DE102008043623A1

DE102008043623A1 - Auxetisches Material

Info

Publication number: DE102008043623A1
Application number: DE102008043623A
Authority: DE
Inventors: Carolin KÖRNER; Robert Friedrich Singer; Peter Heinl
Original assignee: Friedrich Alexander Univeritaet Erlangen Nuernberg FAU
Current assignee: Friedrich Alexander Univeritaet Erlangen Nuernberg FAU
Priority date: 2008-11-10
Filing date: 2008-11-10
Publication date: 2010-05-12
Also published as: WO2010052101A3; WO2010052101A2; EP2352530A2; US20110282452A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein auxetisches Material, welches aus einer periodischen Anordnung miteinander verbundener dreidimensionaler Gerüstelemente (G, G1, G2, G3) gebildet ist, wobei jedes der Gerüstelemente (G) ein erstes (3) und zumindest drei zweite Stützelemente (4) umfasst, wobei das erste (3) und die zweiten Stützelemente (4) mit ihren einen Enden in einem gemeinsamen Knotenpunkt (1) verbunden sind, und wobei ein erster Winkel (alpha) zwischen dem ersten Stützelement (3) und den zweiten Stützelementen (4) kleiner als 90° ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein auxetisches Material.
Unter einem auxetischen Material wird ein Material mit einer negativen Querkontraktionszahl ν verstanden. Auxetische Materialien verhalten sich im Gegensatz zu Materialien mit einer positiven Querkontraktionszahl ν abnormal. D. h. unter Druckbeanspruchung ziehen sie sich in einer Richtung senkrecht zur Druckrichtung zusammen, wohin gegen sie sich bei Zugbeanspruchung in einer Richtung senkrecht zur Zugrichtung ausdehnen.
Aus dem Stand der Technik sind aus Polymerschaum hergestellte auxetische Materialien bekannt. Es wird beispielsweise verwiesen auf die US 4,668,557 , die WO 99/25530 sowie die WO 2007/052054 A1 .
E. A. Friis, R. S. Lakes, J. B. Park: Negative Poisson’s ratio polymeric and metallic forms, Journal of Materials Science, 23, 1998, 4406–4414 offenbart ein aus einem hoch duktilen Kupferschaum hergestelltes auxetisches Material. Die auxetischen Eigenschaften werden dem Kupferschaum durch eine geeignete plastische Deformation verliehen.
Zur Herstellung der bekannten auxetischen Materialien durch eine plastische Deformation von Schäumen eignen sich nur thermoplastische Polymere und hochduktile Metalle. Dabei lassen sich die auxetischen Eigenschaften dieser Materialien nicht exakt einstellen.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile aus dem Stand der Technik zu beseitigen. Es soll insbesondere ein auxetisches Material angegeben werden, welches aus einer Vielzahl unterschiedlicher Werkstoffe herstellbar ist. Nach einem weiteren Ziel der Erfindung sollen außerdem die auxetischen Eigenschaften einstellbar sein.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 16 bis 18 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 15.
Nach Maßgabe der Erfindung wird ein auxetisches Material vorgeschlagen, welches aus einer periodischen Anordnung dreidimensionaler Gerüstelemente gebildet ist, wobei jedes der Gerüstelemente ein erstes und zumindest drei zweite Stützelemente umfasst, wobei das erste und die zweiten Stützelemente mit ihren einen Enden in einem gemeinsamen Knotenpunkt verbunden sind, und wobei ein erster Winkel zwischen dem ersten Stützelement und den zweiten Stützelementen kleiner als 90° ist. – Das vorgeschlagene Material umfasst eine Gerüststruktur, welche wegen ihrer besonderen Ausgestaltung der sie aufbauenden dreidimensionalen Gerüstelemente auxetische Eigenschaften aufweist. Die Gerüststruktur ergibt sich aus einer periodischen Anordnung der miteinander verbundenen Gerüstelemente. Die Periodizität kann in drei linear unabhängigen Raumrichtungen gegeben sein. Dabei sind zweckmäßigerweise die freien Enden der Stützelemente miteinander verbunden. Die Gerüstelemente sind so miteinander verbunden, dass deren Knotenpunkte und Stützelemente sich bei einer Deformation des Gitters nicht berühren. Dabei wird unter dem Begriff ”Deformation” eine reversible Verformung des Gitters verstanden.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können die Gerüstelemente variiert werden, indem beispielsweise die Anzahl der zweiten Stützelemente und/oder der erste Winkel und/oder eine Länge der ersten und/oder zweiten Stützelemente geändert werden. Die ersten und/oder zweiten Stützelemente können gerade, gekrümmt oder gewellt ausgestaltet sein. Durch eine Änderung des Gerüstelements ist es möglich, gewünschte auxetische Ei genschaften einzustellen. Die Gerüstelemente können aus jedem geeigneten Material, insbesondere auch Keramik, sämtlichen Metallen oder auch Polymeren hergestellt werden. Damit kann die Klasse der auxetischen Materialien erheblich erweitert werden. Es ergeben sich insbesondere auch durch eine Kombination auxetischer Materialien und nicht auxetischen Materialien völlig neue Möglichkeiten der Einstellung von Werkstoff- und Bauteileigenschaften.
