Jahrzehntelang waren verschiedene Arten von Metallen in den meisten Branchen das bevorzugte Material. In vielen Anwendungen ersetzen Kunststoffe schnell Metalle, und nur das, was aufgrund von Leistungseinschränkungen nicht in Kunststoff umgewandelt werden konnte, ist im Allgemeinen Metall geblieben. Es gibt eine Materialkategorie, die die Festigkeit von Metall mit den Vorteilen von Kunststoffen verbindet. Diese Kategorie sind Verbundwerkstoffe, und wir werden drei spezifische Bereiche untersuchen: die Luft- und Raumfahrt sowie zwei Anwendungen in anderen Branchen, in denen thermoplastische Verbundwerkstoffe Metalle in Hochleistungsanwendungen ersetzen.

1. Thermoplastische Verbundwerkstoffe als Metallersatz für Mobilitätsplattformen mit komplexen Formen.
2. Thermoplastische Verbundwerkstoffe zur Steigerung der Effizienz von industriellen Verarbeitungsanlagen.
3. Thermoplastische Verbundwerkstoffe für chirurgische Instrumente, die bei orthopädischen Operationen für Röntgendurchlässigkeit sorgen.

Gewichtsreduzierung von komplex geformtem Metallersatz für Mobilität

Zu den zukunftsweisenden Mobilitätsplattformen gehören Verkehrsflugzeuge, Urban Air Mobility (UAM), Drohnen und mobile Roboter (z. B. vierbeinige Roboter). Diese Plattformen profitieren von Gewichtsreduzierung, skalierbarer Fertigung für komplexe Formen, Korrosionsschutz und Bauteilkonsolidierung. Diese Vorteile lassen sich mit einem Hochleistungs-Verbundwerkstoff in Verbindung mit dem Wissen und der Erfahrung zur Herstellung von Komponenten in Produktionsmengen realisieren.

Die meisten Produktionsverfahren zur Herstellung von Metallkomponenten erfordern subtraktive Methoden, bei denen Materialabfälle aus CNC-Bearbeitungen anfallen. Es fallen Kosten für das Material und die Zeit/Energie für die Bearbeitung an. Ganz zu schweigen von den Investitionskosten für die CNC-Maschine. Bei Bauteilen aus Verbundwerkstoffen wird nur das Material verbraucht, das zum Formen des endgültigen Teils benötigt wird, und bei Net-Molding-Verfahren gibt es nur sehr wenig Materialabfall und ein Minimum an Nachbearbeitung. Bei Metallbauteilen sind in der Regel mehrere Komponenten erforderlich, die mit Beschlägen und eingearbeiteten Merkmalen verbunden sind. Diese können bei netzgegossenen Bauteilen eliminiert werden, wobei die Konsolidierung der Teile eine schnellere Montagezeit, kleinere Stücklisten und ein einfacheres Design mit weniger Fehlerpunkten ermöglicht.

Greene Tweed kann mit seinem Xycomp® DLF®-Material und seinen Fertigungskapazitäten komplexe Formen aus Metall ersetzen. Wir können thermoplastische, kohlenstofffaserverstärkte, formgepresste Komponenten mit höherer Leistung im Vergleich zu spritzgegossenen Kunststoffen und mit der gleichen Anwendungsleistung wie das etablierte Metall liefern. All dies ist möglich, während wir gleichzeitig in der Lage sind, die Fertigung zu erweitern. Dies wird durch den Ansatz von Greene Tweed ermöglicht, ein Full-Service-Partner für die gemeinsame Entwicklung von nichtmetallischen Lösungen zu sein (einschließlich Design, FEA, Tests, Bewertung und Concurrent Engineering), und durch unseren Einsatz von Fertigungsautomatisierung während des gesamten Prozesses.

Verbesserung der Effizienz und Zuverlässigkeit von Zentrifugalpumpen

In Zentrifugalpumpen werden Verschleißmaterialien als Puffer zwischen rotierenden und stationären Teilen verwendet. In der Vergangenheit waren diese Komponenten metallischer Natur. Seit 2003 sind nichtmetallische Werkstoffe in der API-Norm 610 als geeignete Verschleißwerkstoffe für solche Anwendungen anerkannt. Verschleißkomponenten aus Verbundwerkstoffen können mit einem geringeren dynamischen Spiel eingebaut werden als metallische Komponenten. Ein kleineres dynamisches Spiel hat zwei entscheidende Vorteile.

• Erstens wird durch den verringerten Freiraum die Rezirkulation oder das Entweichen von Prozessmedien eingeschränkt, wodurch der Durchsatz oder die Effizienz der Anlage verbessert wird.
• Zweitens wird durch das verringerte Spiel ein erhöhter Flüssigkeitsdruck um die Welle herum erzeugt, der einen Zentriereffekt hat, der die Welle stabilisiert und die Systemvibrationen reduziert, wodurch die Zuverlässigkeit der Anlage verbessert wird. 

