DE102004048379A1 - Spring element made of sputtered shape memory alloy - Google Patents

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Eckhard Dr. Quandt
Bernhard Dr. Winzek
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Friedrich Dr. Sernetz
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    • C23C14/562—Apparatus specially adapted for continuous coating; Arrangements for maintaining the vacuum, e.g. vacuum locks for coating elongated substrates

Abstract

Federelement, insbesondere für den Einsatz in der Kieferorthopädie zur Korrektur von Zahnfehlstellungen, aufweisend einen hohlen Draht oder ein hohles Drahtstück mit einer dünnen Wandung aus einer Legierung mit Formgedächtnis, wobei die dünne Wandung des Drahtes oder Drahtstückes superelastische Eigenschaften aufweist.Spring element, in particular for use in orthodontics for the correction of misaligned teeth, comprising a hollow wire or a hollow piece of wire with a thin wall of a shape memory alloy, wherein the thin wall of the wire or piece of wire has superelastic properties.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Federelement, insbesondere für den Einsatz in der Kieferorthopädie zur Korrektur von Zahnfehlstellungen, aufweisend einen Draht oder ein Drahtstück aus Formgedächtnislegierung. Die Erfindung betrifft gleichfalls ein Verfahren zur Herstellung eines Drahtstückes für ein solches Federelement.The The present invention relates to a spring element, in particular for use in orthodontics for correction of malocclusions, comprising a wire or a piece of wire made of shape memory alloy. The invention also relates to a process for the preparation a piece of wire for a such spring element.

Ganz allgemein „erinnern" sich Formgedächtnis (FG)-Werkstoffe an ihre ursprüngliche Form und nehmen diese wieder an, wenn sie bei tiefer Temperatur (Martensit) verformt wurden und später eine Erwärmung in eine austenitische Hochtemperaturphase folgt. Derartige Werkstoffe zeigen außerdem häufig ein superelastisches Verhalten. Diese Eigenschaft ergibt sich daraus, dass innerhalb eines bestimmten Temperaturintervalls oberhalb einer charakteristischen Vorspannung von etwa einigen hundert MPa in der Spannungs-Dehnungs (Hysterese) Kurve ein Plateau auftritt. In diesem Dehnungsbereich wandelt sich der Austenit in Martensit um. Spannungsinduzierter Martensit kann sich entsprechend der angelegten Spannung entzwillingen und reagiert damit innerhalb des Plateaus auf eine Deformation des Materials mit einer konstanten Gegenkraft.All in general, shape memory (FG) materials "remember" to their original one Shape and take it back when it is at low temperature (Martensite) were deformed and later a warming in an austenitic high-temperature phase follows. Such materials show as well often a superelastic behavior. This property results from that within a certain temperature interval above a characteristic bias of about several hundred MPa in the Stress-strain (hysteresis) curve a plateau occurs. In this Stretching range converts austenite to martensite. voltage induced Martensite can tweak according to the applied stress and thus reacts within the plateau on a deformation of the Material with a constant drag.

So sind Federelemente aus Formgedächtnislegierungen insbesondere deswegen so attraktiv, weil sie innerhalb gewisser Grenzen superelastische Eigenschaften aufweisen. Gerade in der Kieferorthopädie ist diese Eigenschaft erstrebenswert, wo zur Korrektur von Zahnfehlstellungen konstante Kräfte von Vorteil sind. Bislang sind für diesen Einsatz Volldrähte aus Formgedächtnislegierung hinlänglich bekannt. Diese Drähte aus biokompatiblen Legierungen, insbesondere aus NiTi, werden bevorzugt für die oben genannten orthodontische Zwecke verwendet.So are spring elements made of shape memory alloys especially because they are so attractive Borders have superelastic properties. Especially in orthodontics is this property is desirable, where to correct dental malocclusions constant forces of Advantage are. So far, for this insert solid wires made of shape memory alloy adequately known. These wires Of biocompatible alloys, in particular of NiTi, are preferred for the above used orthodontic purposes.

