Micro-Electrical Discharge Machining of Nitinol for medical applications

Referat Gegenstand dieser Arbeit ist die Bearbeitung von Nitinol für medizinische Anwendungen mittels Mikrofunkenerosion (Mikro-EDM) ermittelt. Dabei wurden die generelle Möglichkeit und das Potential dieser Bearbeitung untersucht. Dazu gehört die Analyse von Prozesseffekten auf die Oberflächeneigenschaften, auf das Verhalten der martensitischen Phasenumwandlung sowie auf die mechanischen Eigenschaften von Nitinol. Auf Grund der Eigenschaften Formgedächtniseffekt und Superelastizit¨at wird Nitinol häufig für medizinische Anwendungen eingesetzt. Diese Arbeit gibt einen Einblick in die Auswirkungen des Bearbeitungsprozesses auf diese beiden speziellen Eigenschaften. Es konnte gezeigt werden, dass Mikro-EDM das Potenzial hat, thermische Effekte zu implementieren, die das Verhalten der Nitinolphasenumwandlung verändern können. Dazu gehören die Reduzierung der Hysterese sowie das Auftreten eines Dreispitzenphänomens bei der umgekehrten endothermen Phasenumwandlung beim Erwärmen. Als Hauptursache für dieses Dreispitzenverhalten konnte das Auftreten von Lichtbögen ermittelt werden. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass es durch systematische Variation ausgewählter Prozessparameter möglich ist, Nitinol mit vernachlässigbaren thermischen Einflüssen zu bearbeiten. Unter der Voraussetzung einer Lichtbogen freien Bearbeitung war es zudem möglich, eine Erhöhung der Entladungsenergie zu erreichen, ohne wesentlich das Umwandlungsverhalten des Materials zu beeinflussen. Dies erlaubt die Abtragrate, die Elektrodenverschleißrate und die Oberflächenqualität zu optimieren und gleichzeitig unerwünschte Prozesseffekte zu minimieren.


Abstract Within the scope of this work, micro-electrical discharge machining (micro-EDM) of medical-grade nitinol has been undertaken and examined for suitability and capability. This includes analysing process effects on nitinol’s surface characteristics, martensitic phase transformation behaviour as well as mechanical properties. Consequently, an insight on how the process affects nitinol’s shape memory and superelasticity, two unique properties that make nitinol a key application material in the medical field, is given. It can be shown that micro-EDM has the potential to impart thermal effects that alter nitinol’s phase transformation behaviour. These include reducing hysteresis as well as resulting in the occurrence of a three-peak phenomenon during the reverse endothermic phase transformation on heating. It was also possible to establish arcing as the main cause of this three-peak behaviour. Moreover, it can be shown that by carefully controlling vital micro-EDM machining parameters, it is not only possible to machine nitinol parts with negligible thermal-related influences, but also that, as long as arcing is avoided, an increase in discharge energy does not significantly affect the material’s phase transformation behaviour. This can therefore aid in optimising the material removal rate, tool wear rate and surface quality, while minimising unwanted process effects.