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F136 vs F136 ELI Titan: Welche Sorte sollten Sie für ein medizinisches Implantat angeben?

Sie geben Ti-6Al-4V auf einer Implantateichnung an, der Lieferant fragt „F136 oder F136 ELI?“, und der Unterschied entscheidet über die Ermüdungslebensdauer bei 10 Millionen Lastzyklen. Dieser Leitfaden trennt, was die Bezeichnungen tatsächlich bedeuten, warum Zwischengitteratome wichtig sind und wie Sie die Spezifikation so formulieren, dass Sie die Legierung erhalten, die Sie bezahlt haben.

Die schnelle Antwort — Grade 23 ELI für lasttragende Implantate

Für jedes Implantat, das über lange Zeit Last trägt — Hüft- und Knie-Femurkomponenten, Wirbelsäulenstäbe und -cages, Zahnimplantate, Traumplatten und -schrauben — geben Sie Ti-6Al-4V ELI (Grade 23, ASTM F136) an. Das Suffix „ELI“ steht für Extra Low Interstitial: strengere Höchstwerte für Sauerstoff, Eisen, Stickstoff und Kohlenstoff, was eine höhere Bruchzähigkeit und bessere Ermüdungsbeständigkeit bei Bauteilen mit Millionen von Zyklen bringt.

Wo Grade 5 (Ti-6Al-4V, ASTM B348 / ASTM F1472) weiterhin zulässig ist: Probeimplantate, die während der OP entfernt werden, chirurgische Instrumente, nicht lasttragende Abstandshalter und Unterlegscheiben sowie externe Fixations-Hardware — Anwendungen, bei denen ein ermüdungsbedingter Bruch kein dauerhaftes Implantat gefährdet. Viele regulatorische Systeme (FDA 21 CFR 888, EU MDR 2017/745) behandeln Grade 5 als nicht zulässig für eine dauerhafte lasttragende Implantation; im Zweifelsfall wählen Sie ELI.

Bezeichnungsfalle ASTM F136 ist selbst die ELI-Spezifikation — „Wrought Titanium-6Aluminum-4Vanadium ELI Alloy for Surgical Implant Applications“. Die eigentliche Entscheidung, vor der Einkäufer stehen, ist Grade 5 (B348/F1472) vs Grade 23 ELI (F136/ISO 5832-3). Wenn ein Lieferant „Ti-6Al-4V per ASTM F136“ anbietet, ist das ELI; wenn er „Grade 5 medical grade“ anbietet, verifizieren Sie die chemische Zusammensetzung gegen F136, bevor Sie es für ein lasttragendes Bauteil akzeptieren.

Was „ELI“ tatsächlich bedeutet — Kontrolle der Zwischengitteratome

ELI ist keine andere Legierung; es ist dasselbe Ti-6Al-4V-System mit engeren Höchstwerten für die Zwischengitterelemente (Sauerstoff, Stickstoff, Kohlenstoff, Wasserstoff) und Eisen. Zwischengitteratome sitzen im Metallgitter und wirken unter zyklischer Last als Rissinitiierungsstellen. Die zwei wichtigsten Grenzwerte:

ElementGrade 23 ELI (ASTM F136)Grade 5 (ASTM B348)Warum es wichtig ist
Sauerstoff, max0.13%0.20%Haupttreiber für Bruchzähigkeit und Ermüdung
Eisen, max0.25%0.40%Verunreinigung; Beta-Stabilisator, beeinflusst das Gefüge
Stickstoff, max0.05%0.05%Versprödendes Zwischengitteratom
Kohlenstoff, max0.08%0.08%Zwischengitteratom; niedrig gehalten für Schweißbarkeit und Zähigkeit

Der Sauerstoffgrenzwert ist der größte Einzelfaktor: 0.13% vs 0.20%. Niedrigerer Sauerstoff bedeutet, dass die Legierung mehr plastische Dehnung verträgt, bevor ein Riss wächst — genau das, was ein Press-Fit-Femurschaft oder eine zyklisch belastete Knochenschraube braucht.