Im Hinblick auf die Ausgestaltung des dreidimensionalen Gerüstelements hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass ein zweiter Winkel zwischen zwei benachbarten zweiten Stützelementen jeweils gleich groß ist. D. h. sämtliche zweiten Winkel weisen denselben Wert auf. Des Weiteren können die zweiten Stützelemente dieselbe Länge aufweisen. Eine Länge des ersten Stützelements kann von der Länge der zweiten Stützelemente abweichen. Es kann aber auch sein, dass das erste Stützelement und die zweiten Stützelemente dieselbe Länge aufweisen.
Vorteilhafterweise bilden die miteinander verbundenen Gerüstelemente eine Gerüstschicht, bei der die Knotenpunkte in einer Gerüstebene liegen und die ersten Stützelemente sich senkrecht in dieselbe Richtung von der Gerüstebene erstrecken. Bei der Gerüstschicht sind die Gerüstelemente also mit den Enden der zweiten Stützelemente miteinander verbunden. Bei der Verbindung von drei Gerüstelementen mit deren zweiten Stützelementen ergibt sich eine Gerüstschicht mit einer wabenartigen Struktur.
Eine durch die Gerüstelemente gebildete dreidimensionale Gerüststruktur ist durch übereinander angeordnete Gerüstschichten gebildet. Dabei können die Gerüstschichten zweckmäßigerweise so übereinander angeordnet sein, dass deren Gerüstebenen im Wesentlichen parallel verlaufen. Die Gerüstschichten stützen sich in diesem Fall durch die ersten Stützelemente aufeinander ab.
Nach einer weiteren Ausgestaltung sind die Gerüstschichten periodisch in 2er oder 3er Stapeln übereinander angeordnet. Durch die verschiedenartige periodische Anordnung der Gerüstschichten können Gerüststrukturen mit unterschiedlichen Eigenschaften hergestellt werden.
Die Gerüstschichten sind vorteilhafterweise über die ersten Stützelemente miteinander verbunden. Dabei können die zur Verbindung der Gerüstschichten gebildeten Verbindungspunkte in einer Verbindungspunktebene liegen, welche im Wesentlichen parallel zur Gerüstebene ist. In einem Verbindungspunkt sind vorteilhafterweise zumindest drei zweite Stützelemente einer Gerüstschicht sowie ein erstes Stützelement einer darüber angeordneten weiteren Gerüstschicht miteinander verbunden.
Die Gerüstelemente können aus Metall, vorzugsweise aus Titan, einer Titan-, Cobaltchrom- oder Nickelbasislegierung, Stahl, Magnesium, Formgedächtnislegierungen, insbesondere NiTi, hergestellt sein. Desgleichen ist es möglich, die Gerüstelemente aus Kunststoff, vorzugsweise Polyamid, Polyetheretherketon oder dgl., herzustellen. Ferner ist es möglich, die Gerüstelemente aus Keramik, vorzugsweise SiC, Al₂O₃, Hydroxylapatit oder dgl., herzustellen. Nach einer zweckmäßigen Ausgestaltung sind die Gerüstelemente mit einem Beschichtungsmaterial beschichtet. Es kann sich dabei beispielsweise um Hydroxylapatit, Tantal, TiN, TiC oder Diamant handeln. Es kann auch sein, dass die Oberfläche der Gerüstelemente beispielsweise durch Ätzen oder dgl. modifiziert ist.
