DE3001521C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Prüfung eines Faser-Matrix-Verbundkörpers o.dgl. anwendungsspezifischer Konfiguration, insbesondere eines Bein-Prothesenschaftes - Google Patents

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

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DE3001521C2 DE19803001521 DE3001521A DE3001521C2 DE 3001521 C2 DE3001521 C2 DE 3001521C2 DE 19803001521 DE19803001521 DE 19803001521 DE 3001521 A DE3001521 A DE 3001521A DE 3001521 C2 DE3001521 C2 DE 3001521C2
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Description

bundkörpers 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 Bev/egungssteuerung ausgesetzt werden.
Die Vorspannbelastung und/oder die Prüflast können hydrostatisch, -dynamisch und/oder mechanisch aufgebracht werdea
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 Verbundkörpers oder Werkstoffes vorgesehen ist.
Die Einspannungsvorrichtung kann bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit dem feststehenden Trägeraufbau fest verbunden sein.
Insbesondere kann vorgesehen sein, daß die Einspannvorrichtung in steuerbarer und meßbarer Weise durch eine lineare Prüflast beaufschlagbar ist.
Die Einspannvorrichtung kann einen Laststempei 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 (Bremsbackeneffekt) 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 konpakte 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 Reaktionslinien 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. t einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Prüfvorrichtung mit eingespanntem Prothesenschaft,
F i g. 2 einen Querschnitt durch die Prüfvorrichtung längs der Linie A-A der F i g. 1,
F i g. 3 einen Längsschnitt eines Endoprothesen-Prüflings, und
Fig.4 eine schematische perspektivische Ansicht eines weiteren Endoprothesen-Prüflings für eine Prüfung in der Vorrichtung nach F i g. 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-Schaitaggregat verbunden sind. Die Hohlglieder 13, 14 sind in einzelne 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 pmax) für einen Crash-Test zu fahren.
Die Prüfvorrichtung weist ferner einen (nicht dargestellten) Laststempe! 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 Abctänden bezüglich der Längsrichtung des Verbundkörptrs 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 Belastungsund Beanspruchungsrichtungen der physiologischen Humanbewegung nachvollzogen werden.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (12)

