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Die wichtigsten Gründe für den Einsatz von Carbon-Faserverbund in der Medizintechnik

by Rosenmaier Armin

Die hervorragenden Eigenschaften von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (Carbon) haben mittlerweile die Aufmerksamkeit vieler unterschiedlicher Branchen auf sich gezogen. Branchen wie die Luftfahrt oder der Rennsport sind Vorreiter und ersetzten schon vor Jahrzehnten vermehrt Komponenten aus bewährten Werkstoffen, wie beispielsweise Aluminium oder Stahl, durch Bauteile aus Carbon, kurz auch CFK. Ein Bereich indem sich innovative Lösungen aus Carbon über die letzten Jahre hinweg ebenso etabliert haben, ist jener der Medizintechnik. Nachfolgend werden sechs ausschlaggebende Gründe erläutert, warum vor allem Carbon ein besonders geeigneter Werkstoff für effektive Anwendungen im medizintechnischen Bereich ist.

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 Abbildung 1:  Präzise Carbon-Komponenten speziell für Medizinprodukte

 

Inhaltsverzeichnis:
1. Entlastung durch geringes Gewicht
2. Enorme Belastbarkeit aufgrund hervorragender mechanischer Eigenschaften
3. Durch Röntgentransparenz zur verbesserten Bildgebung
4. Langlebigkeit angesichts ausgezeichneter chemischer Beständigkeit
5. Freiheit in der Gestaltung infolge nahezu uneingeschränkter Formgebung
6. Carbon als innovativer Allrounder 
7. Fazit

Entlastung durch geringes Gewicht

CFK besitzt eine Dichte von ca. 1,5 g/cm3 (Aluminium 2,8 g/cm3, Stahl 7,8 g/cm3) und ist somit ein wahres Leichtgewicht. Durch das geringe Gewicht, welches Carbon mit sich bringt, ist das Material tief verankert in Leichtbau-Branchen, wie der Luftfahrt oder dem Motorsport. Doch auch die Medizintechnik profitiert stark von den Massenreduktionen. Durch den Einsatz von neuen Lösungen aus Carbon können im Vergleich zu Aluminium-Komponenten bis zu 50% des Gewichtes eingespart werden. Im Vergleich zu Stahl-Komponenten sind es sogar bis zu 80%. Mit Hilfe von Carbon-Prothesen können Menschen somit stark entlastet werden. OP-Tische oder Patiententragen, welche aus Carbon gefertigt sind, können von Ärzten, Schwestern oder Rettungspersonal leichter gehoben oder verschoben werden.

carbon-herstellerAbbildung 2: Kompaktierung der einzelnen Carbon-Lagen (Vakuum)

Enorme Belastbarkeit aufgrund hervorragender mechanischer Eigenschaften 

Trotz seines geringen Gewichts zeichnet sich Carbon mit einer enormen Steifigkeit und Festigkeit aus. Mit einer Zugfestigkeit von 900 MPa und einem E-Modul von 88.000 MPa ist es wesentlich fester und steifer als Aluminium. Diese Werte gelten jedoch nur als Orientierung, denn wie bei anderen Materialien gibt es auch Carbon in den unterschiedlichsten Ausführungen (verschiedene Fasertypen, Harzsysteme, Faserorientierungen, …). Ebenso die hohe Festigkeit und Steifigkeit sind bei einem Einsatz bei den zuvor angemerkten medizintechnischen Komponenten (Prothesen, OP-Tischen, Patiententragen, …) von großem Vorteil. Jene Komponenten können somit bei geringstem Gewicht außerordentlich großen Belastungen standhalten.