Es hat sich allerdings gezeigt, dass im Biegeversuch und damit in der klinischen Anwendung das aus Zugversuchen bekannte und für den Einsatz entscheidende konstante Kraftplateau sich nicht ausbildet. Stattdessen wird ein überlagerter linear-elastischer Beitrag beobachtet, der speziell mit abnehmendem Drahtdurchmesser eine signifikante Bedeutung bekommt. Der Grund für dieses Verhalten liegt darin, dass der innere, die neutrale „Faser" umfassende Bereich bei einer Biegung des Drahtes die zum Erreichen des superelastischen Plateaus nötige Spannung nicht erreicht. Somit ergibt sich durch die unterschiedliche Biegebelastung der einzelnen Fasern eine Überlagerung von mehreren nichtlinearen Be- und Entlastungskurven, womit die für die kieferorthopädische Behandlung erwünschte Kraftkonstanz respektive Biegemomentkonstanz der orthodontischen Bögen nicht erzielt werden kann. Es lassen sich also auf diese Art kaum Drähte mit superelastischem Verhalten realisieren, die ein therapeutisch wünschenswertes konstantes Biegekraftplateau bei Entlastung besitzen.It However, it has been shown that in the bending test and thus in the clinical application known from tensile tests and for use decisive constant force plateau does not form. Instead becomes a superimposed one observed linear-elastic contribution, especially with decreasing Wire diameter gets a significant meaning. The reason for this Behavior lies in the fact that the inner, the neutral "fiber" area encompassing at a bend of the wire to reach the superelastic Plateaus necessary tension not reached. This results from the different bending load the individual fibers an overlay of several nonlinear loading and unloading curves, with which the for the orthodontic Treatment desired Constant force or bending moment constancy of the orthodontic Bows not can be achieved. It can be so in this way hardly wires with Realize superelastic behavior that is a therapeutically desirable own constant bending force plateau at discharge.

Aufgabe der Erfindung ist es nunmehr, ein Federelement aufweisend einen Draht mit derartigen Eigenschaften zu schaffen, wobei sich der Draht zumindest in Stücken einer begrenzten Länge einfach und kostengünstig herstellen lässt und wobei der Draht oder das Drahtstück die für die genannte Anwendung in der Kieferorthopädie gewünschte Superelastizität aufweist. Zudem ist es die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Drahtes zu schaffen, wobei der Draht entsprechend der besonders bevorzugten Anwendung in der Kieferorthopädie in entsprechenden Stücken zumindest begrenzter Länge hergestellt werden kann.task The invention is now, a spring element having a To create wire with such properties, with the wire at least in pieces a limited length easy and inexpensive can be produced and wherein the wire or piece of wire is suitable for the said application in orthodontics desired superelasticity having. In addition, it is the object of the invention to provide a method to create such a wire, the wire according to the most preferred application in orthodontics in corresponding pieces at least limited length can be produced.

Diese Aufgaben werden durch das Federelement mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruch 1 und das Verfahren nach Anspruch 14 gelöst. Merkmale besonderer Ausführungsformen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen genannt.These Tasks are by the spring element with the characterizing features of claim 1 and the method of claim 14. characteristics particular embodiments The invention are named in the respective subclaims.

Ein wesentlicher Grundgedanke der Erfindung liegt darin, sich für die Erzielung der Federwirkung des Federelementes eines hohlen Drahtes oder Drahtstückes zu bedienen, dessen Wandung verhältnismäßig dünn ist und aus einer Legierung mit Formgedächtnis besteht. Dabei kann das Federelement vollständig von dem Hohldraht gebildet sein oder ein aus derartigem Hohldraht gebogenes Teilstück enthalten. Es sei auch ausdrücklich erwähnt, dass das Merkmal „Hohldraht" nicht ausschließt, sein Inneres mit einem Material zu füllen, das sich vom Material der Wandung unterscheidet. Damit wird aus dem Hohldraht gewissermaßen ein „Kompositdraht".One An essential basic idea of the invention lies therein in the achievement the spring action of the spring element of a hollow wire or piece of wire to operate, whose wall is relatively thin and from a shape memory alloy consists. In this case, the spring element can be completely formed by the hollow wire or contain a portion bent from such hollow wire. It is also explicit mentioned, that the feature does not exclude "hollow wire" Filling the inside with a material which differs from the material of the wall. This will turn off the hollow wire, so to speak a "composite wire".

