Keramik Keramische Vielfalt

Redakteur: Dipl.-Ing. Dorothee Quitter

Vom Nierensteinzertrümmerer bis hin zum Narkosegerät – Hochleistungskeramik kommt in den verschiedensten medizinischen Geräten zum Einsatz.

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Gasdichte Dicht- und Regelscheiben aus Aluminiumoxid für Narkose- und Titriergeräte.
Gasdichte Dicht- und Regelscheiben aus Aluminiumoxid für Narkose- und Titriergeräte.
(Bild: Ceram Tec)

Wie bei jeder anderen technischen Lösung kommt es auch bei Anwendungen in der Medizintechnik darauf an, die spezifischen Eigenschaften der Keramik dort zu nutzen, wo die Vorteile des jeweiligen Werkstoffs zum Tragen kommen.

Aluminiumoxid für hohe mechanische Festigkeit

Aluminiumoxid in seinen verschiedenen Reinheitsgraden ist der wichtigste oxidkeramische Werkstoff. Hier verfügt die Ceram Tec über eine Reihe von Werkstofftypen mit niedriger Dichte und geringem Gewicht sowie unterschiedlichen Eigenschaftskombinationen. Eine sehr gute elektrische Isolation, hohe mechanische Festigkeit, hohe Korrosions- und Verschleißfestigkeit gepaart mit guten Gleiteigenschaften machen Aluminiumoxid überall dort zur ersten Wahl, wo Flüssigkeiten und andere Medien gefördert und dosiert werden. Als gasdichte Dicht- und Regelscheiben in Narkosegeräten und Titriergeräten, Membrane in Beatmungsgeräten, oder als Sensorikmembrane leisten die Komponenten zuverlässig ihren Dienst. Als Schaltungsträger finden sich keramische Substrate in einer großen Vielfalt an medizintechnischen Geräten wieder.

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Zirkonoxid für höchste tribologische Anforderungen

Neben ihren hervorragenden tribologischen Eigenschaften zeichnen sich Zirkonoxide zusätzlich durch außergewöhnliche Bruchzähigkeit, hohe Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit, niedrige Wärmeleitfähigkeit und einen Ausdehnungskoeffizienten aus, der dem von Stahl ähnelt. Dadurch haben Zirkonoxide die Bedeutung als Konstruktionswerkstoffe für stark beanspruchte Bauteile erlangt, die im Maschinen- und Gerätebau neue Einsatzgebiete erschließen und Stahlbauteile ersetzen können. Als Bauteile in Mühlen, Pumpen oder Rührwerken beispielsweise spielen keramische Elemente eine Rolle, da sie bei der Produktion von Pulvern und Salben beim Mahlen, Mischen und Dispergieren den Abrieb deutlich reduzieren, der entstehende Abrieb bioinert ist und keine metallallergischen Reaktionen auslöst.

Yttriumstabilisiertes Zirkonoxid ist für die Dentalmedizin interessant. Dank eines sehr feinen Gefüges und einer hohen Festigkeit ist das hochwertige Zirkonoxid, das biokompatibel ist, für diesen Einsatzbereich prädestiniert. Der speziell entwickelte Werkstoff wird in der Fertigung von Blanks – Grundprodukt für Zahnlabore zur Herstellung von keramischen Kronen und Brücken – eingesetzt. In Form von Abutments und Implantaten ist er eine Alternative zum konventionellen Werkstoff Titan.