1 2 Hohlglieder (13, 14) aufweist, wobei der Verbund-Patentansprüche: körper (2) im Prüfungsbetrieb über die Ringsegmente (11, 12) formschlüssig gehaltert ist die Ringseg-
1. Verfahren zur Prüfung eines Faser-Matrix-Ver- mente (U, 12) über die Kohlglieder (13, 14) am bundkörpers bzw. eines isotropen oder amorphen 5 Trägeraufbau (11) fixiert sind und die Hohlglieder Werkstoffes anwendungsspezifischer Konfiguration, (13, 14) in gerichteter Weise ausdehnbar sind, die insbesondere eines Bein-Prothesenschaftes, da- einzelne voneinander unabhängige Kammern (16) durch gekennzeichnet, daß der im wesentli- bilden, welche mit einem Steuermedium beaufchen bei seinem einen Endbereich (3) eingespannte schlagbar sind.
langgestreckte Verbundkörper (2) oder Werkstoff io 13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch
an seinen restlichen Schaftteilen mit einer Mehrzahl gekennzeichnet, daß die Hohlglieder (13,14) an den
von Meßstellen (4, 5) in Längs- und/oder in Hydraulikaggregat angeschlossen sind, das einen
Umfangsrichtung des Schaftes (7) ausgebildet wird, Hauptdruckspeicher, Einzeldruckregler, Kraftum-
die individuell einer meßbaren steuerbaren Vorspan- setzer, und Meßfühleranschlüsse zu jeder einzelnen
nungsbelastung ausgesetzt werden. 15 Meßstelle (4,5) umfaßt
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn- 14. Vorrichtung nach den Ansprüchen 7 bis 13, zeichnet daß der Einspannbereich (3) des Verbund- dadurch gekennzeichnet, daß ein Schaltungsschrank körpers (2) oder Werkstoffes einer meßbaren angeschlossen ist, der integrierte Elektronikmodule, gesteuerten Prüflast unterworfen wird. eine Rechnereinheit, eine digitale oder analoge
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch 20 Auswertung, Verlaufsschreiber sowie Regel- und gekennzeichnet, daß der Einspannbereich (3) des Leistungsstromkreise in Baueinheit enthält.
Verbundkörpers (2) oder Werkstoffes einer linear
gerichteten Prüflast ausgesetzt wird.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet daß der Einspannbereich (3) des 25
Verbundkörpers (2) oder Werkstoffs einer dreidi- Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine mensionalen meßbaren Steuerungsbewegung bzw. Vorrichtung zur Prüfung eines Faser-Matrix-Verbundeiner sphärischen Bewegungssteuerung unterzogen körpers bzw. eines isotropen oder amorphen Werkstofwird. fes anwendungsspezifischer Kofiguration, insbesondere
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch 30 eines Bein-Prothesenschaftes.
gekennzeichnet, daß Vorspannungsbelastung und/ Für Humanprothesen werden vielfach Verbundwerkoder Prüflast hydrostatisch, -dynamisch und/oder stoffe (z. B. Faser/Matrix) oder amorphe Werkstoffe mechanisch aufgebracht werden. (z. B. Metall) oder Laminat-Werkstoffe verwendet, die
6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch nicht nur hinsichtlich der Form, sondern auch hinsichtgekennzeichnet, daß Vorspannungsbelastung und/ 35 lieh differenzierter Festigkeit dem menschlichen Kno- oder Prüflast elektronisch gesteuert und ausgewer- chen angepaßt werden müssen.
tet werden. Die Festigkeit eines Prothesenschaftes wird in
7. Prüfvorrichtung zur Durchführung des Verfah- bekannter Weise dadurch geprüft, daß dieser in Harz in rens nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch einem starren Rohr mit einem breiten Fuß eingegossen gekennzeichnet, daß ein feststehender Trägeraufbau 40 wird, dadurch eine starre Einbettung des zu prüfenden (10) in seinem hohlen Innern Formschlußelemente Schaftes entsteht, und daß der Prothesenschaft im (11,12) aufweist die den zu prüfenden Verbundkör- Bereich seines Simulationsgelenkes (z. B. Kugelkopf der per (2) oder Werkstoff dicht umfassen, den Schaft-Endoprothese) lastbeaufschlagt wird. Dieses Meßstellen (4, 5) des Verbundkörpers (2) oder Verfahren der Prüfung der Festigkeit liefert nur Werkstoffs zugeordnet sind und über steuerbare 45 vergleichsweise grobe Testergebnisse, da der in Harz Vorspannelemente (13, 14) am Trägeraufbau (10) eingegossene Prothesenschaft während des Prüfungsgehaltert sind, und daß eine Einspannvorrichtung für Versuchs starr gehaltert ist. Es ist jedoch nachgewiesen, den einen Endbereich (3) des Verbundkörpers (2) daß der humane Femurknochen unterschiedliche oder Werkstoffs vorgesehen ist. Festigkeitszonen im Schaftbereich aufweist, die es bei
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekenn- 50 einem genauen Prüfungsverfahren zu berücksichtigen i:> zeichnet, daß die Einspannvorrichtung mit dem gilt.
feststehenden Trägeraufbau (10) fest verbunden ist. Aufgabe der Erfindung ist demnach die Schaffung
fi
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch eines Verfahrens sowie einer Vorrichtung zum Prüfen
\i gekennzeichnet, daß die Einspannvorrichtung in eines Faser-Matrix-Verbundkörpers oder dergleichen
& steuerbarer und meßbarer Weise durch eine lineare 55 anwendungsspezifischer Konfiguration der eingangs
'■' Prüflast beaufschlagbar ist. genannten Art, nach dem bzw. mit der der Prüfling an
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch differenzierter gewünschter Stelle einem Festigkeitstest gekennzeichnet, daß die Einspannvorrichtung einen unterzogen werden kann.
Laststempel mit Kagelkopfeinspannung aufweist, Gelöst wird die der Erfindung zugrundeliegende
die dreidimensional steuerbar ist. 60 Aufgabe dadurch, daß der im wesentlichen bei seinem
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch einen Endbereich eingespannte langgestreckte Vergekennzeichnet, daß die Kugelkopfeinspannung bundkörper oder Werkstoff an seinen restlichen individuell steuerbare Schalensegmente aufweist. Schaftteilen mit einer Mehrzahl von Meßstellen in
12. Vorrichtung nach den Ansprüchen 7 bis 11, Längs- und/oder in Umfangsrichtung des Schaftes dadurch gekennzeichnet, daß der Trägeraufbau (10) 65 ausgebildet wird, die individuell einer meßbaren im wesentlichen eine Aufnahmebohrung (15) für den steuerbaren Vorspannungsbelastung ausgesetzt werzu prüfenden Verbundkörper (2) oder Werkstoffe, den.
Ringsegmente (11, 12) und steuerbare elastische Insbesondere kann der Einspannbereich des Ver-
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