DE3001521B1 - Verfahren und Vorrichtung zur Pruefung eines Faser-Matrix-Verbundkoerpers o.dgl. anwendungsspezifischer Konfiguration,insbesondere eines Bein-Prothesenschaftes - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Pruefung eines Faser-Matrix-Verbundkoerpers o.dgl. anwendungsspezifischer Konfiguration,insbesondere eines Bein-Prothesenschaftes

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Description

  • Insbesondere kann der Einspannbereich des Verbundkörpers oder Werkstoffes einer meßbaren gesteuerten Prüflast unterworfen werden. Beispielsweise kann der Einspannbereich einer linear gerichteten Prüflast ausgesetzt und/oder einer dreidimensionalen meßbaren Steuerungsbewegung bzw. sphärischen Bewegungrsteuerung ausgesetzt werden.
  • Die Vorspannbelastung und/oder die Prüflast können hydrostatisch, -dynamisch und/oder mechanisch aufgebracht werden.
  • Bei einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden Vorspannungsbelastung und/oder Prüflast elektronisch gesteuert und ausgewertet.
  • Eine Prüfvorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, daß ein festehender Trägeraufbau in seinem hohlen Inneren Formschlußelemente aufweist, die den zu prüfenden Verbundkörper oder Werkstoff dicht umfassen, den Meßstellen des Verbundkörpers oder Werkstoffes zugeordnet sind und über steuerbare Vorspannelemente am Trägeraufbau gehaltert sind, und daß eine Einspannvorrichtung für den einen Endbereich des V#rbundkörpers oder Werkstoffes vorgesehen ist.
  • Die Einspannungsvorrichtung kann bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit dem feststehenden Trägeraufbau fest verbunuen sein.
  • Insbesondere kann vorgesehen sein, daß die Einspannvorrichtung in steuerbarer und meßbarer Weise durch eine lineare Prüflast beaufschlagbar ist.
  • Die Einspannvorrichtung kann einen Laststempel mit Kugelkopfeinspannung aufweisen, die dreidimensional steuerbar ist. Bei einer Schaft-Endoprothese kann damit der Bereich Adduktion-Abduktion/Flexion-Extension/ Innen-Außenrotation untersucht werden. Mit Hilfe einer Kugelkopfeinspannung ist sphärisches Gleiten bzw. Haften (Bremsibackeneffekt) ermöglicht.
  • Insbesondere kann die Kugelkopfeinspannung individuell steuerbare Schalensegmente aufweisen, die auch mit einer gemeinsamen Einspannkraft beaufschlagbar sein können. Damit wird erreicht, daß sowohl ein Kugel-Gleitlager als auch bei fester Einspannung ein Kugel-Klemmlager schaltbar ist. Über Reaktionsdruckermittlung auf die einzelnen Einspann-Schalenzonen können lokale Anpreßkräfte und Friktionswerte ermittelt und ausgewertet werden.
  • Eine besonders einfache und konplkte Prüfvorrichtung kennzeichnet sich dadurch, daß der Trägeraufbau im wesentlichen eine Aufnahmebohrung für den zu prüfenden Verbundkörper oder Werkstoff, Ringsegmente und steuerbare elastische Hohlglieder aufweist, wobei der Verbundkörper im Prüfungsbetrieb über die Ringsegmente formschlüssig gehaltert ist, die Ringsegmente über die Hohlglieder am Trägerbau fixiert sind und die Hohlglieder in gerichteter Weise ausdehnbar sind, die einzelne voneinander unabhängige Kammern bilden, welche mit einem Steuermedium beaufschlagbar sind.
  • Die Hohlglieder können an ein Hydraulikaggregat angeschlossen sein, das einen Hauptdruckspeicher, Einzeldruckregler, Kraftumsetzer und Meßfühleranschlüsse zu jeder einzelnen Meßstelle umfaßt.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn ein Schaltungsschrank angeschlossen ist, der integrierte Elektronikmodule, eine Rechnereinheit, eine digitale oder analoge Auswertung, Verlaufsschreiber sowie Regel- und Leistungsstromkreise in Baueinheit enthält.