Warum Zwischengitteratome wichtig sind — Ermüdung und Bruchzähigkeit

Implantate werden auf Ermüdung ausgelegt, nicht auf statische Festigkeit. Ein Hüftschaft wird pro Nutzungsjahr etwa 1 Million Mal zyklisch belastet; ASTM F136-basierte Implantat-Prüfungen zielen typischerweise auf 10⁷ (10 Millionen) Zyklen ab. Ein höherer Zwischengitteratomgehalt senkt die Spannungsintensität, die der Werkstoff an der Rissspitze aushalten kann.

Eigenschaft (geglüht)Grade 5 (Ti-6Al-4V)Grade 23 ELI (ASTM F136)
Zugfestigkeit, min895 MPa (130 ksi)860 MPa (125 ksi)
Streckgrenze 0.2%, min828 MPa (120 ksi)795 MPa (115 ksi)
Bruchdehnung, min10%10%
Bruchzähigkeit KIc (typisch)~55 MPa√m~75–90 MPa√m (Einzelquelle: makerstage)
Ermüdungsdauerfestigkeit R=-1 (typisch)~517 MPa~621–655 MPa (Einzelquelle: makerstage)
Elastizitätsmodul~110 GPa~110 GPa
Dichte4.43 g/cm³4.43 g/cm³

ELI gibt etwas statische Festigkeit (860 vs 895 MPa Minimum) auf, um etwa 20% höhere Ermüdungsdauerfestigkeit und 35–60% höhere Bruchzähigkeit zu gewinnen. Für ein dauerhaftes Implantat ist dieser Kompromiss fast immer der richtige.

Hinweis zum E-Modul Beide Sorten liegen bei ~110 GPa — weit unter CoCrMo (~210 GPa) und näher am Knochen. Das ist die Eigenschaft, die Stress-Shielding an der Knochen-Implantat-Grenzfläche reduziert, und sie ist zwischen Grade 5 und ELI identisch.

Wann Grade 5 zulässig ist — und wann nicht

Grade 5 (ASTM B348 / F1472 / AMS 4928) ist kein „schlechtes“ Titan — es ist die bewährte Luftfahrt-/Industrielegierung mit etwas höherer Festigkeit und niedrigerem Preis. Die Zulässigkeitsfrage ist regulatorisch und risikobasiert:

Zu vermeidender Fehler „Medical grade“ ist kein Werkstoffstandard. Wenn ein Lieferant „Ti-6Al-4V medical grade“ ohne ASTM-F136-Zertifikat und vollständigen Werkstoffprüfbericht sagt, hat er die ELI-Chemie nicht nachgewiesen. Verlangen Sie die Normbezeichnung, nicht das Marketing-Label.

Die Kosten- und Lieferzeitenrealität von ELI

ELI kostet mehr pro Kilogramm und ist oft nur von weniger zertifizierten Werken mit weniger Chargen pro Jahr erhältlich — was die Lieferzeit verlängern kann, wenn für die Rückverfolgbarkeit eine bestimmte Schmelznummer erforderlich ist. Der Aufschlag ist jedoch im Verhältnis zum Gesamtgerät klein.

Die Branchen-Beschaffungserfahrung beziffert den Materialaufschlag für Grade 23 auf etwa 2–5% der gesamten fertigen Implantatkosten (Bearbeitung, Oberflächenbehandlung, Sterilisation und regulatorische Konformität dominieren den Rest) (Einzelquelle: hontitan). Der teure Ausgang ist nicht der ELI-Stab — es ist eine Werkstoffsubstitution, die entdeckt wird, nachdem ein Gerät im Feld ist, oder eine zertifizierte Charge, die verschrottet wird, weil der Stab nicht F136.

