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Die
Erfindung betrifft eine Testvorrichtung für künstliche
Hüftgelenkkugeln sowie ein Verfahren zum Durchführen
eines Tests für künstliche Hüftgelenkkugeln.
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In
der
EP 1449501 ist dazu
eine Testvorrichtung beschrieben, die einen Schaft aufweist, der
in die Buchse eines Keramikkopfes passt, die dafür bestimmt
ist, ein Endstück eines Oberschenkelprothesenschaftes aufzunehmen.
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Bei
dieser Testvorrichtung wird der Druck auf die Buchse durch den Einsatz
von Hydraulik erzeugt. Dadurch ist die Instandhaltung der Vorrichtung
aufwendig.
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Daraus
ergibt sich die Aufgabe eine Testvorrichtung für künstliche
Hüftgelenkkugeln bereitzustellen, die keine aufwendige
Instandhaltung erfordert. Eine weitere Aufgabe besteht darin, eine
dem ISO 7206-10 entsprechende Spannungsverteilung
beim Test zu realisieren.
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Die
Aufgabe wird gelöst durch eine Testvorrichtung für
künstliche Hüftgelenkkugeln mit einem Bolzen,
einer Buchse, einem Ring und einer Drückeinrichtung, wobei
der Bolzen einen Bolzenkopf und einen Bolzenschaft umfasst, der
Bolzenschaft durch die Buchse hindurchgeführt ist, der
Bolzen in Richtung seiner Längsachse beweglich ist, der
Ring zwischen Buchse und Bolzenschaft angeordnet ist und die Drückeinrichtung
benachbart zu dem Bolzenkopf angeordnet ist.
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Dadurch,
dass der Bolzen in Richtung seiner Längsachse beweglich
ist, ist es auf einfache Weise möglich, den Ring zusammenzudrücken.
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Weitere
Vorteile der Testvorrichtung sind, dass diese Vorrichtung geringe
Betriebskosten verursacht, zuverlässig ist, einfach und
schnell zu nutzen ist, bei Hüftgelenkkugeln mit verschiedenen
Dimensionen, wie Bohrungstiefen und Bohrungsdurchmessern angewendet
werden kann, eine rotationssymmetrische Spannungsverteilung in der
Hüftgelenkkugel bewirken kann, mindestens für
1000 Wiederholungen ein konstantes Spannungsniveau aufrecht erhalten
kann und nicht anfällig für Leckagen ist.
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Künstliche
Hüftgelenkkugeln sind Bauteile, die dafür vorgesehen
sind, den Kopf eines Oberschenkelknochens zu ersetzen. Vorzugsweise
bestehen die künstlichen Hüftgelenkkugeln aus
Keramik, besonders bevorzugt weisen die künstlichen Hüftgelenkkugeln
Aluminiumoxidkeramik auf. Letzter Satz nicht notwendig oder die
Materialien wie Zirkonoxidkeramik und Mischkeramik ergänzen!
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Eine
Buchse ist ein Rohr, das dazu eingerichtet ist, zumindest einen
Teil eines Gegenstücks passgenau aufzunehmen. Vorzugsweise
weist die Buchse eine Auflagefläche auf, die geeignet ist,
an dem Ring anzuliegen. Besonders bevorzugt weist die Buchse eine
ausreichend große Wanddicke auf, so dass eine Stirnfläche
der Buchse so breit ist, dass der Ring daran anliegen kann. Vorzugsweise
weist die Buchse eine Auflagefläche auf, die eingerichtet
ist, auf einem Bauteil aufzuliegen. Besonders bevorzugt weist die
Buchse eine ausreichend große Wanddicke auf, so dass eine
Stirnfläche der Buchse so breit ist, dass die Buchse mit
dieser Auflagefläche auf einem Bauteil aufliegen kann.
Dieser letzte Abschnitt könnte vereinfacht werden!
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Der
Ring weist vorzugsweise einen rechteckigen Querschnitt auf (mit
Rundungen an den 4 Ecken). Besonders bevorzugt weist der Ring die Form
eines Torus auf. Vorzugsweise weist der Ring mindestens ein Polymer
auf. Besonders bevorzugt besteht der Ring aus mindestens einem Polymer.
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Die
Drückeinrichtung ist vorzugsweise ein Bauteil, das eine
Auflagefläche aufweist, die eingerichtet ist, an eine künstliche
Hüftgelenkkugel angelegt zu werden. Vorzugsweise weist
dieses Bauteil eine Festigkeit auf, das es erlaubt, eine Prüfkraft
auf die künstliche Hüftgelenkkugel aufzubringen.