  • Mit Hilfe der Erfindung kann der natürliche Aufbau eines cranialen Femurteiles von der Diaphyse bis über die Trochanter major bis -minorlinie entsprechend den trajektorellen Reaktionalinien bei normalem CCD-Winkel simuliert werden. Es kann in vorteilhafter Weise das Reaktionsverhalten der einzelnen Festigkeitszonen des Simulationsfemur infolge der Relativbewegung des Schaftes sowie der Adaptionsbereich zwischen Schaft und Kugel (Gelenk) dargestellt, gemessen und aufgezeichnet werden. Entgegen der herkömmlichen, starren Einbettung des zu prüfenden Prothesenschaftes bei einem Einguß in Harz bieten sich beim erfindungsgemäßen Verfahren direkte, die Schaft- und Knochenwerte messende Prüfungsmöglichkeiten. Insbesondere können bei einem statischen Belastungstest eines Schaftes bis zum Bruch verlaufsgenaue Daten über sämtliche Zonen an Schaft und dem simulierten Knochen ermittelt werden, wobei die relativ entstandene Knochenverformung analysiert werden kann. Der Prüfschaft ist bei der Erfindung im wesentlichen uneingebettet und steht zur analytischen Auswertung zur Verfügung, ohne daß dieser wie nach dem bekannten Verfahren aus der Eingußmasse herausgeschält werden muß.
  • Neben der statischen Belastung eines Schaftes können auch dynamische Belastungs- und Beanspruchungstests durchgeführt werden. Insbesondere kann das Langzeitverhalten des Schaftes im Knochen und dessen Reaktion unter quasihumanen Bedingungen mit gleitender Kugel/Pfanne-Einstellung und idealisiertem Bewegungsablauf untersucht werden. Dynamische Belastungs- und Beanspruchungsversuche können auch mit schwellendem Friktionseffekt ablaufen.
  • Ferner ist durch die Erfindung ein reiner Torsionstest mit eingeklemmter Kugeleinspannung ermöglicht. Insbesondere ist ein Torsionsspannungsnachweis im Diaphysenbereich realisierbar. Auch kann ein Torsionstest bei maximaler Schafteinspannung und geklemmter Kugel zur Prüfung der Formschlußverbindung zwischen oberem Schaftende und aufgesteckter Kugel zwecks Erkennen des Momentanverlaufs an den Grenzzonen durchgeführt werden. Die Torsionsversuche können bei maximal eingespanntem Schaft und maximal eingespannter Kugel als Bruchfestigkeitsversuche wie auch bei physiologischen Vorspannwerten als Longlife-Versuche vollzogen werden.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung im einzelnen beschrieben; es zeigt F i g. 1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Prüfvorrichtung mit eingespanntem Prothesenschaft, F i g. 2 einen Querschnitt durch die Prüfvorrichtung längs der Linie A-A der Fig. 1, Fig. 3 einen Längsschnitt eines Endoprothesen-Prüflings, und F i g. 4 eine schematische perspektis ische Ansicht eines weiteren Endoprothesen-Prüflings für eine Prüfung in der Vorrichtung nach Fig. 1.
  • In den F i g. 1 und 2 ist eine Prüfvorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Im feststehenden Trägeraufbau 10 ist eine innere Aufnahmebohrung 15 für den Prüfling oder Verbundkörper 2 vorgesehen. Der Trägeraufbau 10 enthält hierin entsprechend der Anzahl der zu messenden Stellen auf dem Prüfling 2 Formschlußelemente 11, 12, die im Prüfungsbetrieb dicht am Schaft 7 des Verbundkörpers 2 anliegen und über elastische Hohlglieder als Vorspannungselemente 13, 14 individuell und/oder gemeinsam steuerbar sind, wobei die elastischen Hohlglieder in gerichteter Weise ausdehnbar sind (axial, tangential bzw. radial zum Verbundkörperschaft bzw. zur Femurachse), an den Formschlußelementen 11, 12 in Ringsegmentform anliegen und diese haltern und äußere Anschlüsse aufweisen, die sich durch den eigentlichen Trägeraufbau 10 erstrecken und mit einem (nicht dargestellten) Hydraulik-Schaltaggregat verbunden sind. Die Hohlglieder 13, 14 sind in einze!ne Kammern 16 aufgeteilt, wie dies insbesondere aus der F i g. 2 ersichtlich ist. Die Kammern liegen jeweils vor einem Ringsegment und können hydraulisch auf die jeweilige, der Knochenzone entsprechende Vorspannung gebracht werden. Auch ist es möglich, die Vorspannung auf einen einheitlichen Wert (Last p,,,,.x) für einen Crash-Test zu fahren.