Das vorgeschlagene auxetische Material kann in vielen Bereichen eingesetzt werden. Als besonders zweckmäßig hat es sich erwiesen, das auxetische Material als Knochenersatzstoff oder als Bestandteil eines Knochenersatzstoffs oder Implantats zu verwenden. Insoweit wird erwartet, dass sich wegen der auxetischen Eigenschaften bei Be- und Entlastung eine Pumpwirkung ergibt, welche die Versorgung des biologischen Gewebes unterstützt. Das auxetische Material kann insbesondere auch aus einem resorbierbaren Material, z. B. Magnesium, Hydroxylaptit, hergestellt werden. Das vorgeschlagene auxetische Material eignet sich besonders auch zur Herstellung von Bandscheibenersatzmaterialien, zur Hinterfütterung, beispielsweise eines Kniegelenkimplantats oder als Ersatz für Knochenmark.
Abgesehen davon kann das vorgeschlagene auxetische Material zur Herstellung von schallabsorbierenden Werkstoffen, zur Herstellung von Werkstoffen zum Schutz eines Aufpralls oder eines Einschlags sowie zur Herstellung adaptiver Filter mit variabler Porengröße verwendet werden.
Darüberhinaus kann das auxetische Material als Gerüst zur Herstellung von Kompositwerkstoffen, z. B. durch Infiltration mit Polymeren, Metallen oder keramischen Werkstoffen, genutzt werden.
Zur Herstellung des vorgeschlagenen auxetischen Materials eignen sich gängige Rapid Manufacturing bzw. Verfahren der additiven Fertigung, beispielsweise selektives Laser- oder Elektronenstrahlschmelzen. Es ist aber auch möglich, das vorgeschlagene auxetische Material in einem Gießverfahren, vorzugsweise im Feinguss, herzustellen. Daneben ist es denkbar, andere geeignete Herstellungsverfahren, beispielsweise Lithographie, Galvanoformung, Abformung sowie Mikrobearbeitungstechniken einzusetzen. Zur Beschichtung einer erfindungsgemäßen auxetischen Gerüststruktur eignen sich herkömmliche Verfahren, beispielsweise physikalische oder chemische Gaspha senabscheidung, galvanische Beschichtungsverfahren, Pulverbeschichtungsverfahren und dgl.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 Die Ableitung eines Gerüstelements,
2 die Bildung einer Gerüstschicht aus dem Gerüstelement gemäß 1,
3 eine erste Gerüststruktur unter Verwendung der Gerüstschicht gemäß 2 und
4 eine zweite Gerüststruktur unter Verwendung der Gerüstschicht gemäß 2.
Die linke Ansicht der 1 zeigt eine tetraedrische Struktur, wie sie beispielsweise im Diamantgitter realisiert ist. Dabei erstrecken sich von einem Knotenpunkt 1 unter dem bekannten Tetraederwinkel von 109,5° vier Arme 2 gleicher Länge. Aus einer solchen tetraedrischen Struktur lässt sich durch Spiegelung von drei Armen an einer senkrecht zum vierten Arm und durch den Knotenpunkt 1 verlaufenden Symmetrieebene ein erfindungsgemäßes Gerüstelement G ableiten. Ein solches Gerüstelement G ist in der rechten Abbildung der 1 dargestellt. Es ist gebildet aus einem ersten Stützelement 3 und zweiten Stützelementen 4. Das erste 3 und die zweiten Stützelemente 4 sind im Knotenpunkt 1 verbunden. Ein erster Winkel α zwischen dem ersten 3 und jedem der zweiten Stützelemente 4 ist identisch. Der Winkel α ist kleiner als 90°. Er liegt zweckmäßigerweise im Bereich von 85 bis 30°. Ein zwischen zwei benachbarten Stützelementen 4 gebildeter zweiter Winkel β ist ebenfalls gleich. Er beträgt bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel 109,5°. Die Größe des zweiten Winkels β ist abhängig von der Größe des ersten Winkels α. Bei dem in 1 gezeigten Gerüstelement G weisen das erste 3 und die zweiten Stützelemente 4 dieselbe Länge auf. Es ist allerdings auch denkbar, dass das erste Stützelement 3 länger oder kürzer als die zweiten Stützelemente 4 ausgebildet sind. Ferner ist es denkbar, auch die zweiten Stützelemente 4 in unterschiedlicher Länge auszuführen. In diesem Fall kann es erforderlich sein, von der zwischen den zweiten Stützelementen 4 vorgesehenen Winkelgleichheit abzuweichen, d. h. zwischen den zweiten Stützelementen 4 können dann auch zweite Winkel β unterschiedlicher Größe realisiert sein.
