316L im Vergleich zu 17-4PH für medizinische Metallpulverspritzgusstei

316L und 17-4PH sind häufig verwendete Edelstahlsorten für medizinische Bauteile. Beide eignen sich gut für den Metall-Spritzguss. Beide werden häufig für kleine, komplexe Edelstahlbauteile eingesetzt. Sie sind jedoch nicht austauschbar.

Bei einem echten medizinischen Gerät geht es bei einem perfekten medizinischen Bauteil nicht nur um die Materialauswahl. Sie müssen auch die Geometrie des Bauteils, den Patientenkontakt, das Sterilisationsverfahren, die Oberflächenbeschaffenheit, die mechanische Belastung, die Nachbearbeitung und die Integration des Bauteils in das Gesamtsystem berücksichtigen.

Welches Material ist also geeignet und sollten Sie sich dafür entscheiden? Schlüsseln wir es auf.

316L- und 17-4PH-Edelstahl auf einen Blick

Hier ist der grundlegende Unterschied.

Eigenschaft	316L-Edelstahl	17-4PH-Edelstahl
Edelstahltyp	Austenitisch	Martensitischer ausscheidungshärtender Edelstahl
UNS-Grad	S31603	S17400
Chrom (Cr)	16.0–18.0%	15.0–17.5%
Nickel (Ni)	10.0–14.0%	3.0–5.0%
Molybdän (Mo)	2.0–3.0%	—
Kupfer (Cu)	—	3.0–5.0%
Niob + Tantal (Nb+Ta)	—	0.15–0.45%
Kohlenstoff (C)	≤0,03 %	≤0,07 %
Dichte	≈8,00 g/cm³	≈7,78–7,80 g/cm³
Elastizitätsmodul	≈193 GPa	≈196–197 GPa
Zugfestigkeit	≥485 MPa (geglüht, Referenz ASTM A240)	≥1310 MPa (H900, Referenz ASTM A564)
Streckgrenze bei 0,2 %	≥170 MPa (geglüht, Referenz ASTM A240)	≥1170 MPa (H900, Referenz ASTM A564)
Bruchdehnung	≥40 %	≥10 % (H900)
Härte	≤95 HRB / ≤217 HB	≥40 HRC / ≈388 HB (H900)
Korrosionsbeständigkeit	Hervorragend	Gut bis sehr gut
Wärmebehandlung zur Festigkeitssteigerung	Nicht ausscheidungshärtbar	Ja – H900, H1025, H1075, H1150 usw.
Magnetisches Verhalten	Im geglühten Zustand im Allgemeinen geringe magnetische Reaktion	Magnetisch
Typischer medizinischer Vorteil	Korrosionsbeständigkeit, Reinigungsfreundlichkeit, Duktilität, Elektropolieren	Hohe Festigkeit, Härte, kompakte lasttragende Konstruktion
Typische medizinische Anwendung	Korrosionsbelastete Bauteile, kleine chirurgische Teile, medienberührte Bauteile	Strukturelle, verriegelnde, klemmende und lasttragende Bauteile

Warum 316L im medizinischen MIM so häufig eingesetzt wird

316L wird seit Langem in der Medizintechnik eingesetzt, und dafür gibt es einen guten Grund.

Sein Gehalt an Chrom, Nickel und Molybdän verleiht ihm eine hohe Beständigkeit gegen allgemeine Korrosion sowie gegen Loch- und Spaltkorrosion. Im Vergleich zu 17-4PH ist es im Allgemeinen das korrosionsbeständigere Material.

Bei medizinischen Bauteilen ist das von Bedeutung.

Ein chirurgisches Instrument kann wiederholt gereinigt, desinfiziert und sterilisiert werden. Ein endoskopisches Bauteil kann sehr kleine Vertiefungen, Schlitze, Zähne oder Schwenkfunktionen aufweisen, in denen sich Rückstände und Feuchtigkeit sammeln können. Einige Teile kommen außerdem mit Körperflüssigkeiten oder Reinigungschemikalien in Kontakt.

In diesen Fällen sind Oberflächenzustand und Korrosionsbeständigkeit keine Nebensache. Sie sind Teil des Designs.

