Untersuchung der mechanischen Eigenschaften lasergeschweißter Nickel-Titan- Drähte

Abstract

Nickel-Titan-Legierungen sind aufgrund von Formgedächtniseffekt, niedrigem Elastizitätsmodul, Deflektionsvermögen und Superelastizität für die kieferorthopädsche Anwendung geeignet. Bislang konnten Drähte dieser Art nur durch Quetschverbindungen oder Klemmvorrichtungen verbunden werden. Ziel dieser Pilotstudie war es, die Laserschweißbarkeit von NiTi-Drähte und ihre mechanischen Eigenschaften zu untersuchen. Es wurden 8 Produkte von 3 verschiedenen Herstellern mit verschiedenem Querschnittsformen (rund/eckig) und -durchmessern untersucht. Je zwei Drahtsegmente von 2 cm Länge wurden 3 mm parallel überlappend mit einem Nd:YAG-Laser bei Spannungen von 220 bis 235 V und Pulsdauern von 1,5 bis 3,5 ms verschweißt. Pro Draht und Lasereinstellung wurden je fünf Schweißungen durchgeführt; nur in vier von 800 Fällen konnte keine Verbindung hergestellt werden. Ideale Laserparameter waren Spannungen kleiner als 230 V und Pulsdauern kürzer als 3,5 ms. Anschließend wurden die elastischen Eigenschaften der ungeschweißten Proben sowie der geschweißten Proben bei 37°C mit dem FLEX-Biegemessplatz gemessen. Nur diejenigen Drähte, bei denen mind. 4 der 5 Proben bei 80° Biegung nicht gebrochen sind, wurden weitergehend untersucht (n=110). Der Bruch war zumeist in den Randbereichen der Schweißnaht lokalisiert. Die untersuchten lasergeschweißten Drähte zeigten eine Veränderung der mechanischen Eigenschaften: Das für die Kraftabgabe während einer kieferorthopädischen Behandlung verantwortliche mittlere Drehmoment stieg gegenüber den ungeschweißten Referenzdrähten an. In den Biegemoment-Biegewinkel-Diagrammen der geschweißten Proben konnte einheitlich eine Erhöhung des Be- und Entlastungsplateaus festgestellt werden. Somit ist eine Zunahme der Steifigkeit der Drähte nach dem Schweißen zu verzeichnen, die auf die doppelte Dicke der Schweißnaht zurückzuführen ist. Zum Teil liegen die dabei auftretenden Kräfte oberhalb der für die kieferorthopädische Behandlung empfohlenen Größen, was zu Nebenwirkungen wie Wurzelresorptionen führen könnte. Zudem geht das Entlastungsplateau geschweißter Drähte deutlich früher als das ungeschweißter Proben in die lineare elastische Phase über. Somit ist der Biegewinkel, der das Ende des Entlastungsplateaus kennzeichnet, erhöht und das klinisch wertvolle pseudoelastische Plateau mit konstanter Kraftabgabe verkürzt. Insgesamt ist das superelastische Verhalten geschweißter kieferorthopädischer NiTi-Drähte eingeschränkt. Hierdurch reduziert sich der therapeutische Nutzen lasergeschweißter NiTi-Verbindungen. Es ist sehr wahrscheinlich, dass die Veränderungen der Zusammensetzung der Legierung durch den Schweißvorgang und die Länge der Schweißnaht hier die wesentlichen Einflussfaktoren darstellen. Die bisherigen Ergebnisse lassen die Verwendung lasergeschweißter NiTi-Drahtverbindungen für den Einsatz in der Kieferorthopädie sinnvoll erscheinen; eine eindeutige Empfehlung kann aktuell noch nicht ausgesprochen werden.

Nickel-titanium (NiTi) alloys are qualified for orthodontics due to their unique shape memory effect, low elastic modulus, excellent springback and superelasticity. Up to now, wires of this type could only be joined via clamp- or crimp-connection. The aim of the study was to investigate the laser welding of NiTi-wires and their mechanical properties. Material and method: 8 products of 3 different manufacturers with different dimensions were joined by use of a Nd:YAG-Laser. Two wire segments of 2 cm length were welded along a 3 mm parallel overlapping area with varying power settings (220-235 V) and pulse duration (1,5-3,5 ms). Each 5 samples were welded using the same laser settings. The elastic qualities of the welded and unwelded specimens were examined at an ambient temperature of 37 degrees in the computer-controlled bending test FLEX. Results: 796 of the 800 tests could be successfully joined. Power settings <230 V and pulse durations <3,5 ms turned out to be ideal regarding the joint-solidity. 571 of the samples broke during bending up to 80°. Mostly the fracture was localized in the margin areas of the weld. Only groups with 4 of 5 samples remaining intact were examined in the following (n=110): The stress/strain curves of the welded wires showed a change of the mechanical properties in comparison to unwelded wires: The average torque, which is necessary to apply forces within the scope of an orthodontic treatment, increased. Stiffness of the welded wires escalated due to the doubled thickness of the weld. The forces ocurring during bending partially exceeded the limit, which is recommended for orthodontic treatment. This could cause unwanted side-effects like root resorption. Furthermore, the pseudo- elastic plateau, which is clinically useful due to the constant force effect, is significantly shortened. In summary the super-elastic behavior of laser- welded orthodontic NiTi wires is restricted with consecutive limitation of the potential therapeutical benefit. Most probably these effects are caused by local alterations of the alloy composition and the length of the weld. Conclusions: Laser welding of NiTi-wires is feasible but worsens mechanical properties. Alteration of the alloy and the length of the weld seem to be the most influencing factors. The presented results suggest the application of NiTi-welding to be suitable for orthodontics, but a definite recommendation can not yet been pronounced.