2 zeigt die Bildung einer Gerüstschicht GS unter Verwendung des in 1 gezeigten Gerüstelements G. Dabei werden jeweils drei Gerüstelemente G1, G2, G3 mit den freien Enden von jeweils zwei zweiten Stützelementen 4 so miteinander verbunden, dass in der Projektion auf die xy-Ebene eine wabenartige Struktur entsteht. Dabei stehen die ersten Stützelemente 3 jeweils senkrecht auf einer durch die Knotenpunkte 1 gebildeten Gerüstebene GE.
3 zeigt die Bildung einer ersten Gerüststruktur A durch Übereinanderstapeln mehrerer der in 2 gezeigten Gerüstschichten GS. Dabei stützt sich auf einer ersten Gerüstschicht GS1 eine zweite Gerüstschicht GS2 mit ihren ersten Stützelementen 3 in Verbindungspunkten 5 ab. In jedem der Verbindungspunkte 5 sind jeweils mindestens drei zweite Stützelemente 4 der ersten Gerüstschicht GS1 sowie ein erstes Stützelement 3 der darüber liegenden zweiten Gerüstschicht GS2 miteinander verbunden. Die Verbindungspunkte 5 bilden eine Verbindungspunktebene VE, welche etwa parallel zur Gerüstebene GE verläuft. Die zweite Gerüstschicht GS2 ist gegenüber der ersten Gerüstschicht GS1 um 60° rotiert, wobei die Drehachse senkrecht auf der Gerüstschicht GS steht. Die Gerüstschichtabfolge aus erster Gerüstschicht GS1 und zweiter Ge rüstschicht GS2 wird zum Aufbau der ersten Gerüststruktur A periodisch übereinander gestapelt. Es ergibt sich die in der rechten Abbildung der 3 gezeigte erste Gerüststruktur A.
Bei der in 4 gezeigten zweiten Gerüststruktur B besteht eine Gerüstschichtabfolge aus einer ersten Gerüstschicht GS1, einer zweiten Gerüstschicht GS2 und einer dritten Gerüstschicht GS3, welche jeweils ohne Rotation, jedoch mit einer Translation in der Gerüstebene GE in Richtung der Projektion eines zweiten Gerüstelements 4 auf die Gerüstebene GE angeordnet sind. Die zweite Gerüststruktur B entsteht durch periodisches Übereinanderstapeln der aus den drei Gerüstschichten GS1, GS2 und GS3 gebildeten Gerüstschichtabfolge.
Die vorgeschlagenen Gerüststrukturen A, B können beispielsweise mittels Rapid Prototyping Verfahren, Gießverfahren oder dgl. aus einer Vielzahl unterschiedlicher Materialien hergestellt werden. Durch eine Variation der Geometrie, insbesondere der Länge oder der Breite der Stützelemente 3, 4 sowie der zwischen den Stützelementen 3, 4 vorgesehenen Winkel α, β lassen sich die auxetischen und auch andere Eigenschaften des vorgeschlagenen Materials einstellen.
Auxetische Gerüststrukturen können auch unter Verwendung anderer Gerüstelemente G hergestellt werden. Geeignete Gerüstelemente G können beispielsweise auch vier zweite Stützelemente 4 und ein erstes Stützelement 3 aufweisen.
Das vorgeschlagene auxetische Material eignet sich insbesondere zur Herstellung von Knochenersatzstoffen. Dabei beträgt eine Länge der Stützelemente 3, 4 vorzugsweise 0,5 bis 3 mm. Der Durchmesser der im Querschnitt vorzugsweisen runden Stützelemente 3, 4 liegt zwischen 0,1 und 1 mm und kann in der Struktur variabel eingestellt werden.