Genau hier ist 316L besonders sinnvoll.

Wo 316L in medizinischen Geräten gut geeignet ist

Für Metall-Spritzguss ist 316L besonders geeignet, wenn das Bauteil klein, geometrisch komplex, korrosionsempfindlich und in wiederkehrenden Stückzahlen gefertigt wird.

Typische Beispiele können sein:

Maulkomponenten laparoskopischer Greifer
Komponenten von Biopsiezangen
Teile endoskopischer Instrumente
Kleine Komponenten chirurgischer Instrumente
Komponenten für Dentalinstrumente
Fluidführende Komponenten
Kleine Gehäuse und funktionale medizinische Bauteile
Bestimmte Komponenten robotischer chirurgischer Instrumente

Nehmen wir als Beispiel eine laparoskopische Maulkomponente.

Das Bauteil kann Zähne, kleine Bohrungen, Pivotmerkmale, gekrümmte Profile, Vertiefungen und dünne Abschnitte enthalten. Die Bearbeitung jedes Merkmals aus Stangenmaterial kann teuer werden, insbesondere bei steigenden Produktionsmengen.

Das Metallpulverspritzgießen kann einen Großteil dieser Geometrie bereits annähernd in Endform herstellen.

Wenn anschließend eine Pivotbohrung, eine Passfläche oder ein anderes kritisches Merkmal eine engere Kontrolle erfordert, kann die sekundäre CNC-Bearbeitung nur dort hinzugefügt werden, wo sie benötigt wird.

Diese Kombination - MIM für die Geometrie, spanende Bearbeitung für CTQ-Merkmale - ist oft praktischer, als das gesamte Bauteil in einen einzigen Prozess zu zwängen.

Wann 17-4PH sinnvoller wird

Nehmen wir an, dass die Korrosionsbeständigkeit weiterhin wichtig ist, das Bauteil aber zusätzlich eine höhere mechanische Last aufnehmen muss.

Hier wird 17-4PH interessant.

17-4PH ist ein ausscheidungshärtender Edelstahl. Nach dem geeigneten Wärmebehandlungszyklus kann er eine wesentlich höhere Festigkeit und Härte als 316L erreichen. Die endgültigen Eigenschaften hängen stark von der gewählten Alterungsbedingung ab.

Einfach ausgedrückt: Aus derselben Menge Metall lässt sich eine deutlich höhere mechanische Leistung erzielen.

Für einen kleinen medizinischen Mechanismus kann das einen großen Unterschied machen.

Medizinische Komponenten, die von 17-4PH profitieren können

17-4PH kann für Komponenten wie die folgenden ein guter Kandidat sein:

Verriegelungsteile chirurgischer Instrumente
Hochbelastete Maulkomponenten
Betätigungsverbindungen
Mechanische Verriegelungen
Kleine Hebel
Antriebskomponenten
Mechanismen robotischer chirurgischer Instrumente
Strukturelle Instrumentenkomponenten
Bauteile mit Anforderungen an Verschleißfestigkeit oder Härte

Stellen Sie sich ein kleines internes Verbindungselement in einem wiederverwendbaren chirurgischen Instrument vor.

Es kommt möglicherweise nie direkt mit Gewebe in Kontakt. Doch jedes Mal, wenn der Chirurg den Griff schließt, überträgt dieses Bauteil die Kraft durch den Mechanismus.

Hier ändert sich die konstruktive Fragestellung.

Die Priorität ist möglicherweise nicht mehr die maximale Korrosionsbeständigkeit. Sie kann vielmehr sein:

Kann dieses winzige Bauteil die erforderliche Last über wiederholte Zyklen hinweg aufnehmen, ohne sich zu verbiegen oder zu schnell zu verschleißen?

Das ist eine ganz andere Aufgabe als die eines fluidberührten Bauteils.

Und 17-4PH könnte die bessere Lösung sein.

Wie verändert die Wärmebehandlung 17-4PH?

Dies ist einer der größten praktischen Unterschiede zwischen diesen Legierungen.

