Wissenschaft

Optimales Monitoring

Piezokeramiken in intelligenten Zahnimplantaten

Dental Implant
stock.adobe.com – Alexandr Mitiuc

Irgendwie muss der gezogene Zahn ersetzt werden. Titanimplantate fallen bei den "Root Cause" Experten aber auch durch ...

Ein Material wie kein anderes

Ob in Quarzuhren, als Einspritzsystem für Kraftfahrzeuge oder in Lautsprechern – Piezokeramiken sind seit Jahren Bestandteil moderner Technik. Das Material hat ganz außergewöhnliche Eigenschaften: Wird Druck auf die Piezokeramik ausgeübt, das Material also mechanisch belastet, entsteht eine Spannung. Und auch umgekehrt: Wenn eine Spannung angelegt wird, verändert sich die Form des Materials. Stromerzeugend und formwechselnd – ein Allrounder.

Forscher des Fraunhofer-Instituts für Keramische Technologien und Systeme (Fraunhofer-IKTS) und des Fraunhofer-Instituts für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM (Fraunhofer-IZM) wollen gemeinsam mit dem Hasso-Plattner-Institut sowie der FU Berlin im Rahmen des Projekts „Smart Co-Creation“ den Einsatz von Piezokeramiken vor allem für Entwicklungen in mittelständischen Unternehmen vorantreiben. Ganz im Sinne des Design Thinking fanden bereits zwei Reihen mit jeweils drei Workshops statt, im Rahmen derer Experten und Anwender die Anwendungspotenziale von Piezokeramiken für konkrete Branchen diskutierten.

Zahnimplantate und Brücken mit Piezokeramiken überwachen

Das erste gemeinsame Brainstorming legte den Fokus auf medizinische Anwendungen: Piezokeramiken in intelligente Zahnimplantate einzusetzen, kann zu einem optimalen Monitoring der Implantate beitragen. Technisch funktioniert das wie folgt: Durch das Kauen wird mechanischer Druck auf die Keramik ausgeübt, wodurch eine elektrische Spannung erzeugt wird, die ausgewertet werden kann. Gibt es Unregelmäßigkeiten oder Schäden in dem zahnmedizinischen Gebilde, verändert sich diese Spannung – sofort kann gehandelt werden, ohne dass größerer Aufwand entsteht.

In der zweiten Workshopreihe ging es um den Einsatz von Piezokeramiken zur Überwachung großer Infrastrukturen. Sie können beispielsweise die Vibrationen von Brücken aufnehmen. Veränderungen der Schwingungsmuster zeigen Schäden an. So wird der Brückenzustand überwacht und Reparaturen können noch vor dem Eintreten gravierender Schäden durchgeführt werden.

Einen Nachteil allerdings haben Piezokeramiken: Sie enthalten Blei, welches bei Gewinnung und Verhüttung, aber auch bei unsachgemäßem Recycling des Materials in Stäuben austreten und so zum Beispiel in den Wasserkreislauf gelangen kann. Die Folgen für Mensch und Umwelt sind drastisch, da dieses Schwermetall bereits bei geringen aufgenommenen Mengen Nervenschäden verursacht.
Um das zu verhindern, hat die Europäische Union Richtlinien aufgesetzt, die grundsätzlich die Nutzung des Bleis in elektrischen und elektronischen Geräten verbieten.

Bisher kein bleifreies Keramikmaterial mit vergleichbarer Leistung

Doch es gibt Ausnahmen: Bedingt dadurch, dass beim derzeitigen Stand der Wissenschaft und Technik bisher kein bleifreies Keramikmaterial mit vergleichbarer Leistung entwickelt werden konnte, wurden für Piezokeramiken Ausnahmen von der Regel ausgesprochen. Diese werden alle vier bis sieben Jahre dem Stand der Wissenschaft und Technik angeglichen, das heißt, es wird insbesondere geprüft, ob der wissenschaftliche und technische Fortschritt die Substitution des Bleis in den Piezokeramiken ermöglicht, was bisher nicht der Fall ist.

Dr.-Ing. Otmar Deubzer, Experte für produktbezogenes Umweltrecht am Fraunhofer-IZM, begleitete beide Workshops und achtete bei der Ausarbeitung der Anwendungen auf die Konformität mit den Richtlinien RoHS, REACh, WEEE und EuP/ErP der Europäischen Kommission. „Piezokeramiken sind ein wunderbares Material, dessen Eigenschaften wirklich nicht leicht zu ersetzen sind“, erklärt Deubzer.

„Umso wichtiger ist es, dass schon bei der Ideenfindung eine realistische und verantwortungsvolle Herangehensweise gewählt wird, die es ermöglicht, Piezokeramiken entsprechend der gesetzlichen Ausnahmen in der elektronischen Produktentwicklung anzuwenden. Ich bin sehr froh, dass ich im Projekt ,Smart Co-Creation‘ meine Expertise einbringen konnte und freue mich auf die resultierenden Entwicklungen“, so der Wissenschaftler. Dank der gemeinsamen Ideen werden bereits Folgeprojekte beantragt, die das volle Potenzial des Materials in der Realität umsetzen wollen.

„Smart Co-Creation“ wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert. Die Projektleitung obliegt dem Fraunhofer-IKTS, während das Projekt Teil des Innovationsnetzwerks smart³ ist.

Weitere Artikel