Erfindungswesentlich ist weiterhin, die dünne Wandung des Hohldrahtes so auszubilden, dass die superelastische Eigenschaft gerade bei einer Biegung erreicht wird. So wird wegen der dünnen Wandung der vom Kern herrührende Überlagerungseffekt auf das Kraftplateau nicht nur bei Zug, sondern auch beim Biegen und Verdrehen wesentlich reduziert. Unter Einsatz der Erfindung kann beim Biegen respektive bei der kieferorthopädischen Behandlung das erwünschte konstante superelastische Kraftplateau deutlich besser angenähert werden, als es bei einem Volldraht der Fall ist. Dies gilt umso mehr, je dünner die Wandung des Hohldrahtes ist. Dabei liegen die Außenabmessungen der für die genannten Zwecke einsetzbaren Drahtstücke etwa zwischen 0, 1 mm und 2 mm, wobei der Bereich zwischen 0.2 mm und 1 mm zu bevorzugen ist. Die Wandstärke der relativ dünnwandigen Wandung liegt erfindungsgemäß etwa zwischen 1 μm und 100 μm, insbesondere zwischen 5 μm und 50 μm. Es ist besonders vorteilhaft, die Wandung aus NiTi oder NiTiX zu fertigen, wobei X insbesondere Cu, Pd, Hf, Zr, Nb oder Fe ist.It is also essential to the invention to design the thin wall of the hollow wire in such a way that the superelastic property is achieved in the case of bending. Thus, due to the thin wall of the core originating superposition effect on the power plateau is significantly reduced not only in train, but also during bending and twisting. Using the invention, the desired constant superelastic force plateau can be approached much better in bending or in the orthodontic treatment than is the case with a solid wire. This applies all the more, the thinner the wall of the hollow wire. The outer dimensions of the wire pieces that can be used for the purposes mentioned are approximately between 0.1 mm and 2 mm, whereby the range between 0.2 mm and 1 mm is to be preferred. The wall thickness of the re According to the invention, the thin-walled wall is approximately between 1 μm and 100 μm, in particular between 5 μm and 50 μm. It is particularly advantageous to manufacture the wall of NiTi or NiTiX, wherein X is in particular Cu, Pd, Hf, Zr, Nb or Fe.

Um die bei derart dünnwandigen Hohldrähten bestehende Gefahr des Knickens zu minimieren, die gerade den Einsatz für kieferorthopädische Anwendungen stark beeinträchtigt, ist es vorteilhaft, den Hohldraht mit einer Füllung (Seele) aus einem Material zu versehen, wobei der Biegeelastizitätsmodul der Seele generell kleiner, insbesondere um mindestens den Faktor 10 kleiner, als der Biegeelastizitätsmodul des superelastischen Materials der Wandung zu wählen ist.Around the in such thin-walled hollow wires minimize existing risk of kinking, which is just the use for orthodontic applications severely impaired, it is advantageous to the hollow wire with a filling (soul) of a material to provide, with the flexural modulus of elasticity of the soul in general smaller, in particular smaller by at least a factor of 10, than the Flexural modulus of the superelastic material of the wall.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Seele von der Wandung form- und/oder kraftschlüssig umgeben ist. So wird ein für die genannten Einsatzgebiete geeigneter Materialverbund in der Art eines Kompositdrahtes der Stärke zwischen etwa 0,01 mm und 5 mm geschaffen. Die innerhalb der Wandung befindliche Seele hat einen verhältnismäßig geringes Elastizitätsmodul bei Biegung zwischen etwa 1 MPa und 80 GPa. Dabei kommt es auf die Geometrie des Querschnittes der Wandung nicht an. Dieser kann rund, oval oder eckig sein. Solche Komposit-Drähte können beispielsweise eine NiTi-Wandung und einen weichen Polymerkern haben.Farther it is advantageous if the soul of the wall form and / or force fit is surrounded. So will one for the applications mentioned suitable composite material in the art a composite wire of strength between about 0.01 mm and 5 mm. The inside of the wall Soul has a relatively low elastic modulus at bending between about 1 MPa and 80 GPa. It depends on the Geometry of the cross-section of the wall not on. This can be round, be oval or angular. Such composite wires can, for example have a NiTi wall and a soft polymer core.

