DE202024103708U1

DE202024103708U1 - Rotierendes Instrument für abrasive Bearbeitungen

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Publication number: DE202024103708U1
Application number: DE202024103708.1U
Authority: DE
Original assignee: DOT GmbH
Current assignee: DOT GmbH
Priority date: 2024-07-05
Filing date: 2024-07-05
Publication date: 2024-07-23
Anticipated expiration: 2034-07-06

Abstract

Rotierendes Instrument zur abrasiven Bearbeitung, mit einem Substrat aus einem metallischen Werkstoff und einer auf dem Substrat gebildeten Oberfläche, die mindestens teilweise mit einer Beschichtung versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung eine auf der Oberfläche aufgebrachte Hartstoffbeschichtung und eine als äußerste Schicht auf der Hartstoffbeschichtung durch physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) aufgebrachte Interferenzschicht aus Titanaluminiumnitrid (TiAIN) umfasst.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein rotierendes Instrument für abrasive Bearbeitungen, insbesondere Bohrer und Fräser zur Verwendung in der Dentaltechnik, der Dentalchirurgie, der allgemeinen und Unfall-Chirurgie sowie der orthopädischen Chirurgie.
Dentalbohrer oder Knochenbohrer und -fräser sind allgemein bekannt. Die Wiederverwendung von Bohrern und Fräsern in der Chirurgie ist gängige Praxis. Teilweise sind die Instrumente aber nur als Einwegprodukte gekennzeichnet. Ein Verschleiß der Instrumente an den Schneiden kann durch das OP-Personal nicht selbstständig geprüft werden.
Aus der DE 10 2022 111 962 A1 ist ein Dentalbohrer mit Verschleißindikator bekannt. Der Verschleißindikator ist durch Verschleißpartikel gebildet, die in verschiedenen Verschleißabschnitten angeordnet sind und unterschiedliche Farben aufweisen.
In dem Artikel von M. Panjan, et. al., „Designing the color of AlTiN hard coating through interference effect", Surface and Coatings Technology, Volume 254 (2014), Seiten 65-72, ISSN 0257-8972, https://doi.ora/10.1016/i.surfcoat.2014.05.065, wird die Herstellung farbiger Interferenzschichten aus AlTiN beschrieben.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein rotierendes Instrument für die abrasive Bearbeitung bereitzustellen, das eine einfache Verschleißanzeige ermöglicht.
Erfindungsgemäß umfasst das rotierende Instrument mindestens ein Substrat aus einem metallischen Werkstoff und einer auf dem Substrat gebildeten Oberfläche, die mindestens teilweise mit einer Beschichtung versehen ist. Die Beschichtung umfasst eine auf der Oberfläche aufgebrachte Hartstoffbeschichtung und eine als äußerste Schicht auf der Hartstoffbeschichtung durch physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) aufgebrachte Interferenzschicht aus Titanaluminiumnitrid (TiAIN).
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung des mit der Interferenzschicht versehenen rotierenden Instruments und die Verwendung des Instruments als Bohrer oder Fräser in der Dentaltechnik, der Dentalchirurgie, der allgemeinen und Unfall-Chirurgie sowie der orthopädischen Chirurgie.
Das Aufbringen einer Beschichtung mit einer Interferenzschicht aus TiAIN als äußerste Schicht ermöglicht es, den Verschleiß des rotierenden Instruments zuverlässig durch einen Farbumschlag anzuzeigen, der beispielsweise vom OP-Personal leicht erkannt werden kann.
Die Interferenzschicht aus TiAIN kann beispielsweise durch einen Sputter-Prozess aufgebracht werden. Die Interferenzschicht bildet in Abhängigkeit der Schichtdicke unterschiedliche Interferenzfarben von Rot über Violett und Blau bis hin zu Grün aus. Das rotierende Instrument kann im Auslieferungszustand eine Oberfläche mit einer bestimmten Farbe aufweisen, beispielsweise eine blaue Oberfläche, die nach Kundenspezifikation festgelegt werden kann. Nach Benutzung im OP und abrasivem Verschleiß der Interferenzschicht kann ein Farbumschlag beobachtet werden, da die Schichtdicke der äußersten TiAIN-Schicht durch abrasive Mechanismen um einige nm reduziert wird. Der Farbeindruck ändert sich z. B. auf Rot.
Somit kann der Verschleiß des rotierenden Instruments auf einfache Weise durch optische Kontrolle angezeigt werden. Ferner kann die Beschichtung des rotierenden Instruments so ausgelegt werden, dass das Instrument nicht erst bei vollständiger Zerstörung der Hartstoffbeschichtung aussortiert wird, sondern in einem funktionalen Zustand mit ausreichend restlicher Hartstoffbeschichtung entsorgt wird.