1: Knotenpunkt
2: Arm
3: erstes Stützelement
4: zweites Stützelement
5: Verbindungspunkt
α: erster Winkel
β: zweiter Winkel
A, B: Gerüststruktur
G, G1, G2, G3: Gerüstelement
GE: Gerüstebene
GS, GS1, GS2, GS3: Gerüstschicht
VE: Verbindungspunktebene

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 4668557 [0003]
- WO 99/25530 [0003]
- WO 2007/052054 A1 [0003]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- E. A. Friis, R. S. Lakes, J. B. Park: Negative Poisson’s ratio polymeric and metallic forms, Journal of Materials Science, 23, 1998, 4406–4414 [0004]

Claims

Auxetisches Material gebildet aus einer periodischen Anordnung miteinander verbundener dreidimensionaler Gerüstelemente (G, G1, G2, G3), wobei jedes der Gerüstelemente (G, G1, G2, G3) ein erstes (3) und zumindest drei zweite Stützelemente (4) umfasst, wobei das erste (3) und die zweiten Stützelemente (4) mit ihren einen Enden in einem gemeinsamen Knotenpunkt (1) verbunden sind, und wobei ein erster Winkel (α) zwischen dem ersten Stützelement (3) und den zweiten Stützelementen (4) kleiner als 90° ist.
Auxetisches Material nach Anspruch 1, wobei ein zweiter Winkel (β) zwischen zwei benachbarten zweiten Stützelementen (4) jeweils gleich groß ist.
Auxetisches Material nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweiten Stützelemente (4) dieselbe Länge aufweisen.
Auxetisches Material nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Stützelement (3) und die zweiten Stützelemente (4) dieselbe Länge aufweisen.
Auxetisches Material nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die miteinander verbundenen Gerüstelemente (G, G1, G2, G3) eine Gerüstschicht (GS, GS1, GS2, GS3) bilden, bei der die Knotenpunkte (1) in einer Gerüstebene (GE) liegen und die ersten Stützelemente (3) sich senkrecht in dieselbe Richtung von der Gerüstebene (GE) erstrecken.
Auxetisches Material nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine durch die Gerüstelemente (G, G1, G2, G3) gebildete dreidimensionale Gerüststruktur (A, B) durch über einander angeordnete Gerüstschichten (GS, GS1, GS2, GS3) gebildet ist.
Auxetisches Material nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Gerüstschichten (GS, GS1, GS2, GS3) so übereinander angeordnet sind, dass deren Gerüstebenen (GE) im Wesentlichen parallel verlaufen.
Auxetisches Material nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Gerüstschichten (GS, GS1, GS2, GS3) periodisch in 2er oder 3er Stapeln übereinander angeordnet sind.
Auxetisches Material nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Gerüstschichten (GS, GS1, GS2, GS3) über die ersten Stützelemente (3) miteinander verbunden sind.
Auxetisches Material nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur Verbindung der Gerüstschichten (GS, GS1, GS2, GS3) gebildete Verbindungspunkte (3) in einer Verbindungspunktebene (VE) liegen, welche im Wesentlichen parallel zur Gerüstebene (GE) ist.
Auxetisches Material nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in einem Verbindungspunkt (5) zumindest drei zweite Stützelemente (4) einer Gerüstschicht (GS, GS1, GS2, GS3) sowie ein erstes Stützelement (3) einer darüber angeordneten weiteren Gerüstschicht (GS, GS1, GS2, GS3) miteinander verbunden sind.
Auxetisches Material nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Gerüstelemente (G, G1, G2, G3) aus Metall, vorzugsweise aus Titan, einer Titan-, Cobaldchrom- oder Nickelbasislegierung, Mg, Stahl, Formgedächtnislegierungen, insbesondere NiTi, hergestellt sind.
Auxetisches Material nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Gerüstelemente (G, G1, G2, G3) aus Kunststoff, vorzugsweise Polyamid, Polyetheretherketon, hergestellt sind.
Auxetisches Material nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Gerüstelemente (G, G1, G2, G3) aus Keramik, vorzugsweise SiC, Al₂O₃, Hydroxylapatit, hergestellt sind.
Auxetisches Material nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Gerüstelemente (G, G1, G2, G3) mit einem Beschichtungsmaterial, vorzugsweise Hydroxylapatit, Tantal, TiN, TiC oder Diamant, beschichtet sind.
Knochenersatzstoff, umfassend das auxetische Material nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Implantat, umfassend das auxetische Material nach einem der Ansprüche 1 bis 15.
Kompositwerkstoff, umfassend das auxetische Material nach einem der Ansprüche 1 bis 15.