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Deutscher Kongress für Orthopädie und Unfallchirurgie (DKOU 2012)

23.10. - 26.10.2012, Berlin

Erhöhung der Dauerfestigkeit von Titanimplantaten durch Oberflächenbehandlungen

Meeting Abstract

  • presenting/speaker Robert Sonntag - Stiftung Orthopädische Universitätsklinik Heidelberg, Labor für Biomechanik und Implantatforschung, Heidelberg, Germany
  • Jörn Reinders - Stiftung Orthopädische Universitätsklinik Heidelberg, Labor für Biomechanik und Implantatforschung, Heidelberg, Germany
  • Jan Nadorf - Stiftung Orthopädische Universitätsklinik Heidelberg, Labor für Biomechanik und Implantatforschung, Heidelberg, Germany
  • Jens Gibmeier - Karlsruher Institut für Technologie, Institut für Angewandte Materialien, Karlsruhe, Germany
  • Rudi G. Bitsch - Stiftung Orthopädische Universitätsklinik Heidelberg, Orthopädie und Unfallchirurgie, Heidelberg, Germany
  • Jan P. Kretzer - Stiftung Orthopädische Universitätsklinik Heidelberg, Labor für Biomechanik und Implantatforschung, Heidelberg, Germany

Deutscher Kongress für Orthopädie und Unfallchirurgie (DKOU 2012). Berlin, 23.-26.10.2012. Düsseldorf: German Medical Science GMS Publishing House; 2012. DocGR13-754

DOI: 10.3205/12dkou435, URN: urn:nbn:de:0183-12dkou4357

Veröffentlicht: 2. Oktober 2012

© 2012 Sonntag et al.
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Gliederung

Text

Fragestellung: Implantatversagen lasttragender Komponenten zementfreier Endoprothesen führten in der Vergangenheit immer wieder zu Rückrufaktionen verschiedener Implantatsysteme. Ursächlich für ein frühzeitiges Versagen sind die hohen zyklischen Belastungen, die besonders in kritischen Implantatbereichen zum Tragen kommen. Der Trend hin zur minimal-invasiven Versorgung sowie dem modularen Aufbau hat aktuell bei modernen Primär- als auch Revisions-Implantatsystemen entscheidenden Einfluss auf deren Design. Vor diesem Hintergrund stellen Oberflächenbehandlungen, wie sie im Maschinenbau und der Luft- und Raumfahrt standardmäßig angewandt werden (z.B. für Turbinenschaufeln), eine Möglichkeit dar, um die Dauerfestigkeit zyklisch hochbelasteter Bauteile zu erhöhen. Vereinzelt werden bereits auch kritische Bereiche von Hüftrevisionsimplantaten (z.B. Konusverbindungen) einer abschließenden Kugelstrahlbehandlung unterzogen. Daher wurde im Zuge dieser Arbeit das Potential weiterer Verfahren – dem Festwalzen, dem Laser Peening und dem Ultraschall-Kugelstrahlen – mit kugelgestrahlten sowie unbehandelten Proben verglichen.

Methodik: Standardisierte rotationssymmetrische Proben für Dauerfestigkeitsversuche aus Ti6Al4V wurden gefertigt und spannungsarmgeglüht. Jeweils 5 Proben wurden entsprechend den Erfahrungen führender Hersteller den folgenden Behandlungen unterzogen: Kugelstrahlen (KS), Festwalzen (FW), Laser Peening (LP) und Ultraschall-Kugelstrahlen (US). Dabei wurden zur Referenz die Parameter der KS-Behandlung identisch zu denen bei Hüftrevisionsimplantaten gewählt. Die Oberflächenrauigkeiten wurden gemessen und das Eigenspannungstiefenprofil röntgenographisch analysiert. Anschließend wurden einachsige, zyklische Dauerschwingversuche mit einem Belastungsverhältnis von R=0,1 für 10 Millionen Zyklen bei einer Frequenz von 10Hz querkraftfrei realisiert. Die Proben wurden bis zum Erreichen der Lastspielzahl bzw. bis zum Bruch belastet und die Ergebnisse anschließen in Form von Wöhler-Diagrammen ausgewertet. Die Bruchflächen wurden anhand von REM-Aufnahmen optisch bewertet.

Ergebnisse und Schlussfolgerungen: Alle Oberflächenverdichtungsverfahren zeigten eine deutliche Erhöhung der Dauerfestigkeit im Vergleich zu unbehandelten Proben von mindestens 10,1%. Dabei konnte beim LP die höchste Festigkeitssteigerung (17,2%) erreicht werden (KS:12,3%; FW:13,3%; US:10,1%). Es wird angenommen, dass die Festigkeit mit steigenden Eigenspannungen erhöht werden kann, bis zu dem Punkt, dass durch die internen Spannungen die Festigkeit des Materials überschritten wird. Bis auf das Festwalzen resultierten alle Verfahren in einer Steigerung der Rauigkeiten. Ein direkter Zusammenhang zur erzielten Dauerfestigkeit ist jedoch nicht erkennbar. In allen Fällen weisen die Bruchflächen typische Anzeichen eines Ermüdungsbruches auf.

Oberflächenverdichtungsverfahren werden als ein geeignetes Mittel angesehen, um kritische Bereiche von Ti6Al4V-Komponenten eine erhöhte Festigkeit gegen zyklische Beanspruchung zu geben.