  • Die Prüfvorrichtung weist ferner einen (nicht dargestellten) Laststempel mit Kugelkopfeinspannung auf, der den zu prüfenden Verbundkörper 2 im Bereich des in F i g. 1 gezeigten oberen Endes 3 haltert und in gewünschter Form lastbeaufschlagt. Die Lastbeaufschlagung kann eine linear gerichtete Prüflast oder aber eine sphärische Bewegungssteuerung sein (sphärisch gleitend bzw. haftend).
  • Der Laststempel kann am feststehenden Trägeraufbau 10 befestigt sein.
  • Die Prüfvorrichtung umfaßt ferner einen (nicht dargestellten) Schaltschrank zur Steuerung bzw. Regelung des Hydraulikaggregats zwecks Schaffung der Vorspannungsbelastung bei den Ringsegmenten 11, 12 sowie der Prüflast des Laststempels, wobei integrierte Elektronikmodule, eine Rechnereinheit, eine digitale oder analoge Auswertstation, Verlaufsschreiber sowie Regel- und Leistungsstromkreise in Baueinheit vorgesehen sind.
  • Ein zu prüfender Verbundkörper 2 nach den F i g. 3 und 4 wird vor seiner Einspannung in die Prüfvorrichtung an seinem Schaft 7 mit Meßstellen 4, 5 präpariert, beispielsweise werden Dehnmeßstreifen oder Meßfühleranschlüsse vorgesehen. Die in Umfangsrichtung verlaufenden Meßstellen 4 werden in definierten Abständen bezüglich der Längsrichtung des Verbundkörpers 2 von der Diaphyse über die Metaphyse bis in den Trochanterbereich angeordnet. Bei eingespanntem Verbundkörper 2 entsprechen die Meßstellen den ringförmigen, radial unterteilten Formschlußsegmenten um den Schaft des Prüflings, d.h. es stehen die Meßstellen jeweils in einem Kontakt mit einem individuell steuerbaren Ringsegment 11, 12.
  • Auch können Meßstellen 4 in Längsrichtung des Verbundkörpers 2 vorgesehen sein, denen entsprechende Hohlglieder 14 zwischen den Segmentringen 11, 12 gemäß F i g. 1 zugeordnet sind.
  • Somit können mit Hilfe des Laststempels sowie der Vorspannungselemente 11, 12 sämtliche Belastungs-und Beanspruchungsrichtungen der physiologischen Humanbewegung nachvollzogen werden.

Claims (14)

  1. Pateptansprüche: 1. Verfahren zur Prüfung eines Faser-Matrix-Verbundkörpers bzw. eines isotropen oder amorphen Werkstoffes anwendungsspezifischer Konfiguration, insbcsondere eines Bein-Prothesenschaftes, d a -durch g e k e n n z e i c h n e r, daß der im wesenilichen bei seinem einen Endbereich (3) eingespannte langgestreckte Verbundkörper (2) oder Werkstoff an seinen restlichen Schaftteilen mit einer Mehrzahl von Meßstellen (4, 5) in Längs- und/oder in Umfangsrichtu#g des Schaftes (7) ausgebildet wird, die individuell einer meßbaren steuerbaren Vorspannungsbelastung ausgesetzt werden.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einspannbereich (3) des Verbundkörpers (2) oder Werkstoffes einer meßbaren gesteuerten Prüflast unterworfen wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Einspannbereich (3) des Verbundkörpers (2) oder Werkstoffes einer linear gerichteten Prüflast ausgesetzt wird.
  4. 4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Einspannbereich (3) des Verbundkörpers (2) oder Werkstoffs einer dreidimensionalen meßbaren Steuerungsbewegung bzw.
    einer sphärischen Bewegungssteuerung unterzogen wird.
  5. 5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Vorspannungsbelastung und/ oder Prüflast hydrostatisch, -dynamisch und/oder mechanisch aufgebracht werden.
  6. 6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeiclinet, daß Vorspannungsbelastung und/ oder Prüflast elektronisch gesteuert und ausgewertet werden.
  7. 7. Prüfvorrichiung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein feststehender Trägeraufbau (10) in seinem hohlen Innern Formschlußelemente (11, 12) aufweist, die den zu prüfenden Verbundkörper (2) oder Werkstoff -dicht umfassen, den Meßstellen (4, 5) des Verbundkörpers (2) oder Werkstoffs zugeordnet sind und über steuerbare Vorspannelemente (13, 14) am Trägeraufbau (10) gehaltert sind, und daß eine Einspannvorrichtung für den einen Endbereich (3) des Verbundkörpers (2) oder Werkstoffs vorgesehen ist.