Perlucor mit der Eigenschaft hoher Transparenz

Der neuentwickelte Werkstoff Perlucor ist ein hochreiner keramischer Werkstoff mit zahlreichen außergewöhnlichen mechanischen, chemischen, thermischen sowie optischen Eigenschaften. Durch den hohen Transparenzgrad von mehr als 80 Prozent – was einer relativen Transparenz von über 90 Prozent entspricht – ergeben sich für Perlucor überall dort Anwendungsfelder, wo herkömmliches Glas an seine Grenzen stößt. Gegenüber Panzerglassystemen kann eine Gewichtseinsparung von bis zu 50 Prozent erzielt werden. Perlucor überzeugt mit einer enormen Festigkeit und Härte, die die Werte von Glas um das Drei- bis Vierfache überschreiten, und damit für den Einsatz unter extremen Verschleißbedingungen, etwa als Sichtfenster im Maschinen- oder Gerätebau, gut geeignet. Perlucor besitzt gegenüber Glas eine um den Faktor drei höhere thermische Belastbarkeit. Dies erlaubt den Einsatz bei Temperaturen von bis zu 1.600 Grad Celsius, beispielsweise als Sichtfenster in Hochtemperaturöfen. Aufgrund seiner Reinheit weist Perlucor zudem eine einzigartig hohe chemische Beständigkeit auf und ist deshalb auch für Bereiche interessant, in denen mit hochkonzentrierten Säuren und Laugen gearbeitet wird.

Piezokeramik zur Umwandlung mechanischer Energie

Durch ihre besonderen und aktiven Eigenschaften hat die Piezokeramik bereits viele Anwendungsgebiete erschlossen. Während des Herstellungsprozesses erhält die Piezokeramik gezielt ganz spezielle und in ihrer Kombination ungewöhnliche Eigenschaften. Diese versetzen piezokeramische Bauteile in die Lage, mechanische Energie wie Druck, Dehnung oder Beschleunigung in elektrische Energie oder elektrische Spannung in mechanische Bewegung oder Schwingung umzuwandeln. Der Mensch kann Schall nur bis 20 Kilohertz hören, während Fledermäuse höherfrequenten Ultraschall nutzen. Moderne Piezokeramiken erschließen den Ultraschall auch dem Menschen: Durch entsprechende Wechselspannungen in Schwingung versetzt, erzeugen sie hochfrequente Schallsignale. Die Medizin ist ein wichtiges Anwendungsgebiet für die Ultraschalltechnik. Auf Nieren- oder Gallensteine fokussiert, können sie die Konglomerate schmerzfrei in kleinere Bruchstücke zertrümmern. Ultraschall wirkt auch bei der Entfernung von Zahnstein und bei Zerstäubern in Inhalationsgeräten.

Aber auch Skalpelle und chirurgische Messer profitieren von den außergewöhnlichen Eigenschaften der Piezokeramik: Eine kleine Skalpellklinge wird zu Schwingungen angeregt, so dass der Chirurg kleinste, sehr präzise Schnitte mit wesentlich verminderter Schnittkraft ausführen kann, ohne umliegendes Gewebe zu schädigen.

Das Wirkungsprinzip wird auch in der Reinigung eingesetzt: In einer Reinigungsflüssigkeit wird mittels Leistungs-Ultraschall Kavitation erzeugt. Diese sorgt an der verschmutzten Oberfläche des Füllgutes für eine intensive Reinigung, auch bei komplizierten Formen. Weitere Anwendungsfelder: Bei Dosiergeräten und Abfüllanlagen finden piezokeramische Elemente Einsatz als Füllstandssensoren.

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Piezokeramische Aktoren sind seit Jahren fester Bestandteil in Anwendungsfeldern der Medizintechnik. Bisheriges Manko: der fehlende Schutz gegen Luftfeuchtigkeit und die damit einhergehende reduzierte Stabilität der Aktoren. Ceram Tec ist es gelungen, piezokeramische Aktoren zu entwickeln, die einen hermetisch dichten Schutz besitzen und gleichzeitig eine hohe Langzeitstabilität aufweisen. Dadurch ergeben sich völlig neue Anwendungsfelder für Aktoren wie in Umgebungen mit sehr hoher Luftfeuchtigkeit oder gar in Wasser oder Flüssigkeiten direkt.

Aluminiumnitrid für höchste Wärmeleitfähigkeit

Eine ganz besondere Eigenschaftskombination bieten Aluminiumnitride: Elektrische Isolation bei gleichzeitig hoher Wärmeleitfähigkeit sowie der Festigkeit machen sie für elektronische Hochleistungsbauteile interessant. Hier finden sie sich in der Lasertechnik wieder, oder auch in Dialyse- oder Blutanalysegeräten. (qui)

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