Einsatz von Piezokeramik Zahnimplantate und Brücken überwachen sich selbst

Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Forscher haben in einem kollaborativen Projekt nach möglichen Anwendungen für Piezokeramik gesucht. In zwei Branchen ergeben sich vielversprechende Möglichkeiten. Allerdings sind Piezokeramiken nicht ungefährlich.

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Zahnimplantate aus Piezokeramiken sind in der Lage, sich selbst zu überwachen.
Zahnimplantate aus Piezokeramiken sind in der Lage, sich selbst zu überwachen.
(Bild: Ri Butov / Pixabay )

Piezokeramiken finden sich in ganz unterschiedlichen Anwendungen: Quarzuhren, als Einspritzsystem für Kraftfahrzeuge oder in Lautsprechern. Ein Grund sind die ungewöhnlichen Eingenschaften des Materials. Wird Druck auf die Piezokeramik ausgeübt, also das Material mechanisch belastet, entsteht eine Spannung. Und auch umgekehrt: Wenn eine Spannung angelegt wird, verändert sich die Form des Materials. Also Strom erzeugen und die Form wechseln.

Fraunhofer-Forscher des IKTS und IZM haben zusammen mit dem Hasso-Plattner-Institut sowie der FU Berlin im Rahmen des Projekts „Smart Co-Creation“ überlegt, in welchen Anwendungen sich Piezokeramiken sinnvoll einsetzen lassen.

Piezokeramik überwacht sich selbst

Ein Fokus liegt auf medizinischen Anwendungen. Mithilfe von Piezokeramiken in intelligenten Zahnimplantaten lässt sich das Implantat überwachen. Technisch funktioniert das wie folgt: Durch das Kauen wird ein mechanischer Druck auf die Keramik ausgeübt, wodurch eine elektrische Spannung erzeugt wird. Diese Spannung lässt sich auswerten. Gibt es Unregelmäßigkeiten oder Schäden in der zahnmedizinischen Anwendung, verändert sich die Spannung.

Eine weitere Möglichkeit im Einsatz von Piezokeramiken liegt bei der Überwachung großer Infrastrukturen: Sie sind in der Lage, Brücken zu überwachen und Vibrationen aufzunehmen. Ein verändertes Schwingungsmuster zeigt Schäden an. So wird der Brückenzustand überwacht und Reparaturen können noch vor dem Eintreten gravierender Schäden durchgeführt werden.

Gefährliches Blei in Piezokeramiken

Allerdings haben Piezokeramiken einen Nachteil: Sie enthalten Blei, welches bei der Gewinnung und Verhüttung, aber auch bei unsachgemäßem Recycling des Materials in Stäuben austreten und so beispielsweise in den Wasserkreislauf gelangen kann. Die Folgen für Mensch und Umwelt sind drastisch, da das Material schon in geringen Mengen Schäden an den Nerven verursachen kann.

Um das zu verhindern, hat die Europäische Union Richtlinien aufgesetzt, die grundsätzlich den Einsatz von Blei in elektrischen und elektronischen Geräten verbietet. 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. Es wird insbesondere geprüft, ob der wissenschaftliche und technische Fortschritt die Substitution des Bleis in den Piezokeramiken ermöglicht, was bisher nicht der Fall ist.

Piezokeramiken sind ein wunderbares Material, dessen Eigenschaften wirklich nicht leicht zu ersetzen sind.

Dr.-Ing. Otmar Deubzer

Die Projektarbeit wurde von Dr.-Ing. Otmar Deubzer, Experte für produktbezogenes Umweltrecht am Fraunhofer IZM, überwacht. Besonders achtete der Wissenschaftler bei der Ausarbeitung der Anwendungen auf die Konformität mit den Richtlinien RoHS, REACh, WEEE und EuP/ErP der Europäischen Kommission.

„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.

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