Durch Röntgentransparenz zur verbesserten Bildgebung

Ein weiterer wesentlicher Vorteil des Werkstoffes in der Medizintechnik ist seine Transparenz für Röntgenstrahlen. Carbon eignet sich somit hervorragend für Komponenten von CT- und Röntgenanlagen. Die hohe Transmissivität des Materials gewährleistet eine äußerst geringe Absorption der Röntgenstrahlen, was sich letztendlich in einer unbeeinträchtigten Bildgebung widerspiegelt.

carbon-medizinAbbildung 3: Strahlendurchlässige 3D-Plattform mit antibakterieller Oberfläche 

Langlebigkeit angesichts ausgezeichneter chemischer Beständigkeit

Auch die chemische Beständigkeit des Materials spricht für dessen Einsatz in der Medizintechnik. Carbon ist demnach weitestgehend resistent gegen aggressive Chemikalien und Korrosion, was zu einer erhöhten Lebensdauer der unterschiedlichsten medizintechnischen Komponenten führt.

Zudem ist Carbon biokompatibel. Die Biokompatibilität bezeichnet den nicht vorhandenen negativen Einfluss von Werkstoffen auf Lebewesen und ihre Umgebung. Diese Eigenschaft ist vor allem bei Implantaten von großer Bedeutung.

Freiheit in der Gestaltung infolge nahezu uneingeschränkter Formgebung

Als hochinnovativer Werkstoff vergrößert Carbon den Konstruktions- und Design-Spielraum und einhergehend damit auch die Innovationskraft. Diese Erkenntnis wurde von Automobil- und Motorsport-Industrie seit Jahrzehnten verinnerlicht, und hat sich nun auch in der Medizintechnik etabliert. Im Gegensatz zu klassischen Fertigungsverfahren und Materialien sind komplexe Geometrien, wie in etwa Hinterschneidungen, mit der Faserverbundtechnologie vergleichsweise einfach zu realisieren. Beschränkungen durch die Einhaltung von Biegeradien oder Wandstärken werden bei der Arbeit mit Carbon ebenso wenig zum Problem, wie der Zwang zur Anwendung von Rippenkonstruktionen. Somit wird auch in der Gestaltung von komplexen medizintechnischen Konstruktionen große Freiheit gewährleistet.

carbon-edelstahlAbbildung 4: Qualiätskontrolle bei einer Carbon-Edelstahl-Verbindung

Carbon als innovativer Allrounder

Seit den letzten Jahren profitiert die Medizintechnik, aufgrund der zuvor beschriebenen Eigenschaften, stark von dem innovativen Werkstoff Carbon. Diese Eigenschaften haben ebenso zur Folge, dass das Material auch innerhalb der Medizintechnik breit gestreut eingesetzt werden kann. So lassen sich Rollstühle, Gehhilfen, Orthesen und Prothesen optimal fertigen. Aber auch bei Operationstischen und den Auflagen in Röntgengeräten wird schon seit einigen Jahren auf Carbon gesetzt. Diese universelle Einsetzbarkeit von Carbon ist somit ein weiterer positiver Grund, welcher für den Einsatz des Werkstoffes in der Medizintechnik spricht.

 op-technikAbbildung 5: Carbon-Gehäuse für die Chirurgie (OP-Technik) 

Fazit

Die hervorragenden Eigenschaften von Carbon haben mittlerweile die Aufmerksamkeit vieler unterschiedlicher Branchen auf sich gezogen. Ein Bereich indem sich innovative Lösungen aus Carbon über die letzten Jahre hinweg ebenso etabliert haben, ist jener der Medizintechnik. Eigenschaften wie das geringe Gewicht, die hohe Festigkeit und Steifigkeit, als auch die ausgezeichnete chemische Beständigkeit des Materials sind die Gründe dafür. Diese Eigenschaften machen den Werkstoff zum wahren Allrounder in der Medizintechnik. So wird dieser für unterschiedlichste medizintechnische Anwendungen eingesetzt, wie beispielsweise für Gehhilfen, Orthesen, Prothesen, Operationstische, Röntgengeräte und Komponenten für Rollstühle.

carbontechnik medizintechnik

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Carbon CFK Autoklaventechnik Herstellung.jpg

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