Warum sind diese Vorteile so wichtig? Nun, Zentrifugalpumpen sind so konzipiert, dass sie unter optimalen Bedingungen arbeiten, einschließlich eines Flüssigkeitsfilms zwischen stationären und rotierenden Elementen innerhalb der Anlage. Dennoch kommt es immer wieder zu ungeplanten Zwischenfällen, die zu einem niedrigen Schmiermittelstand führen. Diese Zwischenfälle können zu übermäßigem Verschleiß, Beschädigung der Pumpenwelle, Festfressen kritischer Komponenten und sogar zum Verschweißen von Welle und Metallverschleißteilen führen, wodurch die Pumpe vollständig blockiert wird. Jedes dieser Ergebnisse kann die Produktion verlangsamen oder sogar zum Stillstand bringen.

Die ausgezeichneten Reibungs- und Verschleißeigenschaften der Verbundwerkstoffe von Greene Tweed ermöglichen das Überleben bei solchen Ereignissen und mindern in extremen Fällen das Risiko von Schäden an der Pumpenhardware, indem sie als Opferkomponenten dienen. Ein angemessenes dynamisches Spiel zwischen rotierenden und stationären Komponenten ist ein entscheidender Faktor für die Leistung und Lebensdauer von Kreiselpumpenkomponenten. Ganz gleich, ob Sie ein Material für Trockenlauf, Verschleißfestigkeit oder Erosionsbeständigkeit wählen, Greene Tweed hat ein Portfolio an bewährten Lösungen für Ihre Anwendung.

Röntgendurchlässige chirurgische Instrumente für orthopädische Operationen:

Mehr als 2,8 Millionen Menschen werden jährlich mit Verletzungen ins Krankenhaus eingeliefert ^[1], und Unfälle (unbeabsichtigte Verletzungen) waren im Jahr 2020 die vierthäufigste Todesursache in den USA nach Herzkrankheiten, Krebs und COVID-19 ^[2]. Unfälle können zu einem Knochenbruch führen, der als orthopädisches Trauma eingestuft wird (neben anderen Brüchen, Rissen, Frakturen usw.). Bei der Wiederherstellung großer Knochen (z. B. des Oberschenkelknochens oder des Beckens) verwendet der Chirurg eine Führung für die Nägel und Schrauben, mit denen der Knochen fixiert und gesichert wird. Während dieser Operationen muss der Chirurg interoperative Röntgenaufnahmen machen (Fluoroskopie genannt). Die CDC definiert die Fluoroskopie als "ein medizinisches Verfahren, bei dem ein Echtzeit-Video der Bewegungen im Inneren eines Körperteils erstellt wird, indem Röntgenstrahlen über einen bestimmten Zeitraum durch den Körper geleitet werden" ^[3].

Bei Führungen (z. B. Schneide-, Bohr- und Nagelführungen), Retraktoren, Detraktoren, Pinzetten und anderen Instrumenten gibt es Probleme mit der Fluoroskopie, wenn das Instrument aus Metall besteht. Dies gilt insbesondere für Instrumente, die sich bei Traumaoperationen routinemäßig im Sichtfeld befinden. Diese Instrumente versperren dem Chirurgen während der Durchleuchtung die Sicht auf die Traumastelle. Dies kann zu zusätzlichen Durchleuchtungen und zum Verschieben der Geräte und/oder des Patienten führen, was wiederum eine längere Operationszeit zur Folge hat.

Wenn das Instrument aus einem Material besteht, das Röntgen- und Durchleuchtungsstrahlen durchlässt, wird das Instrument die Sicht nicht vollständig blockieren. Diese Materialeigenschaft wird als Röntgendurchlässigkeit bezeichnet, und für einige Instrumente ist sie entscheidend. Wenn eine Bohrschablone röntgendurchlässig ist und während der Durchleuchtung nicht bewegt werden muss, kann dies dazu beitragen, die Gesamtzeit im Operationssaal zu verkürzen.

Die Entwicklung eines Instruments aus röntgendurchlässigem Material kann schwierig sein. Metalle wie Aluminium können den Kräften, die auf diese Führungen einwirken, nicht standhalten. Typische spritzgegossene Kunststoffmaterialien können nicht im Autoklaven dampfsterilisiert werden (die typischste Sterilisationsmethode für chirurgische Instrumente). Das einzige alternative Material zu einem maschinell bearbeiteten Edelstahlinstrument, das eine lange Lebensdauer in der Dampfsterilisation aufweist, ist ein kohlenstofffaserverstärkter PEEK-Verbundwerkstoff wie Greene Tweeds Orthtek® Material. Greene Tweed kann dieses Material in Plattenform bis zu einer Dicke von 2,5" liefern. Das dickere Material ermöglicht eine größere Flexibilität bei der Konstruktion und Herstellung von Instrumenten. Greene Tweed ist auch in der Lage, halbfertige Komponenten und fertige Instrumente mit Metallbeschlägen herzustellen.

Referenzen:

[1] CDC Injury Center, Daten zu nichttödlichen Verletzungen, Verteilung nichttödlicher Verletzungen nach Disposition, geschätzte Anzahl, 2020 - https://wisqars.cdc.gov/data/lcd/home

[2] CDC Injury Center, Daten zu nichttödlichen Verletzungen, 10 führende Todesursachen, Vereinigte Staaten, geschätzte Anzahl, 2020 - https://wisqars.cdc.gov/data/lcd/home

[3] CDC, Strahlung im Gesundheitswesen, Fluoroskopie - https://www.cdc.gov/nceh/radiation/fluoroscopy.html