Entwicklung von Prooftest-Konzepten für Hüftgelenks-Kugelköpfe aus Keramik

Gegenstand der Arbeit ist die Entwicklung eines Prooftests für Keramik-Kugelköpfe von Hüftgelenksprothesen. In einem solchen Test werden Bauteile mit Fehlern, die durch subkritisches Rißwachstum während der geplanten Betriebsdauer zu einem Versagen führen können, durch Zerstörung ausgesondert. Nachdem die Materialparameter, die das unterkritische Rißwachstum kennzeichnen (z.B. v-K-Kurven) sowie Höhe und Ort der maximalen Beanspruchung im Betriebsfall in vorangegangenen Veröffentlichungen beschrieben wurden, werden hier die weiteren möglichen kritischen Belastungsfälle mit Hilfe dreidimensionaler Finite-Elemente-Rechnungen und DMS-Messungen analysiert. Für die am stärksten gefährdeten Regionen des Kugelkopfes, das Gewölbe (Innenseite der der Gelenkpfanne zugewandten Seite) und den Konusbereich (Kontakt zum im Femur verankerten Metallschaft) werden Anordnungen für eine geeignete Proofbelastung entwickelt. FE-Rechnungen ermöglichen dabei eine Optimierung der Belastungsgeometrie für den Te st, wodurch die Zuverlässigkeit für einen möglichst weiten Bereich physiologischer Belastungswinkel erreicht wird. Zur Gewölbeprüfung wird der Kugelkopf rotationssymmetrisch über eine Kupferkalotte mit Bohrung belastet. Der Konus wird durch eine Aufweitung mittels Innendruck geprüft. Damit mögliche Vorhersagen für Mindestlebensdauern werden für eine an der physiologischen Belastung orientierte Geometrie durch Wechsellastversuchsserien bestätigt.