Biome­cha­nik, Opera­ti­ons­pla­nung: Vorle­sungs­un­ter­lagen

Verbundwerkstoffe

• Faserverstärkte-Verbundwerkstoffe

  • Glasfaser

  • Kohlenstofffasern (C-f)

  • Silicium-Carbid

• Keramik

  • Al₂ O₃

  • Z_r2O - YTP

• Spannungsverteilung

• Kunststoffe

  • Schnittstelle Rapid-Prototyping betrachten.

    • Entwicklung Kniegelenk o.Ä.

  • Technische Biomechanik

    • Mechanische Betrachtung

      • Kräfte

      • Schwerpunkt

      • Beschleunigungen

      • Impuls und Bewegung

      • Kreisförmige Bewegung

      • Trägheitsmomente

    • Messgrößen

      • Ortsveränderung des Körpers -> Zeit, Weg, Beschleunigung, Winkelgeschwindigkeiten

      • Messen und berechnen von Kräften -> äußere Kräfte II innere Kräfte

    • Methoden

      • Z.B. optische Verfahren -> kinematische Parameter -> „Kinemathographie“ (Bewegungsanalyse)

      • Kraftmessung -> Dynamometrie -> DMS

      • Elektromyographie -> Muskel-Aktions-Potential

      • Simulation -> Modellmethode (mathematische Verfahren) -> CAD + FEM ->

  
  

  Kräfte

  • Schwerkraft [F = m*a]

    • Gestaltung von Oberflächen

    • Quantifizierte Betrachtung

    • Verschleißmechanismen

    
    

    • < -- > Normalkraft

  • Reibungskraft []

    • Haft-/ Gleitreibung

  • Luftwiderstand [F = A * v2 * k]

  • Muskelkräfte

    • Aktive Kraft

  • Kräfte in Bändern und Sehnen

    • Passive Kräfte

  • Schwerpunkt

    • Def

      • Die Reibungskraft zwischen Kniescheibe und Oberschenkel nimmt bei angewinkeltem Bein stark zu.

  
  

  Verformung und Bruch

  • Elastische Verformung []

    
    

  • Makroskopische Betrachtung

    • Kontinuumsmechanik

    • Isotroper Werkstoff

  • Mikroskopische Betrachtung

    • Atomistische Betrachtung

  
  

  Einachsiger Spannungszustand

  
  

  • Verformung []

  • Querkonstruktion []

  • Querzahl [

  • Schubmodul [] []

  • Spannung [] []

  
  

  Abbildung 1

  
  

  Werkstoffkennwerte

  • E-Moduli

    • E-Modul

    • .

  • Festigkeitskennwerte

    • Zugfestigkeit

    • Streckgrenze

    • Dehnung

  • [Gleichungen]

    • • Methoden zur Steigerung der Streckgrenze

        • Werkstoffauswahl

        • Werkstoffbearbeitung

      • Methoden zur Steigerung des Sicherheitsbereiches

        • Siehe „Steigerung der Streckgrenze“

        • Konstruktion

          • Z.B. Formgebung/ Fläche

      
      

      Geometrieunstetigkeiten -> Risse, Kerben

      
      

      • Konstruktive Unstetigkeiten (Vgl. Abbildung 1)

      • Werkstoffbedingte Unstetigkeiten (Vgl. Abbildung 2)

      1. Materialbedingt

      2. Bearbeitungsbedingt

      • Beschädigung (Vgl. Abbildung 3)

      
      

      Abbildung 3

      Abbildung 2

      Kerbbedingung Spannungsüberhöhung

      • • Idealisierter

      
      

      Innerhalb eines Werkstückes, gibt diese

      Ellipse die Rissform.

      
      

      • -> Formzahl

      • Fallunterscheidung

        Wie sieht das mit den Kerben bei Gewinden aus? Zug-/ Druckbelastung.

        1. Elliptische Innenkerbe

        2. Ausgedehntes Bauteil

        Bisher:

        • Isotope Werkstoffe

        • Fehlerfrei

        
        

        • „Fehlertolerant“

        
        

        Anwendung der Bruchmechanik

        • Setzt „Fehler“ voraus .

        • Spannungsintensitätsfaktor

        • -> Elliptischer Innenriss

        • . Linearelastisches Verhalten .

