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Werkstoffprüfung – flexibler mit zwei Achsen

Materialprüfungen
Flexibler mit zwei Achsen

Die Integration einer Torsionsfähigkeit in ein axialdynamisches Prüfsystem bietet Vorteile bei der Prüfung und Modellvalidierung biomedizinischer Teile während des gesamten Konstruktionszyklus. Die Bedingungen, denen etwa Knochenschrauben später ausgesetzt sind, lassen sich so besser nachbilden.

Die mechanische Charakterisierung medizinischer Knochenschrauben wird typischerweise gemäß ASTM F543 – 17 durchgeführt wird. Die Norm beschreibt die Verfahren von vier separaten Tests zur vergleichenden Bewertung der Torsions- und Zugeigenschaften von medizinischen Knochenschrauben, die zur Charakterisierung ihrer Haltbarkeit während und nach dem Einbringen dienen.

Das erste Prüfverfahren dient zur Ermittlung der Torsionsstreckgrenze und des Bruchdrehmoments von Schrauben, während das zweite zur Ermittlung der maximalen Eindreh- und Ausdrehmomente verwendet wird. Dies ist entscheidend für das Verständnis der sicheren Betriebsbedingungen während der Operation ohne Risiko für das Bauteil, die Werkzeuge oder den Patienten.

Das dritte Verfahren bestimmt die axiale Auszugskraft und hilft dabei, die Trag- oder Klemmkapazität für die Platte zu modellieren, die damit befestigt werden soll. Test 4 in der Norm wird speziell für eine Untergruppe von selbstschneidenden Schrauben verwendet, um eine „Selbstschneidekraft“ zu ermitteln – die Kraft, die erforderlich ist, um das anfängliche „Einbeißen“ der Schraube in ein Knochenersatzmaterial zu erreichen.

Insgesamt erfordert diese Gruppe von Tests verschiedene Arten der präzisen und komplexen Regelung und Messung der axialen und torsionalen Belastung. Am Beispiel der „selbstschneidenden Kraft“ bedeutet dies das Aufbringen und Messen einer variablen axialen Belastung sowie einer Rotation und eines Drehmoments. Das heißt, die Kraft, mit der die Schraube in das Knochenersatzmaterial gepresst wird, wird erhöht, während sie gleichzeitig gedreht wird, bis die Selbstschneidekraft erreicht ist. Aus der Betrachtung der Testdaten von drei Sensoren können Tests als erfolgreich oder als Misserfolg gewertet werden, wobei eine Zeitersparnis möglich ist, wenn die Testdaten live betrachtet werden können. Ein „Selbstschneiden“ liegt dann vor, wenn auf einen schnellen Abfall der Axiallast direkt ein Anstieg des Drehmomentwertes folgt, verbunden mit einem stetigen Anstieg der axialen Verschiebung.

Bei anspruchsvollen Normen wie der ASTM F543 würde eine einaxiale Ausführung den Einsatz von mehr als einem Prüfgerät erfordern. Mit einem vollständig regelbaren kombinierten Axial-Torsions-System kann der Benutzer jedoch nahtlos von Prüfung 1 bis 4 übergehen, wobei nur eine geringfügige Anpassung der Spannvorrichtung erforderlich ist.

Viele Normen schreiben Prüfungen in zwei Achsen vor

Die Vielfalt der Normen und Anwendungen, die eine Prüfung in zwei Achsen zur Validierung erfordern, geht über Knochenschrauben aber weit hinaus. So gibt es zum Beispiel die ASTM F1717 für Wirbelsäulenkäfige, die im Körper sowohl Scherkräften als auch Zug- und Druckbelastungen ausgesetzt sind, oder auch die ISO 11608 und ISO 11040 für die Prüfung von Dosierwahlschaltern an Injektionspens und Autoinjektoren, bei denen die kombinierte biaxiale Regelung durch eine intelligente Steuerung der Aktuatorbewegung, die eine Feder im Betrieb genau nachahmt, weitergeführt wird. Darüber hinaus gibt es weitere Anforderungen für die Industrie wie etwa die ASTM D7860–1 für kindersichere und nicht-kindersichere Verpackungen wie Tablettenbehälter.

