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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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In
der
DE 44 11 508 ist
eine Vorrichtung zum Prüfen
von keramischen Hüftgelenkkugeln
beschrieben.
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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 gemäß der unabhängigen Ansprüche. Insbesondere
wird die Aufgabe gelöst
durch eine Testvorrichtung für
künstliche
Hüftgelenkkugeln,
wobei die Hüftgelenkkugel
eine Vertiefung aufweist, 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 Bolzenkopf angeordnet ist,
es durch ein Zusammendrücken
des Ringes zwischen der Buchse und dem Bolzenkopf möglich ist, einen
radial nach außen
wirkenden Druck auf die Vertiefung der Hüftgelenkkugel auszuüben 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.
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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.
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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.
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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