  8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspannvorrichtung mit dem feststehenden Trägeraufbau (10) fest verbunden ist.
  9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspannvorrichtung in steuerbarer und meßbarer Weise durch eine lineare Prüflast beaufschlagbar ist.
  10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspannvorrichtung einen Laststempel mit Kugelkopfeinspannung aufweist, die dreidimensional steuerbar ist.
  11. 11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugelkopfeinspannung individuell steuerbare Schalensegmente aufweist.
  12. 12. Vorrichtung nach den Ansprüchen 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägeraufbau (10) im wesentlichen eine Aufnahmebohrung (15) für den zu prüfenden Verbundkörper (2) oder Werkstoffe, Ringsegmente (11, 12) und steuerbare elastische Hohlglieder (13, 14) aufweist, wobei der Verbundkörper (2) im Prüfungsbetrieb über die Ringsegmente (11, 12) formschlüssig gehaltert ist, die Ringsegmente (11, 12) über die Hohlglieder (13, 14) am Trägeraufbau (11) fixiert sind und die Hohlglieder (13, 14) in gerichteter Weise ausdehnbar sind, die einzelne voneinander unabhängige Kammern (16) bilden, welche mit einem Steuermedium beaufschlagbar sind.
  13. 13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlglieder (13, 14) an den Hydraulikaggregat angeschlossen sind, das einen Hauptdruckspeicher, Einzeldruckregler, Kraftumsetzer, und Meßfühleranschlüsse zu jeder einzelnen Meßstelle (4, 5) umfaßt.
  14. 14. Vorrichtung nach den Ansprüchen 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schaltungsschrank angeschlossen ist, der integrierte Elektronikmodule, eine Rechnereinheit, eine digitale oder analoge Auswertung, Verlaufsschreiber sowie Regel- und Leistungsstromkreise in Baueinheit enthält.
    Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Prüfung eines Faser-Matrix-Verbundkörpers bzw. eines isotropen oder amorphen Werkstoffes anwendungsspezifischer Kofiguration, insbesondere eines Bein-Prothesenschaftes.
    Für Humanprothesen werden vielfach Verbundwerkstofte (z. B. Faser/Matrix) oder amorphe Werkstoffe (z. B. Metall) oder Laminat-Werkstoffe verwendet, die nicht nur hinsichtlich der Form, sondern auch hinsichtich differenzierter Festigkeit dem menschlicl,en Knochen angepaßt werden müssen.
    Die Festigkeit eines Prothesenschaftes wird in bekannter Weise dadurch geprüft, daß dieser in llarz in einem starren Rohr mit einem breiten Fuß eingegossen wird, dadurch eine starre Einbettung des zu prüfenden Schaftes entsteht, und daß der Prothesenschaft im Bereich seines Simulationsgelenkes (z. B. Kugelkopf der Schaft-Endoprothese) lastbeaufschlagt wird Dieses Verfahren der Prüfung der ~ Festigkeit liefert nur vergleichsweise grobe Testergebnisse, da der in Harz eingegossene Prothesenschaft während des Prüfungsversuchs starr gehaltert ist. Es ist jedoch nachgewiesen.
    daß der humane Femurknochen unterschiedliche Festigkeitszonen im Schaftbereich aufweist, die es bei einem genauen Prüfungsverfahren zu berücksichtigen gilt.
    Aufgabe der Erfindung ist demnach die Schaffung eines Verfahrens sowie einer Vorrichtung zum Prüfen eines Faser-Matrix-Verhundkörpers oder dergleichen anwendungsspezifischer Konfiguration der eingangs genannten Art, nach dem bzw. mit der der Prüfling an differenzierter gewünschter Stelle einem Festigkeitstest unterzogen werden kann.
    Gelöst wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe dadurch, daß der im wesentlichen bei seinem einen Endbereich eingespannte langgestreckte Verbundkörper oder Werkstoff an seinen restlichen Schaftteilen mit einer Mehrzahl von Meßstellen in Längs- und/oder in Umfangsrichtung des Schaftes ausgebildet wird, die individuell einer meßbaren steuerbaren Vorspannungsbelastung ausgesetzt werden.
DE19803001521 1980-01-17 1980-01-17 Verfahren und Vorrichtung zur Prüfung eines Faser-Matrix-Verbundkörpers o.dgl. anwendungsspezifischer Konfiguration, insbesondere eines Bein-Prothesenschaftes Expired DE3001521C2 (de)

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