Die Vorteile der Erfindung resultieren daraus, dass der erfindungsgemäße Draht insbesondere bei einer Biegung in einem in der Kieferorthopädie üblichen Maß, das Plateau erreicht, innerhalb dessen die angestrebten superelastischen Eigenschaften auftreten. Dabei kann durch optimierte Bedingungen eine superelastische Hysterese bei Körpertemperatur von 37°C erreicht werden. Zudem zeichnet sich das einen solchen Hohldraht aufweisende Federelement insbesondere im Fall der Kompositdrähte durch eine hohe Knickfestigkeit aus und lässt sich damit in nahezu beliebige Gestalt biegen. So können orthodontische Bögen mit der erwünschten Kraft- und Biegemomentkonstanz geformt werden. Die Erfindung trägt so zur Steigerung des Erfolges insbesondere kieferorthopädischer Behandlungen bei, wobei jedoch die Einsatzgebiete des Drahtes respektive der Drahtstückchen nahezu unbegrenzt sind. Diese liegen gerade wegen der guten Verträglichkeit des bevorzugten Werkstoffes NiTi insbesondere auch in der Medizin, wo sie als „mitwachsende" Stabilisatoren oder Verbindungselemente eingesetzt werden können.The Advantages of the invention result from the wire according to the invention especially in a bend in a conventional in orthodontics Measure, that Reached plateau, within which the desired superelastic Properties occur. It can by optimized conditions achieved a superelastic hysteresis at body temperature of 37 ° C. become. In addition, it is characterized by such a hollow wire having Spring element in particular in the case of composite wires by a high buckling strength off and lets thus bend into almost any shape. So can orthodontic Bows with the desired Force and bending moment consistency are formed. The invention thus contributes to the increase the success of, in particular, orthodontic treatments, wherein However, the applications of the wire or the wire pieces almost are unlimited. These are just because of the good compatibility the preferred material NiTi especially in medicine, where they are called "mitwachsende" stabilizers or Connecting elements can be used.

Ein anderer wesentlicher Gedanke der Erfindung liegt darin, die Wandung aus Formgedächtnislegierung in einem Sputtervorgang herzustellen. Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Komposit-Drähte unter Einsatz der Sputtertechnik sind zwei Ansätze denkbar: Ein Ansatz liegt in dem planaren Opferschichtverfahren, wie es in DE 199 48 199 A1 beschrieben wird. Die Abscheidung gesputterter NiTi Schichten auf den darin offenbarten Polymerfolien hat jedoch den Nachteil, dass dieses Verfahren keine Rundumbeschichtung vorsieht.Another important idea of the invention is to produce the shape memory alloy wall in a sputtering process. Two approaches are conceivable for producing the composite wires according to the invention using the sputtering technique. One approach is the planar sacrificial layer method as described in US Pat DE 199 48 199 A1 is described. The deposition of sputtered NiTi layers on the polymer films disclosed therein, however, has the disadvantage that this method does not provide all-round coating.

Im Gegensatz dazu ist die unmittelbare Rundumbeschichtung von entsprechend profilierten polymeren Substraten mit einer Schicht aus Formgedächtnislegierung möglich. Bei diesem Verfahren ist jedoch auf die Temperaturbeständigkeit der verwendeten Polymere zu achten.in the In contrast, the immediate all-round coating is appropriate profiled polymeric substrates with a layer of shape memory alloy possible. However, in this method is on the temperature resistance to pay attention to the polymers used.

Um die genannten Nachteile zu vermeiden, wird erfindungsgemäß ein Kern aus Opfermaterial, beispielsweise eine Kapillare oder ein Rohr aus Kupfer oder Messing, mit Formgedächtnislegierung mit superelastischen Eigenschaften, insbesondere mit NiTi, rundum beschichtet. Wie nachfolgend beschrieben, wird der Kern oder die Seele aus dem unerwünschten Fremdmaterial im Anschluss an das Sputtern und im Anschluss die eventuell notwendige Glühbehandlung in einem Säurebad aufgelöst und durch einen weichen Polymerkern ersetzt. Dieser kann beispielsweise in die Bohrung des Drahtes eingegossen oder eingezogen werden. Es ist dabei von Vorteil, wenn die Wandung des Drahtstückes die Seele unmittelbar und insbesondere kraftschlüssig umgibt. Als Materialien für die Seele bieten sich Nylon, Perlon, Silikon, Polyimid, Epoxydharz oder zahnmedizinischer Kleber an. Es ist auch möglich, die Seele aus monofilen und/oder multifilen Polymerfäden zu fertigen, die ihrerseits auch eingegossen werden können, so dass die Seele selbst einen Materialverbund bildet.Around To avoid the disadvantages mentioned, according to the invention is a core made of sacrificial material, such as a capillary or a tube Copper or brass, with shape memory alloy with superelastic properties, especially with NiTi, all around coated. As described below, the core or the Soul from the unwanted Foreign material after sputtering and then the possibly necessary annealing treatment in an acid bath disbanded and replaced by a soft polymer core. This can for example be poured or pulled into the bore of the wire. It is advantageous if the wall of the piece of wire the soul surrounds directly and in particular non-positively. As materials for the Soul is nylon, nylon, silicone, polyimide, epoxy or dental adhesive. It is also possible to monofilament the soul and / or multifilament polymer threads to manufacture, which in turn can be cast, so that the soul itself forms a composite material.

