Zahnimplantate und Brücken mit Piezokeramiken überwachen: Forschende finden neue Anwendungen für eine bekannte Technologie

22. März 2021

Ein Material wie kein anderes: Mit den besonderen Eigenschaften der Piezokeramiken könnten viele Innovationen entstehen. In dem kollaborativen Projekt »Smart Co-Creation« erarbeiten Forschende und mittelständische Unternehmen Ideen und Konzepte für konkrete Branchen, in denen das piezoelektrische Wundermaterial sinnvoll anwendbar ist.

Piezokeramiken könnten den Zustand von Brücken überwachen
© Fraunhofer IZM
Piezokeramiken könnten den Zustand von Brücken überwachen

Ob in Quarzuhren, als Einspritzsystem für Kraftfahrzeuge oder in Lautsprechern – Piezokeramiken sind seit Jahren Bestandteil moderner Technik. Und das zu Recht, schließlich hat das Material ganz außergewöhnliche Eigenschaften: Wird Druck auf die Piezokeramik ausgeübt, das Material also mechanisch belastet, entsteht eine elektrische Spannung. Und auch umgekehrt: Wenn eine elektrische Spannung angelegt wird, verändert sich das Kristallgitter des Materials und das piezokeramische Bauteil verformt sich.

Forschende des Fraunhofer IKTS und des 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 Expert*innen und Anwender*innen die Anwendungspotenziale von Piezokeramiken für konkrete Branchen diskutierten.

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.

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, d. h. 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. 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.

(Text: Olga Putsykina)