Hinweis zur Stablieferung Für das CNC-Drehen von Knochenschrauben und Zahnstäpfen liefern medizinische Lieferanten Grade-23-Stab üblicherweise in centerless-geschliffener Ausführung (Durchmessertoleranz h8–h9), damit er in Swiss-Type-Maschinen ohne Klemmen der Führungsbuchsen läuft (Einzelquelle: suppliertitanium). Fragen Sie bei der Anfrage für Implantatstäbe mit kleinem Durchmesser nach dem Lieferzustand.

Wie Sie es auf der Zeichnung angeben — und was Sie zurückverlangen

Eine eindeutige Spezifikation verhindert, dass der Lieferant die falsche Sorte liefert:

  1. Schreiben Sie Norm + Sorte: z. B. „Ti-6Al-4V ELI per ASTM F136 (Grade 23, UNS R56401)“ oder „per ISO 5832-3 ELI“. Schreiben Sie niemals nur „Ti-6Al-4V“.
  2. Verlangen Sie das Werksprüfzeugnis (MTC/EN 10204 3.1) mit der Schmelznummer, den tatsächlichen (nicht den Höchstwert-)Sauerstoff- und Eisenwerten und den mechanischen Ergebnissen für diese Schmelze.
  3. Verlangen Sie Chargen-Rückverfolgbarkeit durch Bearbeitung, Passivierung (ASTM F86) und Endverpackung, damit das fertige Gerät auf den zertifizierten Stab zurückgeführt werden kann.
  4. Für die additive Fertigung geben Sie die Pulver-Norm an: Grade-5-Pulver mit 0.20% O erzeugt im gedruckten Bauteil keine Grade-23-Eigenschaften, unabhängig von den Parametern.
Primäre NormenASTM F136-13(2021) Wrought Titanium-6Aluminum-4Vanadium ELI Alloy for Surgical Implant Applications (UNS R56401).
ASTM B348 Standard Specification for Titanium and Titanium Alloy Bars and Billets (Grade-5-Chemiegrenzwerte).
ASTM F1472 Wrought Ti-6Al-4V Alloy for Surgical Implant Applications (Grade-5-Chirurgiespezifikation).
ISO 5832-3 Implants for surgery — Metallic materials — Wrought titanium 6-aluminium 4-vanadium alloy.
ASTM F86 Surface preparation and marking of metallic surgical implants (Passivierung).
Frequently Asked Questions
Ist F136 ELI fester als normales F136 (Grade 5)?

Nein — ELI ist in statischer Festigkeit etwas schwächer, aber zäher und ermüdungsbeständiger. Die Mindestzugfestigkeit von Grade 23 ELI liegt bei 860 MPa gegenüber 895 MPa bei Grade 5, aber ELI hat etwa 20% höhere Ermüdungsdauerfestigkeit und 35–60% höhere Bruchzähigkeit aufgrund der niedrigeren Zwischengitteratom-Grenzwerte (insbesondere Sauerstoff). Für zyklisch belastete Implantate sind Zähigkeit und Ermüdung weit wichtiger als der Unterschied in der statischen Festigkeit.

Kann ich Grade 5 Ti-6Al-4V für ein Implantat verwenden, um Kosten zu sparen?

Nur für nicht lasttragende oder temporäre Anwendungen. Probeimplantate, chirurgische Instrumente, Abstandshalter und Unterlegscheiben können Grade 5 verwenden. Für dauerhafte lasttragende Implantate (Hüft-/Kniekomponenten, Wirbelsäulenstäbe, Zahnimplantate, Traumplatten) behandelt die regulatorische Praxis die Grade-5-Chemie nach ASTM B348/F1472 als nicht zulässig — und wenn Ihre Zeichnung ASTM F136 zitiert, kann Grade 5 überhaupt nicht danach zertifiziert werden.

Benötigt ELI eine andere CNC-Bearbeitung als Grade 5?