Die erfindungsgemäßen Drähte liegen insbesondere in folgenden Dimensionen vor: Die Wandstärken der Formgedächtnislegierung liegen im Bereich zwischen 1 μm und 100 μm, wobei der Bereich zwischen 5 μm und 50 μm bevorzugt ist. Die Außenabmessung liegt im Bereich zwischen 0,1 mm und 2 mm, wobei der Bereich zwischen 0,2 mm und 1 mm bevorzugt ist. Der Biegeelastizitätsmodul des Füllmaterials liegt im Bereich zwischen 100 kPa und 80 GPa, wobei der Bereich zwischen 100 MPa und 2 GPa besonders bevorzugt ist. Die Längen der herzustellenden Drähte liegen in der Größenordnung von mehreren Zentimetern, wobei sich die in der Kieferorthopädie gebräuchlichen Dimensionen von etwas 10 cm bis 20 cm problemlos mit dem vorgeschlagenen Verfahren fertigen lassen. Auch Drahtlängen der Größenordnung eines Meters sind denkbar. Der Länge insbesondere der ungefüllten Hohldrähte sind bei der Fertigung keine prinzipiellen Grenzen gesetzt.The wires according to the invention are especially in the following dimensions: The wall thicknesses of Shape memory alloy lie in the range between 1 μm and 100 μm, the range being between 5 μm and 50 μm is preferred. The outer dimension lies in the range between 0.1 mm and 2 mm, whereby the range between 0.2 mm and 1 mm is preferred. The flexural elasticity module of the filling material lies in the range between 100 kPa and 80 GPa, whereby the range between 100 MPa and 2 GPa is particularly preferred. The lengths of the wires to be produced are of the order of magnitude of several centimeters, which are common in orthodontics Dimensions of about 10 cm to 20 cm easily with the proposed method manufacture. Also wire lengths of the order of magnitude of a meter are conceivable. The length especially the unfilled hollow wires There are no fundamental limits to production.

Nachfolgend wird eine Ausführungsform der Erfindung anhand der 1 bis 3 näher erklärt. Es zeigen:Hereinafter, an embodiment of the invention with reference to 1 to 3 explained in more detail. Show it:

1 vier Stufen der Herstellung eines Komposit-Drahtes, 1 four stages of making a composite wire,

2 ein Schema einer Biegeprüfung und 2 a schematic of a bending test and

3 Hysteresekurven eines Komposit-Drahtes und eines herkömmlichen Drahtes 3 Hysteresis curves of a composite wire and a conventional wire

1 zeigt in vier Stufen die Herstellung eines mit Polymer gefüllten Hohl-Drahtes, dessen Wandung aus Formgedächtnislegierung mit superelastischem Verhalten besteht. Generell erfolgt das Abscheiden der Legierung mittels der bekannten physikalischen Abscheidemethoden, vorzugsweise mit den bekannten Methoden des Sputterns oder des Kathodenzerstäubens. Zur Herstellung kristalliner Schichten wird entweder auf ein beheiztes Substrat bei mindestens 450°C abgeschieden oder es wird nach dem Sputtervorgang eine Lösungsglühung bei ca. 500 – 700°C durchgeführt. 1 shows in four stages the production of a polymer-filled hollow wire whose wall of shape memory alloy is superelastic behavior. In general, the deposition of the alloy takes place by means of the known physical deposition methods, preferably with the known methods of sputtering or cathode sputtering. For the production of crystalline layers is deposited either on a heated substrate at least 450 ° C or it is carried out after the sputtering solution annealing at about 500 - 700 ° C.

Erfindungsgemäß wird ein Röhrchen mit kreisförmigem, rechteckigem oder ovalem Querschnitt mit Sputtertechnik folgendermaßen gefertigt: Zunächst wird als Substrat (Rohling) ein Drahtstück oder eine Kapillare 1 (1a) aus Opfermaterial, beispielsweise eine kommerziell erhältliche Kupferkapillare, bereitgestellt. Diese wird in einem folgenden Schritt (1b) rundumbeschichtet.According to the invention, a tube with a circular, rectangular or oval cross-section is produced by sputtering technique as follows: First of all, the substrate (blank) is a piece of wire or a capillary 1 ( 1a ) of sacrificial material, for example, a commercially available copper capillary. This will be done in a following step ( 1b ) round-coated.

