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GOM Gesellschaft für Optische Messtechnik

Lebensdauer von Sportprothesen in 3D berechnen

| Redakteur: Peter Reinhardt

Sportprothesen sind schnellen Bewegungen und damit auch hohen Belastungen ausgesetzt. Um die Lebensdauer verlässlich vorhersagen zu können, hat der Lehrstuhl für Leichtbau im Automobil (LiA) an der Universität Paderborn nicht nur konventionelle Methoden wie Dehnungsmessstreifen verwendet, sondern auch einen optischen Sensor, der Verschiebungen und Dehnungen in 3D erfasst.

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Patiententests auf dem Laufband: Zur Validierung der optischen Messdaten bewegen sich Probanden mit 6 bis 10 km/h. Das Hochgeschwindigkeitskamerasystem Pontos erfasst dabei die Bewegung des Kraftangriffspunktes und die Verformung der Lauffeder.
Patiententests auf dem Laufband: Zur Validierung der optischen Messdaten bewegen sich Probanden mit 6 bis 10 km/h. Das Hochgeschwindigkeitskamerasystem Pontos erfasst dabei die Bewegung des Kraftangriffspunktes und die Verformung der Lauffeder.
( Bild: GOM )

Das Projekt erfolgte in Zusammenarbeit mit dem Unternehmen Orthopädietechnik Winkler und weiteren Partnern. Innerhalb zyklischer Belastungstests am Prüfstand sowie an Patienten wurden optische Messsysteme eingesetzt. Anhand der Ergebnisse erfolgte die Lebensdauerberechnung der Prothesen. Zusätzlich dienten die Messdaten zur Verifizierung der Simulation und zum Vergleich mit klassischen Dehnungsmessstreifen (DMS).

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Winkler hatte das Forschungsprojekt angeschoben, da die Sportlauffedern aus CKF-Faserverbundkunststoffen mit Epoxidharzmatrix neu ausgelegt wurden. Anhand der Ergebnisse will das Mindener Unternehmen Sensoren in die Federn integrieren, mit deren Daten Sportler vor Überlast und Schäden gewarnt werden können.

Kennwerte ermitteln

Bevor die Forscher ein Lebensdauermodell der Sportlauffedern entwickeln konnten, wurden in Zug- und Druckversuchen Materialkennwerte wie E- und Schubmodul sowie Querkontraktionszahl ermittelt. Diese Materialparameter sind dann in das Simulationsprogramm Altair Hyperworks eingeflossen. Zusätzlich haben die Forscher die ermittelten Kennwerte in Zug- und Dreipunkt-Biegeversuchen überprüft und die Ergebnisse erneut mit der Simulation verglichen. Anhand der validierten Materialkennwerte erfolgte eine erste Simulationsberechnung. Die Berechnungen wurden zunächst mit statischen Belastungsversuchen überprüft. Erst dann kamen die eigentlichen Belastungstests zur Entwicklung eines Lebensdauermodells hinzu.

Um die Lebensdauer der Sportlauffedern berechnen zu können, wird eine Bauteil-Wöhlerlinie benötigt. Zu deren Bestimmung haben die Forscher zyklische Belastungstests an mehreren Federn vorgenommen. Im Versuchsstand war dabei ein Hydropulser in Aktion, der die Lauffedern unidirektional im Maximalkraftbereich bis zum Versagen sowie im Dauerfestigkeitsbereich über 2 Mio. Zyklen belastete. Weitere Lauffedern wurden im Zeitfestigkeitsbereich zwischen 1.000 und 2 Mio. Zyklen geprüft, um die Bauteil-Wöhlerlinie besser bestimmen zu können.

In den Versuchen griffen die Forscher auf das berührungslos messende Pontos-System der Gesellschaft für Optische Messtechnik (GOM) zurück. Im Gegensatz zu konventionellen Methoden wie DMS erfasst der optische Sensor dreidimensionale Verschiebungen und Dehnungen der Lauffedern. Anhand der punktuellen Messdaten wird das Verhalten der Komponente im Raum sichtbar – so werden Dehnungen nicht nur in einer Gesamtrichtung erfasst, sondern jeder Punkt dreidimensional analysiert. Damit lässt sich das Bauteil möglichst realistisch berechnen.

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Messdaten validieren

Das Pontos-System ließ sich leicht in den Versuchsaufbau integrieren: Inspektionspunkte wurden über Messmarken identifiziert; die Bilder selbst können dank integrierter Beleuchtung und flexiblem Trigger auch unter schwierigen Umgebungsbedingungen aufgenommen werden. Darüber hinaus können synchron Kraft, Weg, Winkel, Temperatur etc. aufgenommen werden. Für Dauerbelastungstests bei Highspeed-Anwendungen sind Bildaufnahmefrequenzen bis 1,0 Mio. Hz möglich.

Um den Prüfstand und die optischen Messdaten zu validieren, wurde die Lauffeder in mehreren Patiententests untersucht. Dafür kamen DMS an kritischen Punkten, Drucksensoren in der Sohle und ein Kniewinkelsensor zum Einsatz. Zusätzlich griffen die Forscher auf das Hochgeschwindigkeitskamerasystem Pontos zurück, um die Bewegung des Kraftangriffspunktes und die Verformung der Lauffeder zu erfassen. So konnte der Lauf des Probanden genau abgebildet werden. Die Auswertungen haben gezeigt, dass aus den Werten der Sensoren auf die Laufbewegung und die auftretenden Kräfte geschlossen werden kann.

Fazit: Die Forscher haben die Sportlauffeder numerisch berechnet und experimentell an einem Versuchsstand und in Patiententests untersucht. Anhand der Ergebnisse wurde die Lebensdauer der Feder in einer Bauteil-Wöhlerlinie ermittelt. In den Versuchen wurde festgestellt, dass die Belastungen, die beim normalen Lauf auftreten, unterhalb der Dauerfestigkeit der Sportlauffeder liegen. Daher besteht keine Gefahr für ein plötzliches Versagen, solange die Auslegung der Lauffeder beibehalten und gleichbleibende Qualität der Prothesen gewährleistet werden kann. Dennoch kann es bei längerer Nutzung der Lauffeder zu Steifigkeitsabnahmen oder zu Missbrauchsfällen mit Überlast, zum Beispiel durch Sprünge, kommen. Daher sollen die Lauffedern durch integrierte Sensoren überwacht werden, um eine regelmäßige Überprüfung der Daten durch einen Orthopädietechniker gewährleisten zu können.

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