Besonders bevorzugt ist die Drückeinrichtung eingerichtet, eine
kontrollierbare (regelbare) Kraft zu der künstlichen Hüftgelenkkugel
zu leiten.
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Ein
Bolzen ist vorzugsweise ein Bauteil, das einen Bolzenkopf und einen
Bolzenschaft aufweist, wobei der Bolzenkopf einen größeren
Durchmesser als der Bolzenschaft hat.
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Die
Hüftgelenkkugel weist vorzugsweise eine konische Vertiefung
auf. Eine Vertiefung ist eine Ausnehmung eines Bauteils, vorzugsweise
eine Bohrung, besonders bevorzugt eine kegel- oder kegelstumpfförmige
Ausnehmung eines Bauteils.
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Vorzugsweise
ist der Bolzen durch eine Bewegung in Richtung seiner Längsachse
aus dem Ring der Buchse herausziehbar. Dadurch ist es auf besonders
einfache Weise möglich, den Bolzen auszutauschen. Vorzugsweise
weist der Bolzen eine Festigkeit auf, die es erlaubt, eine Kraft
auf den Ring aufzubringen, die diesen zusammendrückt.
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Vorzugsweise
weist die Drückeinrichtung eine kegel- oder kegelstumpfförmige
Aussparung auf. Mit einer solchen Aussparung ist es möglich,
die Drückeinrichtung sicher an eine künstliche
Hüftgelenkkugel anzulegen.
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Vorzugsweise
ist die kegel- oder kegelstumpfförmige Aussparung in der
Drückeinrichtung derart angeordnet, dass der größere
Kegeldurchmesser an einer Oberfläche der Drückeinrichtung
angeordnet ist.
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Vorzugsweise
ist die Aussparung zu dem Bolzenkopf hin gerichtet. Dadurch, dass
die Aussparung zu dem Bolzenkopf hin gerichtet ist, ist es auf einfache
Weise möglich, die Aussparung an eine künstliche
Hüftgelenkkugel anzulegen, die auf den Bolzenkopf aufgebracht
worden ist.
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Besonderes
bevorzugt liegt eine Mittelachse der Aussparung auf einer Achse,
die durch die Längsachse des Bolzens hindurchgeht.
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Vorzugsweise
weist die kegel- oder kegelstumpfförmige Aussparung einen
Winkel von 100° auf. Dadurch ist die Aussparung besonders
gut an eine künstliche Hüftgelenkkugel angepasst,
so dass sie besonders sicher daran anliegen kann.
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Der
Winkel ist der Öffnungswinkel des Kegels oder Kegelstumpfes.
Vorzugsweise ist der Kegel ein Drehkegel bzw. basiert der Kegelstumpf
auf einem Drehkegel. Der Öffnungswinkel beträgt
in diesem Fall vorzugsweise das Doppelte des Winkels zwischen den
Mantellinien und der Achse des Drehkegels.
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Vorzugsweise
ist die Drückeinrichtung in Längsrichtung des
Bolzens beweglich. Dadurch ist es auf besonders einfache Weise möglich,
die Drückeinrichtung zu einer künstlichen Hüftgelenkkugel
zu bewegen und Druck auf diese auszuüben.
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Vorzugsweise
umfasst die Testvorrichtung weiter eine Polymer-Scheibe, die an
dem Bolzenkopf angeordnet ist. Dadurch ist es möglich,
das Entstehen lokaler Spannungsspitzen in einer künstlichen Hüftgelenkkugel
durch eine raue Oberfläche des Bolzenkopfes zu vermeiden.
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Vorzugsweise
ist die Scheibe auf dem Bolzenkopf derart angeordnet, dass eine
künstliche Hüftgelenkkugel auf der Scheibe aufliegen
kann und bei Aufbringen einer Kraft auf die Drückeinrichtung gegen
die Scheibe gedrückt wird.
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Vorzugsweise
weist der Ring UHMW-PE auf. Dadurch ist es möglich, die
Spannungen in einer künstlichen Hüftgelenkkugel,
die durch ISO 7206-10 für einen Test gefordert
werden, genau nachzubilden.
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Besonders
bevorzugt besteht der Ring vollständig aus UHMW-PE.
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Vorzugsweise
weist der Ring UHMW-PE RCH 1000 auf. Dadurch ist es möglich,
die Spannungen in einer künstlichen Hüftgelenkkugel,
die durch ISO 7206-10 für einen Test gefordert
werden, besonders exakt nachzubilden. Außerdem weist der
Ring dadurch eine hohe Dauerhaltbarkeit und einen geringen Verschleiß auf.