          • Glas, Keramik, Hochfeste Stähle

          • Metalle mit geringer Festigkeit und großer plastischer Verformung -> nicht anwendbar!

        
        

        Lebensdauerorientierte Betrachtung

        1. Dynamische Belastung

        2. Ergebnis

           1. Dauerschwingfestigkeit

           2. Wöhlerdiagramm

        
        

        Die 4 Phasen in dem Wöhlerdiagramm

        1. Rissfreie Phase

        2. Schadenseinleitung

        3. Schadensfortschritt

        4. Bruch

        
        

        • Metalle

          • Eigenschaften -> Verfestigung oder Entfestigung

        Verfestigung: -> verspröden

        
        

        Entfestigung: -> Duktilität

        
        

        • Mikrostruktur!!

        
        

        • Nachweismethode

          • Zyklische Untersuchungen

        
        

        • Skoliose, Verdrehung der Wirbelsäule

          • Harringtonfaktor HF (Maß für die Schwere der Skoliose)

          • Verschiedene Hersteller entwickeln „Stäbe“ um die Wirbelsäule gerade zu richten.

        
        

        • Modellerzeugung und analytische Ermittlung der Spannungsverhältnisse

Berechnung mittels der Methode der Finiten Elemente, Voraussetzung: Genaue Kenntnis der Krafteinleitungsbedingungen, Voraussetzung: Kenntnis des Berechnungsverfahrens Aufwand: Hoher Rechenaufwand gerechtfertigt?

Experimentelle Spannungsanalyse Voraussetzung: Kenntnis der DMS-Technik

• Werkstoffgesetze zur qualitativen Berechnung im biologischen System mit Bezug auf biologisches Gewebe

  1. Grundsätzliches

     1. Stetigkeit . Fertigkeiten . -> Implantate, Gewebe, Organe, .

     2. Spannungsverteilung/ Dehnungen -> “

     3. Modellbildung

        • Geometrie definieren

        • Materialgesetze und –Parameter festlegen

          1. z.B. Technologische Kennwerte [Rp, Rm]

          2. Werkstoffkennwert [E]

          3. Hook’sches Gesetz [Linearelastisches Verhalten:])

        • Beanspruchungsprofil

        • Interaktion in biologischen Systemen

     4. Prüfsituation

        • Biegung

          1. Organeigenschaften ( .)

          2. Materialeigenschaften (Biege-/ Brucheigenschaften)

          3. Bauteileigenschaften ()

  
  

  2. Linearelastisches, isotropes Werkstoffverhalten

  4. Komplexe materielle Gesetze

     1. Anisotrophie (Richtungsabhängigkeit)

     2. Nichtlineares Spannungs-/ Dehnungsverhalten

     3. Hyperelastizität bei großer Dehnung

     4. Plastizität (Fließen, Ver- und Entformung)

     5. Viskoelastisches Verhalten (Zeitabhängige Mechanik)

     6. Ermüdung

     7. Heilung und Erholung

     8. Funktionelle Anpassung (Remodellierung)

  Anisotropes Materialverhalten

  • IsotropieAnisotropie

  • Einkristall

  • Verbundwerkstoffe

    • Faserverstärkte VW

  
  

  • Einfluss der Probengröße

    • Ãœbertragbarkeit der Messwerte von „kleinen“ Proben auf Bauteile!

      • Bauteilprüfung

  • Schadensablauf -> Metalle, Keramiken, gering bei Kunststoffen

    • 1 . 4

    • Heilung (Physiologischer Vorgang) -> Biologische Werkstoffe, z.B. Sehnen

      • Biologisches System

    
    

    Plastische Verformung

    • . irreversible Vorgänge .

    
    

    ]

    n = Verfestigung –exp.

    n ~ 0,2 – 0,3

Einschränkungen

• Matrix (M), Faser (F) -> Biokompatibilität

  • Röntgentransparenz? (Artefakte?)

  • Allergierisiko?

• Langzeitstabilität?

