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Lehrstuhl
Metallische Werkstoffe
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Kniegelenksprothese Smith  Nephew Legion TKS

Kniegelenksprothese Smith & Nephew Legion TKS

Wärmebehandlungsofen mit einstellbarem Sauerstoffpartialdruck

Wärmebehandlungsofen mit einstellbarem Sauerstoffpartialdruck

Künstliche Gelenke

Ansprechpartner

M. Sc. Mike Mosbacher

Oxidierte Zirkonium-Niob-Legierungen werden aufgrund der besonders korrosions- und abrasionsbeständigen Zirkonoxidschicht für Gelenkprothesen und Getriebekomponenten verwendet. Zirkonium ist zusammen mit Hafnium und Titan das einzige Metall mit einer ausgeprägten Sauerstofflöslichkeit im Metallgitter. Mit Hilfe einer Festkörperreduktion, in der die Zirkonoxidschicht aufgelöst wird und der Sauerstoff in das Gefüge diffundiert, lässt sie die Oxidschichtanbindung erheblich verbessern. Dies qualifiziert den Werkstoff besonders für tribologische Anwendungen in schroffen Umgebungsbedingungen.

Das genaue Verständnis der Sauerstoffdiffusion ist maßgeblich für eine weitere Optimierung dieses Legierungssystems. Daher werden im Rahmen der Arbeitsgruppe Oxidations- und Reduktionsversuche zur Bestimmung der jeweiligen Diffusionskoeffizienten (O2 in ZrO2 und O2 in Zr) durchgeführt. Ein eigens konstruierter Wärmebehandlungsofen mit einstellbarem Sauerstoffpartialdruck ermöglicht die gleichzeitige Oxidation und Lösung des Sauerstoffs im Metallgitter, wodurch der Reduktionsschritt wegfallen kann.

Ab Januar 2018 soll im Rahmen dieser Arbeitsgruppe das Reib- und Verschleißverhalten künstlicher Kniegelenke untersucht werden und ein Kniegelenksprüfstand aufgebaut werden. In künstlichen Gelenken laufen Tibiainlays aus UHMWPE gegen einen metallischen Reibpartner. Dabei entsteht, wie in jedem reibungsbehafteten System, Wärme. Während das Metall sich bei der Belastung elastisch verhält, mit vernachlässigbarem Einfluss der Geschwindigkeit und der Temperatur, ist UHMWPE ein teilkristalliner Thermoplast und zeigt als solcher ein viskoelastisch-plastisches Verformungsverhalten mit Hysterese. Das bedeutet, dass das dynamische Materialverhalten stark von der Temperatur, der Belastungsgeschwindigkeit und der Amplitude abhängt. Bei Belastung kommt es zu innerer Reibung zwischen den Molekülketten und damit ebenfalls zu Wärmeentwicklung. Forschungsthemen sind daher die tatsächlich entstehende Wärmeentwicklung im ultrahochmolekularen Polyethyleninlay (UHMWPE) während der zyklischen Belastung beim Gehen zu ermitteln. Ebenso soll der Einfluss der Temperaturerhöhung auf das Werkstoffverhalten der Tribopaarung untersucht werden.

 

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