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Besonders
bevorzugt besteht der Ring vollständig aus UHMW-PE RCH
1000.
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Vorzugsweise
weist die Buchse Zirkonoxid auf. Dadurch ist es möglich,
eine besonders verschleißfeste Buchse bereitzustellen.
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Vorzugsweise
besteht die Buchse vollständig aus Zirkonoxid.
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Vorzugsweise
weist der Bolzen Stahl auf. Dadurch wird ein kostengünstiger
Bolzen bereitgestellt, der sehr gut zur Aufnahme von Kräften
während eines Tests geeignet ist.
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Vorzugsweise
besteht der Bolzen vollständig aus Stahl.
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Die
Aufgabe wird auch gelöst durch ein Verfahren zum Durchführen
eines Test für künstliche Hüftgelenkkugeln
mit einer Testvorrichtung, die einen Bolzen, eine Buchse, einen
Ring und eine Drückeinrichtung aufweist, wobei der Bolzen
einen Bolzenkopf und einen Bolzenschaft umfasst, der Bolzenschaft
durch die Buchse hindurchgeführt ist, der Ring zwischen
Buchse und Bolzenschaft angeordnet ist und die Drückeinrichtung
koaxial benachbart zu dem Bolzenkopf angeordnet ist, umfassend die
Schritte Aufsetzen einer künstlichen Hüftgelenkkugel
mit einer Vertiefung auf den Bolzen derart, dass der Bolzen in die
Vertiefung eingreift, Aufbringen einer Kraft auf die Drückeinrichtung,
die in Richtung des Bolzens wirkt, Aufbringen einer Zugkraft auf
den Bolzen, die von der Drückeinrichtung weg gerichtet
ist, Lösen der Zugkraft, die auf den Bolzen wirkt, Lösen
der Kraft, die auf die Drückeinrichtung wirkt. Dadurch
ist es auf einfache Weise möglich, Spannungen in die künstliche
Hüftgelenkkugel einzuleiten.
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Vorzugsweise
entsteht eine Vorspannung in der künstlichen Hüftgelenkkugel
durch die Kraft, die durch die Drückeinrichtung auf die
künstliche Hüftgelenkkugel ausgeübt wird
und durch die Gegenkraft, die von dem Ring auf die künstliche
Hüftgelenkkugel ausgeübt wird.
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Vorzugsweise
wird der Ring zwischen der Buchse und dem Bolzenkopf zusammengedrückt, wenn
die Zugkraft auf den Bolzen aufgebracht wird.
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Vorzugsweise
weist der Bolzen eine Festigkeit auf, das es erlaubt, eine Prüfkraft
auf den Ring aufzubringen. Besonders bevorzugt ist der Bolzen mit
einer Hydraulik- oder Pneumatikeinrichtung oder einem Linearantrieb,
vorzugsweise mit einer Kugelumlaufspindel derart verbunden, dass
deren Kraft auf den Ring geleitet werden kann.
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Vorzugsweise
wird der Test als Abnahmeprüfung durchgeführt.
Dadurch ist es möglich, jede einzelne künstliche
Hüftgelenkkugel, die dafür vorgesehen ist, als
Ersatz eines Oberschenkelkopfes vorgesehen zu werden, zu testen.
Vorzugsweise wird jede künstliche Hüftgelenkkugel
nach dem Test auf Beschädigungen, besonders bevorzugt auf
Risse untersucht. Vorzugsweise werden alle künstlichen
Hüftgelenkkugeln, die Beschädigungen aufweisen,
ausgesondert.
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Bevorzugte
Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand
der beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 Ein
Schema einer bevorzugten Ausführungsform der Testvorrichtung,
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2 ein
Ausführungsbeispiel eines Rings,
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3 Einen
Testaufbau nach ISO-7206-10,
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4 eine
Spannungsverteilung in einer künstlichen Hüftgelenkkugel,
die in dem Testaufbau nach 3 getestet
wird und
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5 eine
Spannungsverteilung in einer künstlichen Hüftgelenkkugel,
die in dem Testaufbau nach 1 getestet
wird.
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1 zeigt
ein Schema einer bevorzugten Ausführungsform der Testvorrichtung 10.
Die Testvorrichtung 10 umfasst einen Bolzen 30 mit
einem Bolzenkopf 33 und einem Bolzenschaft 36.
Ein Polymerring 50 ist auf den Bolzenschaft 36 aufgesteckt und
liegt auf der Schaftseite des Bolzenkopfes 33 an. Eine
Buchse 40 ist auf den Bolzenschaft 36 aufgesteckt
und liegt an dem Polymerring 50 an. Auf der Außenseite
des Bolzenkopfes 33, die der Schaftseite gegenüberliegt,
ist eine Polymerscheibe 70 platziert. Beabstandet? von
dem Bolzen befindet sich eine Drückeinrichtung 60.
