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Friday, September 17, 2021, Saal Essen 9:30 AM Moderne Löttechnik |
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Strukturbasierte Bewertung des Ermüdungsverhaltens zylindrischer vakuumgelöteter TiAl2O3 Verbindungen für neuartige Endoprothesen |
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Johannes Otto* / Dortmund University of Technology, Germany Milena Penyaz / Fachbereich Materialwissenschaft, NRNU MEPhI, Russland Ivan Fedotov/ Fachbereich Materialwissenschaft, NRNU MEPhI, Russland Boris Kalin/ Fachbereich Materialwissenschaft, NRNU MEPhI, Russland Frank Walther/ Fachgebiet Werkstoffprüftechnik, TU Dortmund, Deutschland |
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Aufgrund ihrer hohen Biokompatibilität verbunden mit exzellenten tribologischen Eigenschaften können reine Keramik-Gleitpaarungen die Verschleißpartikel in Implantaten im Vergleich zu den standardmäßig genutzten Metall-Polyethylen-Gleitpaarungen deutlich reduzieren. Dadurch kann das Risiko für partikelinduzierte aseptische Osteolyse gesenkt und die Lebensdauer der Implantate deutlich verbessert werden, was insb. für jüngere Patienten wichtige Faktoren sind. Jedoch besteht gerade bei körperlich aktiven Patienten das Risiko von spröden Splitterbrüchen am Prothesenkopf im Kontaktbereich zum Prothesenschaft durch die niedrige Bruchzähigkeit von Keramiken. Anhand von FEM-Simulationen konnte gezeigt werden, dass Titaneinsätze innerhalb des keramischen Prothesenkopfes die auftretenden Spannungsspitzen an den kritischen Stellen deutlich reduzieren können. Da auch Titan eine hohe Biokompatibilität bei niedrigem Gewicht aufweist, eignet es sich ebenfalls für Implantate. Die einzige Möglichkeit zur Herstellung dauerhafter Titan-Keramik-Verbindungen ist in diesem Fall jedoch das Hochtemperatur-Vakuumlöten mittels eines Titanbasis Lotwerkstoffes (Ti40Zr25Co Gew.-%). Es wurden Titanzylinder in Keramikzylinder gelötet, Prozessparameter wie Temperatur und Oberflächenbehandlung variiert und Analysen auf Poren und Anbindungsfehler mittels Computertomographie durchgeführt. Zusätzlich konnte die Diffusionstiefe des Lotwerkstoffes aufgrund von Dichteunterschieden zum reinen Titan bestimmt werden. Aufgrund der zyklischen Druck-Belastung bei jedem Schritt ist die Charakterisierung des Ermüdungsverhaltens elementar für die Anwendung und weitere Entwicklungen. Zur Prüfung wurde die Keramik fest fixiert und der zylindrische Titaneinsatz in instrumentierten Versuchen zyklisch auf Druck belastet. Dehnungen konnten mithilfe eines Extensometers gemessen werden sowie weitere Messtechniken für diese spezielle Anwendung erprobt werden. Trotz einiger Anbindungs- und Porendefekte, welche durch Prozessparameteränderungen behoben werden müssen, konnten bereits Spannungen bis über 60 MPa im Schwingversuch erzielt werden. |