Zu diesem Zweck wird beispielsweise das zu besputterende Substrat 1 in Rotation versetzt (Pfeil A) und eine gerichtete Beschichtung durch Sputtern (Pfeile 2) durchgeführt. Auf dem Substrat 1 bleibt die FG-Legierung 3, hier aus NiTi, haften.For this purpose, for example, the sputtering substrate 1 set in rotation (arrow A) and a directional coating by sputtering (arrows 2 ) carried out. On the substrate 1 remains the FG alloy 3 , here from NiTi, adhere.

Im Anschluss (1c) wird das rundumbeschichtete Opfersubstrat durch Einsatz eines selektiven Lösungsmittels 4 entfernt, das sich in einem Gefäß 5 befindet. Im Fall der NiTi-beschichteten Kupferelektrode wird 30%ige Salpetersäure eingesetzt. Zu erkennen ist, wie sich das Kupfer 6 auflöst.In connection ( 1c ), the circularly coated sacrificial substrate is replaced by the use of a selective solvent 4 removed, which is in a vessel 5 located. In the case of the NiTi-coated copper electrode, 30% nitric acid is used. It can be seen how the copper is 6 dissolves.

Die Kristallisation der gesputterten Formgedächtnisschicht erfolgt vor oder im Anschluss an das selektive nasschemische Ätzen. Abschließend wird das weiche Kernmaterial in den Hohldraht eingebracht. Dazu ist es beispielsweise möglich, einen Nylon- bzw. Perlonfaden 7 oder eine Verflechtung von mehreren Fäden mit einem Kleber zu bestreichen, diesen in den Hohldraht 3 einzuführen und dort trocknen zu lassen. Alternativ kann ein Zweikomponentenkleber, wie ein Epoxydharz oder ein anderer an Luft härtender Einkomponentenkleber, in den Hohldraht 3 eingefüllt werden (1d).The crystallization of the sputtered shape memory layer occurs before or after the selective wet chemical etching. Finally, the soft core material is introduced into the hollow wire. For this it is possible, for example, a nylon or Perlon thread 7 or to coat an interlacing of several threads with an adhesive, this in the hollow wire 3 to introduce and let dry there. Alternatively, a two-component adhesive, such as an epoxy resin or other single-component air-curing adhesive, may be incorporated into the hollow wire 3 be filled in ( 1d ).

Mit dem Verfahren wurden durch einen kontinuierlichen Ablagerungsprozesses von NiTi auf einer rotierenden Kupferkapillaren erfindungsgemäße Drähte geschaffen. Nach der Kristallisation und dem Herauslösen des Kupferkerns unter Einsatz von Salpetersäure war eine sich selbst tragende NiTi-Kapillare geschaffen worden, die mit Polyamiddraht gefüllt wurde. Dabei wurde der Elastizitätsmodul des weichkernigen Materials im Vergleich zum Elastizitätsmodul von NiTi als vernachlässigbar angesehen.With The process was characterized by a continuous deposition process created by NiTi on a rotating copper capillaries wires according to the invention. After crystallization and dissolution of the copper core under use of nitric acid a self-supporting NiTi capillary had been created which was filled with polyamide wire. In the process, the elastic modulus became of the soft core material compared to the modulus of elasticity from NiTi as negligible considered.

Das superelastische Kraftplateau eines erfindungsgemäßen Drahtes wird bei etwa 37°C mittels einer 3-Punkt-Biegeprüfung (2) mit mittiger Belastung und einem Auflageabstand von 10mm bestimmt. Das zu prüfende Drahtstück wird mittig bis zu 3,1 mm durchgebogen und die dafür notwendige Biegekraft bei Be- und Entlastung gemessen. Das Kraftplateau wird insbesondere dann als ausreichend therapeutisch wünschenswert und konstant angesehen, wenn bei der Entlastung die Änderung der Biegekraft im Bereich zwischen der Durchbiegung bei 2,0 mm und der Durchbiegung bei 1,0 mm nicht mehr als 20% der Biegekraft bei 2,0 mm beträgt und die Biegekraft bei 2,0 mm 5N nicht übersteigt.The superelastic force plateau of a wire according to the invention is tested at about 37 ° C. by means of a 3-point bending test ( 2 ) with a central load and a support distance of 10mm. The piece of wire to be tested is bent centrally up to 3.1 mm and the required bending force during loading and unloading is measured. The force plateau is considered to be sufficiently therapeutically desirable and constant, especially when, on unloading, the change in bending force in the range between the deflection at 2.0 mm and the deflection at 1.0 mm does not exceed 20% of the bending force at 2.0 mm and the bending force at 2.0 mm does not exceed 5N.