Die Drückeinrichtung 60 ist in Verlängerung
der Bolzenlängsachse auf der Seite des Bolzenkopfes 33 angeordnet.
Die Drückeinrichtung 60 weist eine kegelstumpfförmige
Aussparung 65 auf, die zu dem Bolzenkopf 33 hinweist.
Der Bolzenschaft 36 ist mit einem Gewinde 37 versehen.
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Eine
künstliche Hüftgelenkkugel 20 mit einer Vertiefung 25 ist
so auf den Bolzen 30 aufgesetzt, dass der Bolzenkopf 33 in
der Vertiefung 25 aufgenommen wird und die Polymerscheibe 70 auf
dem Grund der Vertiefung 25 an der künstlichen
Hüftgelenkkugel 20 anliegt. Die Toleranzen des
Bolzens 30 und der Buchse 40 sind so ausgelegt,
dass diese Bauteile die künstliche Hüftgelenkkugel 20 nicht
berühren.
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Wenn
der Test durchgeführt wird, wird die Drückeinrichtung 60 auf
die künstliche Hüftgelenkkugel 20 mit
einer Kraft von 3 kN aufgedrückt. Diese Kraft wird gehalten
und der Bolzen 30 mit einer Kraft (deren Betrag von Kugeltyp
abhängt) in der Richtung, die der Drückeinrichtung 60 gegenüber
liegt, gezogen. Mit dem Gewinde 37 ist ein Linearantrieb
verbunden, der dazu eingerichtet ist, eine Kraft in den Bolzen 30 einzuleiten.
Durch diese Kraft wird der Polymerring 50 gegen die künstliche
Hüftgelenkkugel 20 gedrückt. Dann wird
der Bolzen 30 gelöst und daraufhin auch die Kraft,
die die Drückeinrichtung 60 gegen die künstliche
Hüftgelenkkugel 20 drückt, gelöst.
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Dieser
Test wird hier als Abnahmeprüfung durchgeführt.
Nach dem Durchführen des Tests wird die künstliche
Hüftgelenkkugel 20 auf Beschädigungen
untersucht. Wenn keine Beschädigungen gefunden werden,
ist der Test bestanden.
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Alternativ
kann dieser Test auch als Dauerhaltbarkeitstest durchgeführt
werden. Dazu wird das Verfahren der Abnahmeprüfung mehrmals
wiederholt. Bei Bedarf wird ein neuer Polymerring 50 eingesetzt.
Die Kraft, mit der der Bolzen 30 und die Kraft, mit der
die Drückeinrichtung 60 beaufschlagt werden, liegen
bei der Durchführung eines Dauerhaltbarkeitstests unter
den Kräften, die bei der Durchführung einer Abnahmeprüfung
eingesetzt werden. Dauerhaltbarkeitstests werden an Stichproben
der produzierten künstlichen Hüftgelenkkugeln 20 durchgeführt. Der
Verschleiß der künstlichen Hüftgelenkkugeln 20, an
denen ein Dauerhaltbarkeitstest durchgeführt worden ist,
wird nach dem Test beurteilt.
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2 zeigt
das Prinzip des Prootest-Konzeptes. Der Polyethylenring 50 ist
wie unter 1 beschrieben zwischen der Buchse 40 und
dem Bolzenkopf 33 angeordnet. Der Bolzenschaft 36 ist durch
die Öffnung des Polyethylenrings 50 hindurchgeführt.
Der Polyethylenring 50 liegt auf einer Stirnfläche 41 der
Buchse 40 auf. Auf der gegenüberliegenden Seite
liegt der Polyethylenring 50 an einer Pressfläche 34 des
Bolzenkopfes 33 an.
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Auf
den Bolzenkopf 33 wird eine Kraft in Richtung der Buchse 40 ausgeübt,
die den Bolzenkopf 33 in Richtung der Buchse 40 drückt.
Dadurch wird der Polyethylenring 50 zwischen der Stirnfläche 41 der
Buchse 40 und der Pressfläche 34 des
Bolzenkopfes 33 zusammengedrückt. Der Polyethylenring 50 weicht
nach außen, d. h. von dem Bolzenschaft 36 weg,
aus.
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Wenn
eine künstliche Hüftgelenkkugel 20 wie
in 1 gezeigt auf den Bolzen 30 aufgesetzt
ist, kann der Polyethylenring 50 nicht nach außen
ausweichen. Dadurch wird ein nahezu hydrostatischer Druck erzeugt.