Nein — die Schnittparameter sind im Wesentlichen identisch. Beide sind α-β-Titan: Hartmetallwerkzeuge bei etwa 80–155 SFM (24–47 m/min) mit PVD-TiAlN-Wendeschneidplatten und Hochdruckkühlschmierstoff. Die tatsächlichen Unterschiede liegen in Dokumentation und Prüfung (F136-Werkstoffzertifikat, vollständige Rückverfolgbarkeit, Erstmusterprüfbericht nach dem Geräte-QMS), nicht in den Schnittdaten.

Wie viel teurer ist F136 ELI gegenüber F136 (Grade 5)?

Typischerweise 2–5% der gesamten fertigen Implantatkosten. Der pro-Kilogramm-Aufschlag für den Stab ist real und ELI-Schmelzen sind weniger, aber Bearbeitung, Oberflächenbehandlung, Sterilisation und regulatorische Konformität dominieren die Gerätekosten. Die teure Fehlerart ist eine Werkstoffsubstitution, die nach dem Feldeinsatz entdeckt wird — weit kostenintensiver als der ELI-Stab selbst (Einzelquelle: hontitan).

Welches Zertifikat beweist, dass mein Lieferant tatsächlich F136 ELI verwendet hat?

Ein Werksprüfzeugnis (MTC, EN 10204 3.1), das ASTM F136 und die Schmelznummer nennt. Es muss die tatsächlichen Sauerstoff- und Eisenwerte (nicht nur „innerhalb der Norm“), die mechanischen Prüfergebnisse für diese Schmelze und eine Chemie-Rückverfolgung zur zertifizierten Schmelze auflisten. Bewahren Sie es in der Gerätehistorie zusammen mit den Bearbeitungs- und Passivierungsaufzeichnungen auf.

Mein Lieferant bot „Ti-6Al-4V medical grade“ ohne ELI an. Ist das akzeptabel?

Nicht für ein lasttragendes Implantat, und nicht ohne ASTM F136. „Medical grade“ ist Marketing, keine Norm. Verifizieren Sie die tatsächliche Spezifikation: F136 = ELI (Grade 23), B348/F1472 = Grade 5. Verlangen Sie die Normbezeichnung und das F136-Werkstoffzertifikat, oder behandeln Sie das Angebot als Substitution.

Sources & Standards Referenced
  1. ASTM F136-13(2021): Standard Specification for Wrought Titanium-6Aluminum-4Vanadium ELI (Extra Low Interstitial) Alloy for Surgical Implant Applications (UNS R56401) — chemical limits (O 0.13 max, Fe 0.25 max) and mechanical minima
  2. ASTM B348: Standard Specification for Titanium and Titanium Alloy Bars and Billets — Grade 5 chemistry limits (O 0.20 max, Fe 0.40 max)
  3. ASTM F1472: Standard Specification for Wrought Titanium-6Aluminum-4Vanadium Alloy for Surgical Implant Applications (Grade 5 surgical variant)
  4. ISO 5832-3: Implants for surgery — Metallic materials — Part 3: Wrought titanium 6-aluminium 4-vanadium alloy
  5. MakerStage: Titanium Grade 23 vs Grade 5 engineering comparison (properties, fatigue, fracture toughness, regulatory notes) — single-source for K_Ic and fatigue-endurance typical values
  6. Hontitan: Ti-6Al-4V vs Ti-6Al-4V ELI — An Engineer's Decision Guide (common mistakes; Grade 23 premium ~2-5% of device cost) — single-source for cost premium
  7. JH Titanium: Titanium Grade 23 (Ti-6Al-4V ELI) — The Premium Choice for Medical Implants (properties table, applications)
  8. Supplier Titanium: Grade 23 bar product data (centerless ground h8/h9 delivery; ISO 5832-3 cross-reference; regulatory note on Grade 5 for permanent implants) — single-source for bar delivery condition
  9. ASTM F86: Standard Practice for Surface Preparation and Marking of Metallic Surgical Implants (passivation of titanium implants)

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