Zielsetzung:

• Funktionalität der Struktur des Empfängers => Anisotropie

  • „Strukturkompatibilität“

  • „Oberflächenkompatibilität“

Systematik

• 4 unterschiedliche Gruppen

  • Faserverbund

  • Teilchenverbund

  • Durchdringungsverbund

  • Schichtverbund

Haftung -> Grenzflächenreaktionen -> Haftungsmechanismen

Funktion von Faserverbundwerkstoffen

• durch Mindestanforderungen an die Dehnung können Werkstoffe ausgeschlossen werden

• Der Treppenförmige Abgang symbolisiert das Dehnungsverhalten nach einer Ãœberlastung. Ab einem gewissen Punkt kommt es zum totalen Defekt

Anordnungsformen

• Unidirektionale Gelege

• Biaxiales Gewebe

• Gestrick

• Multiaxiales, mehrlagig gewirktes Gelege

• 3D Geflecht

• 3D mit orthogonaler Anbindung

• Anordnung der Fasern

  • Parallelschaltung

  • Serienschaltung

• Menschliches Auge = Bildverarbeitungssystem [Bildver-/Bildbearbeitung  schwer zu unterscheiden]

  • Physikalische Interaktionen führen zu einem Bild (Reflexion, Streuung, Brechung)

• Infos aus Bildern: Farben, Helligkeit, räumliche Tiefe, Größe und Sehwinkel, Bewegungen, Mustererkennung

• Bildverarbeitung: Industrielle Bildverarbeitung, Bildverarbeitung in der Medizin

• Röntgenbilder  Summationsbilder

• Digitale bildgebende Verfahren in der Medizin:

Produktion und Fertigung

• Rohmaterialien = hauptsächlich Informationen

Verfahren für Prototypenfertigung:

• Spanende Verfahren:

  • Fräsen, Drehen, High Speed Cutting, Erodieren, Fügen, Schneiden

• Generative Verfahren (Volumenadditiv):

  • Stereolithographie, FDM, LOM, Lasersintern, 3D-Druck

  • Eigenschaften:

    • Dateiformate, Energiequelle, Komplexität der Teile, Verzugsempfindlichkeit, Oberflächengüte

  • bearbeitbare Werkstoffe

    • Kunststoffe, Papier, Metalle, Sand, Keramik, .

    • nicht jedes verfahren kann jeden Werkstoff verarbeiten

Rohmaterial

• Fertigungsstrategie nach Fertigungshauptgruppen, sechs Hauptgruppen bekannt

  • Urformen, Umformen, Trennen, Fügen, Beschichten, Stoffeigenschaft ändern

• CIM

Verbesserter Informationsfluss zwischen Unternehmen

Ziel:

• Durchlaufzeiten verkürzen, Flexibilität erhöhen (Reaktionsfähigkeit auf innere und äußere Einflüsse)

Integration aller informationsverarbeitenden Systeme

Verschiedene Ansätze zur Integration von CIM

• Y-Modell nach Scheer

• Hierarchische Integration

• Unternehmenspyramide

• CIM-OSA-Modell

Idee  Planung  Konzeption  Entwicklung (Entwurf/Design, Konstruktion, Berechnung, Erprobung)

• „Klassische Produktentwicklung“ nach VDI

• Produktentwicklung

  • 1. Produktentwicklung (klassisch)
    2. Veränderte Randbedingungen für die Produktentwicklung
    aktuelle Forderungen: Kundenwunsch und Verhalten geben die Anforderungen an ein Produkt vor  individualisierte Medizin

.schnell .sicher .preiswert .fertigen

Individualisierte Medizin:

• Personalisiert/einzelne Person im Vordergrund

• Konsequenzen für die Medizintechnik:

  • Entwicklung von Medizinprodukten (Konstruktion (CAD  CIM),…,…)

  • Fertigung von Medizinprodukten (Generative Fertigungsverfahren etc.)

Folgerungen

• Schnell ändernde Kundenwünsche, sinkende Produktlebenszeit, Individualisierung der Produkte, wachsende Bedeutung des Designs

Konsequenzen für Produktentwicklung:

• Neue Verfahren und Methoden (Schneller, rationeller)

  • Lean-Management

  • Lean-Produktion

  • Just-in-Time
    70/80er Jahre und so gut wie keine Konsequenzen für Produktentwicklung

  • Schnellere Berücksichtigung individueller Kundenwünsche