkeit erfordern.

Offenzellige Metallschäume können durch ihre hohe Oberfläche und gute Durchströmbarkeit als kompakte Wärmeübertrager dienen. Voraussetzung für die gute Wärmeübertragung ist eine gute stoffliche Anbindung der Metallschäume an den Grundkörper, die zum Beispiel durch Löten erreicht werden kann.

Werden offenzellige Metalle nicht durchströmt, so eignet sich der Werkstoff aufgrund der niedrigen Wärmeleitfähigkeit zur Wärmedämmung, vor allem zum Einsatz unter harschen Bedingungen wie z. B. im Industrieofen.

Offenzellige Metallschäume besitzen eine sehr homogene Struktur, die gleich bleibende Eigenschaften in weiten Bereichen garantiert. Offenzellige Metallschäume können in einer großen Bandbreite von Zellenweiten und Dichten gefertigt werden. Dabei reicht die einstellbare Zellenweite von 0,3 bis 5 mm, die relative Dichte kann zwischen 5 und 30 % betragen. Aufgrund dieser hohen Variabilität der Struktur sind die funktionellen Eigenschaften wie Festigkeit, Schallabsorption, Durchströmbarkeit und Wärmetransfer gezielt einstellbar.

Die Herstellung offenzelliger Metallschäume geschieht in einem pulvermetallurgischem Abformverfahren. Dieses Verfahren lässt die Fertigung aus nahezu allen als Pulver vorliegenden Werkstoffen zu. Das ermöglicht eine weitgehende Anpassung der Materialeigenschaften an die jeweilige Anwendung. Am Fraunhofer IFAM Dresden gibt es bereits Erfahrungen mit offenzelligen Metallen aus den folgenden Werkstoffen:

Stähle
unlegierte Stähle, hochlegierte Stähle, ferritische, martensitische und austenitische Stähle, warmfeste und hochwarmfeste Stähle für Anwendungen im Maschinenbau und Fahrzeugbau

Titan, a-b-Titanlegierungen, Tantal
Biokompatible Werkstoffe für medizinische Anwendungen oder Anwendungen in hochkorrosiven Umgebungen

Molybdän, Nickel-Basis, Intermetallische Verbindungen
Werkstoffe für Hochtemperaturanwendungen

Kupfer, Kupferlegierungen
Werkstoffe, in denen eine gute Wärmeleitfähigkeit des Grundwerkstoffs benötigt wird (z. B. Wärmetauscher)