Schließlich kann die Interferenzschicht aus TiAIN auch als biokompatibel angesehen werden, da es sich bei TiAIN um einen in der Dentaltechnik verbreiteten Werkstoff handelt.
Bevorzugt beträgt die Schichtdicke der Interferenzschicht aus TiAIN von 20 bis 100 nm, vorzugsweise 20 bis 80 nm. Derartige Schichten aus TiAIN sind für sichtbares Licht transparent. In Abhängigkeit von der Schichtdicke kann damit eine gewünschte Farbe eingestellt werden, die den unbenutzten Zustand des Instruments anzeigt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform liegt die Interferenzschicht auf einer reflektierenden Schicht aus TiN, sofern die Decklage der Hartstoffbeschichtung selbst nicht bereits reflektierende Eigenschaften aufweist. Damit kann eine ausreichende Farbtiefe der Interferenzschicht gewährleistet werden.
Die reflektierende Schicht aus TiN hat bevorzugt eine Schichtdicke von 50 bis 100 nm, vorzugsweise 50 bis 80 nm.
Das Titanaluminiumnitrid der Interferenzschicht hat bevorzugt eine Zusammensetzung von Ti_1-xAl_xN mit 0,2 ≤ x ≤ 0,8, bevorzugt von 0,50 ≤ x ≤ 0,7, jeweils mit Ausnahme von unvermeidbaren Verunreinigungen. Mit zunehmendem Gehalt an Aluminium nimmt der dielektrische Charakter der TiAIN-Schicht zu. Die Schicht zeigt damit auch verbesserte optische Eigenschaften.
Die Abscheidung von TiAIN-Schichten unter Verwendung von Verfahren der physikalischen Abscheidung aus der Gasphase (PVD-Verfahren) ist im Stand der Technik umfangreich beschrieben. Hierzu kann beispielsweise auf die DE 10 2012 107 129 A1 , die EP 1 273 679 A1 und die DE 196 14 557 A1 verwiesen werden.
Zur Abscheidung der Interferenzschicht aus TiAIN werden vorzugsweise ein Sputtern, insbesondere Magnetronsputtern, ein Lichtbogenverdampfen und Kombinationen davon verwendet.
Das Substrat des rotierenden Instruments kann aus jedem metallischen Werkstoff gebildet sein, der zur Herstellung von Bohrern oder Fräsern für die Anwendung am menschlichen oder einem tierischen Körper geeignet ist. Bekannte geeignete Werkstoffe sind beispielsweise Stahl, Titan und Titanlegierungen sowie Kobalt oder Kobaltlegierungen.
Vorzugsweise enthält der Werkstoff Kobalt oder ist eine Kobalt-Legierung. Vorteilhaft ist es, wenn die Kobalt-Legierung eine Kobalt-Chrom-MolybdänLegierung ist. Vorzugsweise handelt es sich dabei um eine CoCr29Mo6-Legierung.
Geeignete Titan-Legierungen umfassen, ohne darauf beschränkt zu sein, eine Titan-Aluminium-Vanadium-Legierung wie Ti-3Al-2,5V oder Ti-6Al-4V.
Ein als Substratmaterial geeigneter Stahl ist beispielsweise Edelstahl 1.4301 (X5CrNi18-10), 1.4404 (X2CrNiMo18-14-3) und 1.4435 (X2CrNiMo18-14-3).
Die Substratoberfläche, auf der die Hartstoffbeschichtung aufgebracht ist, umfasst bevorzugt die Schneidflächen und/oder Schneidkanten des Bohrers oder Fräsers. Besonders bevorzugt ist die Hartstoffbeschichtung auf der gesamten Substratoberfläche aufgebracht.
Als Hartstoffbeschichtung kann jedes Beschichtungssystem verwendet werden, das im Stand der Technik für verschleißfeste Beschichtungen von rotierenden Instrumenten bekannt ist. Die Hartstoffbeschichtung kann einlagig oder mehrlagig ausgebildet sein und beispielsweise Lagen aus TiN, TiSiN, TiNbN, ZrN und TiAIN umfassen. Bevorzugt wird die Hartstoffbeschichtung mittels eines PVD-Verfahrens erhalten.
Die Hartstoffbeschichtung umfasst vorzugsweise eine auf der Oberfläche des rotierenden Instruments durch ein PVD-Verfahren aufgebrachte Grundschicht, beispielsweise aus TiN oder TiNbN.
