Der Einsatz von Knie- und Hüftendoprothesen zählt heute zu den am häufigsten durchgeführten chirurgischen Eingriffen. Studien prognostizieren, dass die Zahl dieser Operationen in Deutschland bis 2040 um 38 % steigen wird. Mit der Zunahme dieser Eingriffe rückt auch die Notwendigkeit präziser Prüfverfahren in den Fokus, um sicherzustellen, dass die eingesetzten Prothesen den Anforderungen jüngerer und aktiverer Patienten gerecht werden.
Ein zentrales Problem bei Hüftimplantaten ist das sogenannte „stress shielding“. Dieser Effekt entsteht durch eine unzureichende Übereinstimmung zwischen der mechanischen Steifigkeit des Implantats und der natürlichen Knochenstruktur, was zu einem frühzeitigen Versagen führen kann. Um die mechanischen Eigenschaften von Implantaten präzise zu charakterisieren, werden häufig Tension-Torsion-Prüfmaschinen eingesetzt. Diese können die Prothesen mit einer Überlagerung von Zug-/Druckkräften und Torsionsmomenten belasten.
Auf dem Markt etablierte Prüfmaschinen verwenden zwei grundlegende Prinzipien, um diese Überlagerung zu realisieren. Am häufigsten wird eine serielle Kinematik, also aufeinander aufbauende Antriebe, verwendet. Dadurch muss ein Antrieb den übergeordneten Antrieb mitbewegen, was zu Einbußen in der erreichbaren Dynamik führt. Die zweite Möglichkeit ist ein mechanisches Koppelelement zwischen den beiden Antrieben. Dieses Koppelelement ist jedoch durch den prinzipbedingt notwendigen zusätzlichen Freiheitsgrad in der Anbindung an den jeweiligen Antrieb verschleißbehaftet.
Im Rahmen des Projektes „TETO“ wird in Kooperation mit dem Institut Chemnitzer Maschinen- und Anlagenbau e.V. (ICM), der Elektrische Automatisierungs- und Antriebstechnik GmbH Chemnitz und der DYNA-Mess Prüfsysteme GmbH eine neuartige Tension-Torsion-Prüfmaschine entwickelt. Dabei werden die beiden separaten Antriebe durch einen neuartigen Mehrkoordinatenantrieb ersetzt. Somit wird eine parallele Anordnung der Antriebe ohne verschleißbehaftetes mechanisches Koppelelement ermöglicht. Weiterhin kann durch den Einsatz des Mehrkoordinatenantriebs die bewegte Masse reduziert und dadurch die Dynamik und Leistungsdichte der Prüfmaschine potenziell gesteigert werden.
Der Mehrkoordinatenantrieb basiert auf einer dreiphasigen permanentmagneterregten Synchronmaschine mit einem Kreuzwicklungssystem. Die Permanentmagneten sind in einem Schachbrettmuster auf dem Sekundärteil angeordnet, was eine entkoppelte Krafterzeugung in zwei Freiheitsgraden ermöglicht. Optimierungen wie die Verwendung einer Hallbach-Array-Anordnung der Permanentmagneten erhöhen die erreichbare Dynamik zusätzlich. Die Regelung der beiden Freiheitsgrade wird durch eine Kaskadenregelung mit integrierter Rastkraftkompensation übernommen.
Um eine simultane translatorische und rotatorische Bewegung zu ermöglichen, wird die Lagerung des Sekundärteils als hydrostatische Lagerung ausgeführt. Diese nutzt ein wasserbasiertes Fluid, um das Kontaminationsrisiko in der biomedizintechnischen Prüfumgebung so gering wie möglich zu halten. Das Projekt wird im Rahmen des „Zentralen Innovationsprogramms Mittelstand“ (ZIM) des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWE) gefördert.
Kontakt:
Für weitere Informationen steht Ihnen Julian Manthei unter der Telefonnummer +49 511 762 18385 oder per E-Mail an manthei@ifw.uni-hannover.de gern zur Verfügung.