Über die bloße Einhaltung von Prüfstandards hinaus können Unternehmen, die ihre interne Produktverifizierung so nah wie möglich an die Lebensdauer heranführen, die Zeit bis zur Produktfreigabe drastisch verkürzen. Einige FDA-Richtlinien zur Produktentwicklung betonen ausdrücklich die Notwendigkeit und den Nutzen eines hierarchischen Ansatzes beim Testen, Modellieren und Validieren, angefangen bei den Materialien über die Strukturelemente, bevor das gesamte Bauteil betrachtet wird. Daher haben sich viele Tests vom einfachen „Auf und Ab“ oder „Drehen nach links und rechts“ weiterentwickelt.

Prüfsysteme arbeiten
ohne Hydraulik

Die Integration einer Torsionsfähigkeit in ein axialdynamisches Prüfsystem, wie bei der Electropuls-Baureihe von Instron umgesetzt, bietet die Möglichkeit, die Bedingungen, denen biomedizinische Geräte im Betrieb ausgesetzt sind, besser nachzubilden. Je vielseitiger ein einzelnes Prüfsystem ist, desto besser und größer ist der Nutzen für biomedizinische Labore. Dies gilt insbesondere für elektrodynamische Systeme, die einfach über eine Steckdose angeschlossen werden und keine Hydrauliköl-Versorgung benötigen. Hydrauliköl kann viele Polymere und Beschichtungen im Labor oder auf den Prüfkörpern selbst beschädigen und ist außerdem schädlich oder giftig für Gewebe und Zellkulturen.

Mit ihrem leisen, ölfreien Betrieb und ihrem geringen Platzbedarf sind die Systeme laborfreundlicher als ihre servohydraulischen Pendants. Integrierte elektrodynamische Systeme haben außerdem einen viel geringeren Energiebedarf als hydraulische Pumpen, was zu geringeren Betriebskosten und einer reduzierten CO2-Bilanz führt. Die Möglichkeit, alle Prüfungen mit einem einzigen System durchzuführen, spart daher Zeit, Platz und Geld.

Die Prüfgeräte der Electropuls-Baureihe verfügen über eine sehr hohe dynamische Leistungsfähigkeit, die mit hohen Datenerfassungsraten, adaptiven Funktionen innerhalb der Controller-Firmware und der Möglichkeit, zusätzliche Sensoren für die Aktuatorsteuerung zu verwenden, die optimale Versuchssteuerung ermöglicht. Die Rechenleistung ermöglicht außerdem, dass kundenspezifische Berechnungen für jeden Zyklus „live“ ausgeführt werden können. Dies hat Vorteile bei der Reduzierung der Notwendigkeit von Nach-Test-Arbeit, unterstützt aber auch ausgeklügelte Regelalgorithmen und nicht standardisierte Wellenformen, was bedeutet, dass die Testergebnisse viel mehr Erkenntnisse bieten können als nur grundlegende mechanische Eigenschaften.

Einige Hersteller von Wearables beispielsweise haben sich dafür entschieden, Tests auf der Basis von Energieabsorptions-Feedback zu steuern. In ähnlicher Weise können spezielle Schuhe und Prothesen buchstäblich auf Herz und Nieren geprüft werden, basierend auf Aufzeichnungen der täglichen Bewegungen des Benutzers, die als Wellenformdaten verwendet werden.

Instron GmbH
Landwehrstraße 65
64293 Darmstadt
www.instron.de


Bild: Instron

Toby Lane
Biomedizinischer
Anwendungsingenieur
Instron
www.instron.de


Webhinweis

Wie sich mit Electropuls-System E3000 Tests an metallischen Knochenschrauben nach ASTM F543 durchführen lassen, erklärt Instron in diesem Video:

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