Bevorzugt ist die Grundschicht eine TiN-Schicht, besonders bevorzugt eine TiN-Schicht mit stöchiometrischen Anteilen von Titan und Stickstoff.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann als Grundschicht eine TiNbN-Schicht verwendet werden, besonders bevorzugt eine monolithische Schicht ohne Wechsellagen, mit einer Zusammensetzung von Ti_1-xNb_xN und 0,1 ≤ x ≤ 0,4, mit Ausnahme von unvermeidbaren Verunreinigungen.
Das Nb in der TiNbN-Schicht kann ohne Beeinträchtigung der Schichteigenschaften teilweise durch Ta ersetzt sein, vorzugsweise in einem Anteil von bis zu 30 at%, vorzugsweise bis zu 10 at% und besonders bevorzugt bis zu 5 at%. Es ist bekannt, dass Nb und Ta miteinander vergesellschaftet sind und eine vollständige Trennung der Elemente wegen der sehr ähnlichen Eigenschaften von Nb und Ta nur mit hohen Kosten zu erreichen ist. Bevorzugt liegen Ti und Nb im eingesetzten TiNb-Target jedoch als Reinelemente vor, mit Ausnahme von unvermeidbaren Verunreinigungen.
Zwischen der Oberfläche des Substrats und der Grundschicht kann eine bis zu 500 nm dicke Anbindungsschicht aus Titan oder einer Titanlegierung vorgesehen sein, die eine Anhaftung der Grundschicht an dem metallischen Substrat begünstigt. Die Bereitstellung solcher Anbindungsschichten ist in PVD-Verfahren allgemein bekannt.
Zusätzlich kann auf der Grundschicht aus TiN oder TiNbN eine durch ein PVD-Verfahren aufgebrachte Deckschicht aus TiAIN vorgesehen sein.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Deckschicht aus TiAIN eine Zusammensetzung von Ti_1-xAl_xN mit 0,2 ≤ x ≤ 0,8 auf, bevorzugt von 0,5 ≤ x ≤ 0,7, jeweils mit Ausnahme von unvermeidbaren Verunreinigungen. Eine TiAIN-Schicht mit der beschriebenen Zusammensetzung lässt sich leicht durch PVD-Verfahren herstellen. Die TiAIN-Schicht weist eine gute Haftfestigkeit an der Grundschicht aus TiN oder TiNbN und eine hohe Härte auf.
Die TiAIN-Schicht kann ferner einen Aluminium-Gradienten mit einem nach außen, von der Substratoberfläche in Richtung auf die Interferenzschicht zunehmenden Aluminium-Anteil aufweisen, um die Anhaftung an der TiN- oder TiNbN-Grundschicht zu verbessern. Durch einen höheren Aluminium-Anteil an der Außenfläche kann ferner die Härte und Verschleißfestigkeit der TiAIN-Schicht noch verbessert werden.
Eine verschleißfeste Hartstoffbeschichtung mit einer Grundschicht aus TiN oder TiNbN und einer direkt an die Grundschicht angrenzenden Deckschicht aus TiAIN lässt sich unter Verwendung des PVD-Verfahrens schnell und kostengünstig herstellen.
Die beschriebene Hartstoffbeschichtung zeigt zudem eine sehr gute Haftfestigkeit sowohl am Substrat als auch innerhalb des Schichtsystems. Dadurch ist die Gefahr eines Versagens der Beschichtung durch Abplatzen unter Belastung deutlich verringert.
Die Gesamtdicke der Hartstoffbeschichtung beträgt vorzugsweise von 1 bis 10 µm, bevorzugt von 1 bis 5 µm und besonders bevorzugt von 1 bis 2 µm.
Bei Verwendung einer mehrlagigen Hartstoffbeschichtung mit einer Grundschicht aus TiN oder TiNbN und einer Deckschicht aus TiAIN beträgt die Schichtdicke der Grundschicht vorzugsweise von 1 bis 5 µm, bevorzugt von 1 bis 4 µm, und die TiAIN-Deckschicht weist bevorzugt eine Schichtdicke von 1 bis 6 µm auf, besonders bevorzugt von 2 bis 5 µm.
Ein Verfahren zur Herstellung des rotierenden Instruments umfasst die Bereitstellung eines Substrats aus einem metallischen Werkstoff, wobei das Substrat eine Oberfläche aufweist, und das Aufbringen einer Hartstoffbeschichtung auf die ganze oder einen Teil der Oberfläche mittels eines PVD-Verfahrens. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass auf die Hartstoffbeschichtung mittels eines PVD-Verfahrens eine Interferenzschicht aus TiAIN als äußerste Schicht aufgebracht wird.