Der Druck wirkt u. a. in radialer Richtung auf die Oberfläche
der Vertiefung 25 der künstlichen Hüftgelenkkugel 20.
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Durch
das Zusammendrücken des Polyethylenrings 50 ist
es möglich, eine Kraft auf die Oberfläche der
Vertiefung 25 auszuüben und diese Kraft wieder
zu entfernen, so dass die Oberfläche der Vertiefung 25 durch
den Test nicht beschädigt wird und die künstliche
Hüftgelenkkugel 20 ohne Beschädigungen von
der Testeinrichtung entfernt werden kann.
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3 zeigt
einen Testaufbau nach ISO-7206-10. Bei diesem Testaufbau
liegt die künstliche Hüftgelenkkugel 20 auf
einem Kupferring 85 auf, der an einer Aufnahme 80 vorgesehen
ist. Die Vertiefung 25 ist dabei von der Aufnahme 80 weg gerichtet.
In der Vertiefung 25 befindet sich ein Stempel 90.
Um den Test durchzuführen, wird eine Kraft 90 in den
Stempel eingeleitet. Diese Kraft im Stempel 90 wirkt in
Richtung der Aufnahme 80. An dem Kupferring 85 entsteht
eine Gegenkraft, die von außen auf die künstliche
Hüftgelenkkugel 20 wirkt. Die Kraft des Stempels 90 und
die Gegenkraft an dem Kupferring 85 erzeugen in der künstlichen
Hüftgelenkkugel 20 eine Spannungsverteilung, die
der Spannungsverteilung im lebenden Organismus nahe kommen soll. Nach
der Durchführung des Tests wird der Stempel 90 aus
der Vertiefung 25 entfernt. Dabei wird die Oberfläche
der Vertiefung 25 beschädigt. Daher kann eine
derartige Testvorrichtung für die Vornahme von Abnahmeprüfungen
nicht eingesetzt werden. Die Spannungsverteilung, die durch diese
Testvorrichtung in künstlichen Hüftgelenkkugeln 20 hervorgerufen
wird, muss jedoch auch durch alternative Testvorrichtungen 10 erzeugt
werden, da diese Testvorrichtung nach ISO 7206-10 als
Referenz gilt.
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4 zeigt
eine Spannungsverteilung in einer künstlichen Hüftgelenkkugel 20,
die in dem Testaufbau nach 3 getestet
wird. Die künstliche Hüftgelenkkugel 20 ist
hier zwischen den Stempel 90 und der Aufnahme 80 eingespannt.
Der Bereich der höchsten Spannung 100 liegt auf
der Oberfläche der Vertiefung 25 benachbart zum
Boden der Vertiefung.
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5 zeigt
eine Spannungsverteilung in einer künstlichen Hüftgelenkkugel 20,
die in dem Testaufbau nach 1 getestet
wird. Die künstliche Hüftgelenkkugel 20 ist
zwischen der kegelförmigen Aussparung 65 der Druckeinrichtung 60,
der Scheibe 70 und dem Polymerring 50 eingespannt,
wie bei 1 beschrieben.
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Dadurch
werden Spannungen in der künstlichen Hüftgelenkkugel 20 erzeugt.
Der Bereich der höchsten Spannung 100 liegt auf
der Oberfläche der Vertiefung 25 benachbart zum
Boden der Vertiefung 25. Damit liegt eine ähnliche
Spannungsverteilung wie in 4 vor. Bei
einem Abnahmetest, wie er in 1 beschrieben
ist, sind die Spannungen, die in Bereichen mit hohen Spannungen
auftreten, um 1,1–1,8 mal höher als die Spannungen,
die in dem Iso-Standardtest auftreten, der in 3 gezeigt
ist.
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- 10
- Testvorrichtung
- 20
- Künstliche
Hüftgelenkkugel
- 25
- Vertiefung
- 30
- Bolzen
- 33
- Bolzenkopf
- 34
- Pressfläche
- 36
- Bolzenschaft
- 37
- Gewinde
- 40
- Buchse
- 41
- Stirnfläche
- 50
- Ring
- 60
- Drückeinrichtung
- 65
- Kegel-
oder kegelstumpfförmige Aussparung
- 70
- Scheibe
- 80
- Aufnahme
- 85
- Kupferring
- 90
- Stempel
- 100
- Bereich
der höchsten Spannungen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - ISO 7206-10 [0004]
- - ISO 7206-10 [0024]
- - ISO 7206-10 [0026]
- - ISO-7206-10 [0041]
- - ISO-7206-10 [0053]
- - ISO 7206-10 [0053]