Im linear elastischen Bereich der Biegekurve berechnet sich der Biegeelastizitätsmodul E nach der folgenden Gleichung, wobei F die Biegekraft [N], L der Auflageabstand [mm], I der Flächenträgheitsmoment [mm2] und δ die Durchbiegung [mm] ist. E = 1/48·[(F·L3)/(I·δ)] In the linear elastic range of the bending curve, the bending elastic modulus E is calculated according to the following equation, where F is the bending force [N], L is the bearing distance [mm], I is the area moment of inertia [mm 2 ] and δ is the deflection [mm]. E = 1/48 · [(F · L 3 ) / (I · δ)]

In 3 ist das Biegeverhalten (Hysterese) 8 eines Verbundes mit einem rechtwinkligen NiTi-Röhrchen vom Querschnitt 400 μm × 560 μm, das mit Nylon gefüllt ist, schematisch im Vergleich zur Hysterese 9 eines kieferorthopädischen NiTi-Volldrahtes bei Körpertemperatur von 37°C dargestellt. Aufgetragen sind die Durchbiegung in mm gegen die Biegekraft in N. Zu sehen sind die Belastungsäste 10 und das Verhalten beim Entlasten 11 gezeigt. Während im Fall der Hysterese 9 kaum ein sichtbares Plateau insbesondere im besonders interessanten Entlastungsast 11a zu erkennen ist, zeigt der Entlastungsast 11b ein ausgeprägtes konstantes Plateau 12.In 3 is the bending behavior (hysteresis) 8th a composite with a rectangular NiTi tube of cross section 400 microns × 560 microns, which is filled with nylon, schematically compared to the hysteresis 9 of an orthodontic NiTi solid wire at body temperature of 37 ° C. The deflection in mm is plotted against the bending force in N. You can see the load branches 10 and the behavior when relieving 11 shown. While in the case of hysteresis 9 hardly a visible plateau especially in the particularly interesting unloading branch 11a can be seen, shows the unloading branch 11b a pronounced constant plateau 12 ,

Claims (16)