Durch das Aufbringen der Hartstoffbeschichtung mittels eines PVD-Verfahrens kann ein besonders gutes Anhaften der Hartstoffbeschichtung am Substrat erreicht werden. Das Aufbringen der Hartstoffbeschichtung und der Interferenzschicht erfolgt bevorzugt ohne Unterbrechung in einem einzigen Beschichtungszyklus.
Bevorzugt wird mindestens eine TiN-Grundschicht unter Verwendung eines Ti-Targets auf die die Oberfläche des Substrats aufgebracht, beispielsweise auf die Schneidflächen des rotierenden Instruments, bevorzugt auf die gesamte Oberfläche.
Eine TiNbN-Grundschicht kann unter Verwendung eines Ti-Nb-Targets mit 70 at% Titan und 30 at% Niob erzeugt werden.
Das Aufbringen der Interferenzschicht aus TiAIN kann beispielsweise unter Verwendung eines Ti-Al-Targets mit 33 at% Titan und 67 at% Aluminium erfolgen.
Das PVD-Verfahren kann als Magnetronsputtern, Lichtbogenverdampfen (Arc-PVD), Ionenplattierung, Elektronenstrahlverdampfung oder Laserablation durchgeführt werden. Bevorzugte PVD-Verfahren umfassen gepulstes und ungepulstes Magnetronsputtern, Hochenergieimpulsmagnetronsputtern (HiPIMS), HF-Magnetronsputtern und Wechselstrom-Magnetronsputtern sowie gepulstes und ungepulstes Lichtbogenverdampfen. Zur Erzeugung von Nitriden wird dem Reaktionsraum des PVD-Verfahrens Stickstoff zugeführt. PVD-Apparaturen zum Aufbringen von Hartstoffbeschichtungen sind kommerziell erhältlich.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient der näheren Erläuterung und soll nicht in einem einschränkenden Sinn verstanden werden.
Bei dem erfindungsgemäßen rotierenden Instrument kann es sich beispielsweise um ein Instrument zur abrasiven Bearbeitung von biologischen Werkstücken wie Knochen oder Zähne handeln, und insbesondere um einen Bohrer oder Fräser zur Verwendung in der Dentaltechnik, der Dentalchirurgie, der allgemeinen und Unfall-Chirurgie sowie der orthopädischen Chirurgie.
Das rotierende Instrument umfasst ein Substrat aus einem metallischen Werkstoff und eine auf dem Substrat gebildeten Oberfläche, die mindestens teilweise mit einer Beschichtung versehen ist. Die Beschichtung umfasst eine Hartstoffbeschichtung und eine als äußerste Schicht auf der Hartstoffbeschichtung durch physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) aufgebrachte Interferenzschicht aus Titanaluminiumnitrid (TiAIN).
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Hartstoffbeschichtung eine auf der Substratoberfläche durch ein PVD-Verfahren aufgebrachte Grundschicht aus TiN oder TiNbN. Zusätzlich kann eine auf der Grundschicht durch ein PVD-Verfahren aufgebrachte Deckschicht aus TiAIN. vorgesehen sein. Ferner kann wahlweise eine Anbindungsschicht aus Titan oder einer Titanlegierung zwischen dem Substrat und der TiN- oder TiNbN-Grundschicht vorgesehen sein.
Auf der Hartstoffbeschichtung kann ferner eine Reflexionsschicht aus TiN vorgesehen sein, insbesondere wenn die äußere Deckschicht der Hartstoffbeschichtung keine reflektierenden Eigenschaften aufweist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform besteht die Beschichtung des rotierenden Instruments aus der Grundschicht aus TiN und/oder TiNbN als Hartstoffbeschichtung und der Interferenzschicht aus TiAIN, sowie wahlweise der Anbindungsschicht aus Titan oder einer Titanlegierung.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform besteht die Beschichtung des rotierenden Instruments aus einer Hartstoffbeschichtung mit einer Grundschicht aus TiN und/oder TiNbN, einer Deckschicht aus TiAIN und wahlweise einer Anbindungsschicht aus Titan oder einer Titanlegierung, sowie einer auf der Hartstoffbeschichtung liegenden Reflexionsschicht aus TiN und der auf der Reflexionsschicht liegenden Interferenzschicht aus TiAIN als äußerste Schicht.
Herstellung einer erfindungsgemäßen Beschichtung mit Interferenzschicht
Im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel wurden metallische Substrate aus CoCrMo, Titan oder Edelstahl mit einer Hartstoffbeschichtung aus TiN versehen.