316L ist kein ausscheidungshärtender Edelstahl. Man wählt ihn normalerweise nicht, wenn man plant, seine Festigkeit durch eine spätere Alterungsbehandlung drastisch zu erhöhen.

17-4PH ist anders.

Seine endgültigen mechanischen Eigenschaften können durch Wärmebehandlung angepasst werden. Zustände wie H900, H1025 oder H1150 bieten unterschiedliche Verhältnisse von Festigkeit, Härte, Duktilität und Zähigkeit. Allgemein führen niedrigere Alterungstemperaturen zu höherer Festigkeit, während höhere Temperaturen einen Teil der Festigkeit zugunsten größerer Zähigkeit und Duktilität aufgeben.

Für einen Entwicklungsingenieur im Bereich Medizintechnik ergibt sich daraus eine weitere Frage: Benötigen Sie wirklich die maximale Härte?

Manchmal schon.

Manchmal klingt H900 auf einem Materialdatenblatt attraktiv, aber das tatsächliche Bauteil würde stärker von einem anderen Verhältnis aus Festigkeit und Zähigkeit profitieren.

Die Zeichnung sollte also nicht einfach nur Folgendes angeben: 17-4PH. Auch der erforderliche Materialzustand ist wichtig.

Magnetisches Verhalten nicht vergessen

Dieser Punkt wird leicht übersehen.

316L ist ein austenitischer Edelstahl und weist im Allgemeinen eine geringe magnetische Reaktion auf, obwohl die Verarbeitung sein magnetisches Verhalten beeinflussen kann.

17-4PH ist magnetisch.

Für die meisten chirurgischen Instrumente ist dies möglicherweise kein entscheidender Faktor.

Für einige medizinische Geräte, Sensoren, bildgebende Baugruppen oder andere magnetisch empfindliche Systeme kann dies wichtig sein.

Wenn die magnetische Reaktion für Ihr Gerät wichtig ist, sollten Sie sie daher frühzeitig auf die Konstruktionscheckliste setzen.

Finden Sie es nicht erst nach der Werkzeugherstellung heraus.

Fazit: Wie man zwischen 316L und 17-4PH wählt

Die Wahl zwischen 316L und 17-4PH läuft auf eine Frage hinaus: Was muss das Teil leisten?

Wenn Korrosionsbeständigkeit das Hauptanliegen ist, ist 316L normalerweise der bessere Ausgangspunkt.

Es eignet sich gut für Teile, die wiederholter Reinigung, Sterilisation, Feuchtigkeit oder chemischer Einwirkung ausgesetzt sind. Außerdem weist es eine bessere Duktilität auf und eignet sich gut, wenn Oberflächenbeschaffenheit und Reinigbarkeit wichtig sind.

Wenn die Festigkeit das größere Problem ist, ist 17-4PH kann die bessere Option sein.

Nach der Wärmebehandlung kann es eine deutlich höhere Festigkeit und Härte erreichen. Dadurch eignet es sich für kleine Teile, die Lasten aufnehmen, verriegeln, klemmen oder Verschleiß ausgesetzt sind.

Wählen Sie jedoch nicht allein nach der Festigkeit.

Bei medizinischen MIM-Teilen müssen Sie auch Sterilisation, Oberflächenbeschaffenheit, Teilegeometrie, kritische Abmessungen und nachträgliche Bearbeitung berücksichtigen.

Das stärkere Material ist nicht immer das bessere Material.

Das bessere Material ist dasjenige, das für die Aufgabe geeignet ist.

Wenn Sie bereits eine Zeichnung für ein medizinisches Bauteil haben, aber nicht sicher sind, ob Edelstahl 316L oder 17-4PH besser geeignet ist, senden Sie uns die Zeichnung zusammen mit der Anwendung, dem Jahresvolumen, den Sterilisationsbedingungen und den wesentlichen mechanischen Anforderungen.

Unser Engineering-Team kann das Teil vor Beginn der Werkzeugherstellung hinsichtlich Materialauswahl, MIM-Eignung, kritischer Toleranzen, nachträglicher Bearbeitung und Oberflächenveredelung prüfen.