Federelement, insbesondere für den Einsatz in der Kieferorthopädie zur Korrektur von Zahnfehlstellungen, aufweisend einen hohlen Draht oder ein hohles Drahtstück mit einer dünnen Wandung aus einer Legierung mit Formgedächtnis, wobei die dünne Wandung des Drahtes oder Drahtstückes superelastische Eigenschaften aufweist.Spring element, in particular for use in orthodontics Correction of malocclusions, having a hollow wire or a hollow piece of wire with a thin one Wall of a shape memory alloy, the thin wall of the wire or piece of wire has superelastic properties. Federelement nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine nahezu konstante Rückstellkraft bei einer Biegung bei Körpertemperatur.Spring element according to claim 1, characterized by a nearly constant restoring force at a bend at body temperature. Federelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet dass das Drahtstück Außenabmessungen zwischen 0, 1 mm und 2 mm, insbesondere zwischen 0.2 mm und 1 mm, wobei die Wandung zwischen 1 μm und 100 μm, insbesondere zwischen 5 μm und 50 μm, stark ist.Spring element according to claim 1 or 2, characterized that the piece of wire external dimensions between 0, 1 mm and 2 mm, in particular between 0.2 mm and 1 mm, the wall being between 1 μm and 100 μm, in particular between 5 μm and 50 μm, strong. Federelement nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass die Wandung des Drahtes oder Drahtstückes eine Seele aus Füllmaterial umgibt, wobei der Biegeelastizitätsmodul der Seele kleiner, insbesondere kleiner als ein Zehntel, des Biegeelastizitätsmoduls der Wandung ist.Spring element according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the wall of the wire or piece of wire a Soul from filling material surrounds, wherein the bending elastic modulus of the Soul smaller, in particular smaller than one-tenth, of the flexural modulus of elasticity the wall is. Federelement nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Biegeelastizitätsmodul des Füllmaterials im Bereich zwischen 100 kPa und 80 GPa, insbesondere zwischen 100 MPa und 2 GPa, liegt.Spring element according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the flexural modulus of elasticity of the filler in the range between 100 kPa and 80 GPa, in particular between 100 MPa and 2 GPa, lies. Federelement nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung des Drahtstückes die Seele kraft- und/oder formschlüssig umgibt.Spring element according to one of the preceding claims, characterized in that the wall of the piece of wire surrounds the force and / or positive fit of the soul. Federelement nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Seele aus Polymer, insbesondere aus Nylon, Perlon, Silikon, Polyimid, Epoxydharz oder einem zahnmedizinischen Adhäsive, gefertigt ist.Spring element according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the core is made of polymer, in particular nylon, Perlon, silicone, polyimide, epoxy or a dental adhesives, is made. Federelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Seele aus monofilen und/oder multifilen Polymerfäden gefertigt ist.Spring element according to claim 7, characterized that the soul made of monofilament and / or multifilament polymer threads is. Federelement nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Seele selbst einen Verbund verschiedener Materialien bildet, wobei insbesondere einer oder mehrere Fäden in ein Polymer eingegossen sind.Spring element according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the soul itself is a composite of different Materials forms, in particular one or more threads in a Polymer are poured. Federelement nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung aus NiTi oder NiTiX besteht, wobei X insbesondere Cu, Pd, Hf, Zr, Nb oder Fe ist.Spring element according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the wall consists of NiTi or NiTiX, wherein X is in particular Cu, Pd, Hf, Zr, Nb or Fe. Federelement nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Seele nach der Fertigung der Wandung in den durch die Wandung gebildeten Hohldraht eingebracht ist.Spring element according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the soul after manufacturing the wall in the hollow wire formed by the wall is introduced. Federelement nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Seele unmittelbar mit der Formgedächtnislegierung beschichtet ist.Spring element according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the soul directly with the shape memory alloy is coated. Federelement nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer 3-Punkt-Biegeprüfung bei 37°C mit mittiger Belastung und einem Auflageabstand von 10 mm nach einer Belastung bis zur Durchbiegung von zu 3,1 mm und anschließender Entlastung die gemessene Änderung der Biegekraft im Bereich zwischen der Durchbiegung bei 2,0 mm und der Durchbiegung bei 1,0 mm nicht mehr als 20% der Biegekraft bei 2,0 mm beträgt und die Biegekraft bei 2,0 mm 5N nicht übersteigt.Spring element according to one of the preceding claims, characterized characterized in that in a 3-point bending test at 37 ° C with central load and a support distance of 10 mm after loading until deflection from to 3.1 mm and then Relief the measured change the bending force in the range between the deflection at 2.0 mm and the deflection at 1.0 mm does not contribute more than 20% of the bending force 2.0 mm and the bending force at 2.0 mm does not exceed 5N. Verfahren zur Herstellung eines Drahtstückes für ein Federelement nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst ein Rohling (1) aus Opfermaterial bereit gestellt wird, dass der Rohling in einem Abscheideverfahren, insbesondere in einem Sputterprozess, mit der Formgedächtnislegierung (3) rundumbeschichtet wird, dass der Rohling (1) mit einem selektiven Lösungsmittel (4) entfernt wird, wobei die Wandung (3) als Hohldraht verbleibt, und dass die Seele (7) in den von der Wandung (3) gebildeten Hohldraht eingebracht wird.Method for producing a piece of wire for a spring element according to one of the preceding claims, characterized in that initially a blank ( 1 ) is provided from sacrificial material that the blank in a deposition process, in particular in a sputtering process, with the shape memory alloy ( 3 ), that the blank ( 1 ) with a selective solvent ( 4 ) is removed, wherein the wall ( 3 ) remains as a hollow wire, and that the soul ( 7 ) in the wall ( 3 ) formed hollow wire is introduced. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohling (1) im Strahl (2) des zur Abscheidung aufzubringenden Substrates der Formgedächtnislegierung gedreht wird.Method according to claim 14, characterized in that the blank ( 1 ) in the beam ( 2 ) of the substrate to be applied for the deposition of the shape memory alloy is rotated. Kieferorthopädische Apparatur, insbesondere Zahnspange, aufweisend ein Federelement nach einem der vorherigen Ansprüche.Orthodontic Apparatus, in particular braces, comprising a spring element according to one of the preceding claims.
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