Auf der Substratoberfläche wurde zunächst eine 0,5 µm dicke Ti-Anbindungsschicht durch Lichtbogenverdampfen von einem Ti-Target abgeschieden. Auf diese Anbindungsschicht wurde ebenfalls durch Lichtbogenverdampfen eine Hartstoffbeschichtung aus TiN mit einer Schichtdicke von 1 bis 5 µm abgeschieden.
Die Abscheidung der TiN-Schicht erfolgte von einem Ti-Target bei einer Substratspannung (Bias) von 100 bis 200 V und einem Stickstoffdruck von 2 bis 4 Pa. Die Abscheidungstemperatur betrug etwa 100 bis 200 °C.
Zur Abscheidung der Hartstoffbeschichtung wurde eine Beschichtungskammer verwendet, in der sowohl einen Satz Lichtbogen-Targets als auch ein Satz Sputter-Targets eingebracht waren. Im ersten Schritt wurde eine 1-5 µm dicke TiN-Beschichtung mithilfe der Lichtbogen-Targets auf das metallische Substrat aufgebracht.
Vor Erreichen der maximalen Schichtdicke wurden die Sputter-Targets zugeschaltet. Es ergab sich ein Gradient beziehungsweise eine Vermischung der von den beiden Ionenquellen ausgehenden Teilchen. Im weiteren Verlauf des Prozesses wurden die Lichtbogen-Targets abgeschaltet und mithilfe der Sputter-Targets eine TiAIN-Schicht in einer Schichtdicke von 20 bis 100 nm abgeschieden. Die oberste Sputter-Schicht zeigt die gewünschten Interferenzfarben
Gemäß der Erfindung wird somit ein rotierendes Instrument mit Hartstoffbeschichtung erhalten, das eine verschleißfeste Hartstoffbeschichtung, beispielsweise mit einer oder mehreren Schichten aus TiN, TiNbN, TiSiN, ZrN, TiAIN, und eine Interferenzschicht zum Anzeigen von abrasiven Verschleißmechanismen durch Farbumschlag aufweist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102022111962 A1 [0003]
DE 102012107129 A1 [0016]
EP 1273679 A1 [0016]
DE 19614557 A1 [0016]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

M. Panjan, et. al., „Designing the color of AlTiN hard coating through interference effect“, Surface and Coatings Technology, Volume 254 (2014), Seiten 65-72, ISSN 0257-8972, https://doi.ora/10.1016/i.surfcoat.2014.05.065 [0004]

Claims

Rotierendes Instrument zur abrasiven Bearbeitung, mit einem Substrat aus einem metallischen Werkstoff und einer auf dem Substrat gebildeten Oberfläche, die mindestens teilweise mit einer Beschichtung versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung eine auf der Oberfläche aufgebrachte Hartstoffbeschichtung und eine als äußerste Schicht auf der Hartstoffbeschichtung durch physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) aufgebrachte Interferenzschicht aus Titanaluminiumnitrid (TiAIN) umfasst.
Rotierendes Instrument nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Interferenzschicht eine Schichtdicke von 20 bis 100 nm aufweist
Rotierendes Instrument nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Interferenzschicht auf einer reflektierenden Schicht aus TiN oder TiNbN aufliegt.
Rotierendes Instrument nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die reflektierende Schicht aus TiN oder TiNbN eine Schichtdicke von 50 bis 100 nm aufweist.
Rotierendes Instrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Titanaluminiumnitrid eine Zusammensetzung von Ti_1-xAl_xN mit 0,2 ≤ x ≤ 0,8 aufweist, bevorzugt von 0,50 ≤ x ≤ 0,7, jeweils mit Ausnahme von unvermeidbaren Verunreinigungen.
Rotierendes Instrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die physikalische Gasphasenabscheidung ein Sputtern, ein Lichtbogenverdampfen und Kombinationen davon ist.
Rotierendes Instrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hartstoffbeschichtung eine auf der Oberfläche durch ein PVD-Verfahren aufgebrachte Grundschicht aus TiN oder TiNbN umfasst.
Rotierendes Instrument nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Interferenzschicht aus TiAIN direkt auf der Grundschicht aus TiN oder TiNbN aufliegt.
Rotierendes Instrument nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Hartstoffbeschichtung eine auf der Grundschicht durch ein PVD-Verfahren aufgebrachte Deckschicht aus TiAIN umfasst.
Verwendung des rotierenden Instruments als Bohrer oder Fräser in der Dentaltechnik, der Dentalchirurgie, der allgemeinen und Unfall-Chirurgie sowie der orthopädischen Chirurgie.