Vergleichende FE-Analyse alternativer Verankerungsstrategien von künstlichen Hüftpfannen in der Revisionsendoprothetik an einem Modell des menschlichen Beckenknochens unter Berücksichtigung von Knochendefekten

 

Comparative Finite Element Analysis of Different
Fixation Components in Revision Surgery of Total Hip Arthroplasty
Introducing the Modelling of Variable
Acetabular Bone Defects

 

Martin Weidling

05.11.2010

 

Inhaltsverzeichnis

1.   Zusammenfassung

2.   Einführung

3.   Methodik

4.   Ergebnisse

5.   Fazit

6.   Ausblick

7.   Quellen

8.   Originalarbeit

9.   Über den Autor

10. Impressum

 

Zusammenfassung

Künstliche Hüftgelenke verweilen 10 bis 15 Jahre im menschlichen Becken, bevor sie ausgetauscht werden müssen. Im Jahre 2007 wurden in Deutschland etwa 21.000 Hüftrevisionen durchgeführt, ihre Anzahl steigt. Bei Wechseloperationen liegen häufig massive Schäden am Acetabulum vor, die eine Verankerung des Revisionsimplantates deutlich erschweren. Zur Verankerung kann eine unterschiedliche Anzahl von Schrauben oder Zapfen verschiedener Länge verwendet werden. Es existieren jedoch keine orthopädischen Richtlinien die Verankerungsstrategien für bestimmte Defektsituationen empfehlen. Ziel dieser Arbeit ist es an ausgewählten Knochendefekten übliche Verankerungsstrategien zu vergleichen und eine optimale zu bestimmen. Dazu werden FE-Modelle entwickelt und die Mikrobewegungen im Knochen-Implantat-Interface sowie die Vergleichsspannungen in den Verankerungselementen bewertet.

Die Beckengeometrie wird mit MIMICS, Materialise NV, Leuven, Belgien aus µCT-Daten gewonnen. In diese werden Defekte eingebracht. Implantate des Herstellers ESKA Implants, Lübeck werden in CATIA V5, Dassault Systems, Vélizy-Villacoublay, Frankreich nachmodelliert. Die Vernetzung erfolgt in ICEM, ANSYS Inc, Canonsburg, PA, USA. Materialeigenschaften des Beckens werden aus den µCT-Daten über BoneMat bestimmt. Die Gewinnung von Muskel- und Gelenkkräften erfolgt mit AnyBody, AnyBody Technology A/S, Aalborg, Dänemark. Berechnungen werden mit ANSYS, ANSYS Inc, Canonsburg, PA, USA durchgeführt.

Typische Knochendefekte einer orthopädischen Klassifikation wurden mit Hilfe eines hier beschriebenen acetabulären Defektkoordinatensystems reproduzierbar modelliert. Mittels nummerischer Untersuchungen wurden die Simulationsparameter optimiert, um ein genaues und schnelles FE-Modell zu generieren. Zur Beurteilung der Verankerungsstabilität wurden die qualitative und quantitative Verteilung der Mikrobewegungen im Knochen-Implantat-Interface ausgewertet. Auch die maximalen und mittleren Mikrobewegungen wurden bestimmt. Des Weiteren ist die Spannungsverteilung in den Verankerungselementen angegeben.

Über alle Defekte hinweg erweist sich der kurze Darmbeinzapfen als am geeignetsten um eine hohe Pfannenstabilität zu erreichen. Dies wird in der Literatur aus in-vitro Untersuchungen ohne Defekt bestätigt. Bei einigen Defekten scheint jedoch die Verwendung von zwei kleinen Schrauben sinnvoller zu sein, da diese dem Zapfen an Stabilität nicht nachstehen und einfacher zu installieren sind. In zukünftigen Arbeiten sollte die FE-Modellierung mit Einbeziehen der Kortikalis, der Schraubenvorspannung sowie dem Pfannen-Press-Fit weiterentwickelt, sowie die Mikrobewegungen im Interface über Experimente validiert werden.

 


 

Artificial hip joints can remain in the human pelvis for 10 to 15 years before replacement is necessary. In 2007, approximately 21,000 hip revisions were carried out in Germany, with the number increasing. In revision surgeries, substantial damage to the acetabulum often occurs. Such damage significantly increases the difficulty to anchor the revision implant. For anchoring, a different number of screws or pegs of various lengths may be used. However, there are no orthopaedic guidelines which recommend anchoring strategies for specific defect situations. The aim of this work is to compare common anchoring strategies for selected bone defects, and to determine an optimum strategy. To this effect, FE models are developed and an evaluation of micromotions in the bone-implant interface and equivalent stresses in the anchoring elements is carried out.

The pelvis geometry is obtained with MIMICS, Materialise NV, Leuven, Belgium using µCT data. Defects are designed into the model. Implants from the manufacturer ESKA Implants, Lübeck are reconstructed in CATIA V5, Dassault Systems, Velizy-Villacoublay, France. The meshing is done in ICEM, ANSYS Inc., Canonsburg, PA, USA. Material properties of the pelvis are determined from µCT data using BoneMat. The determination of muscle and joint forces is carried out with AnyBody, AnyBody Technology A/S, Aalborg, Denmark. Calculations are performed with ANSYS, ANSYS Inc., Canonsburg, PA, USA.

Typical bone defects of an orthopaedic classification were modelled using a reproducible acetabular defect coordinate system, which is described in this work. Numerical investigations were used to optimize simulation parameters in an attempt to generate an accurate and fast FE model. To assess the anchoring stability, the qualitative and quantitative distribution of micromotions in the bone-implant interface was evaluated. The maximum and mean micromotions were also determined. Furthermore, the stress distribution in the anchoring elements is provided.

Across all defects the short iliac peg proves to be the most suitable in reaching a strong primary stability. This is confirmed in the literature on in vitro studies without defects. However, with some defects the use of two small screws appears to be more appropriate, as these also offer peg stability but are easier to install. In future work, FE modelling should be further developed through the inclusion of the cortical shell, the bolt preload, and the cup press-fit. Aim of further studies should be the validation of micromotions in the interface through experiments.

 

Einführung

Die Befreiung von Schmerzen und die Wiederherstellung eines stabilen und gut funktionierenden Hüftgelenks sind die angestrebten Ziele der totalen Hüftendoprothetik [Wid03]. In Deutschland wurde Anfang der sechziger Jahre begonnen, Hüftgelenke künstlich zu ersetzten. Anfangs war dieser Eingriff eine Aufgabe des Chefarztes - heute hat er sich zu einer Routineoperation entwickelt. Im Jahre 2007 wurden in Deutschland insgesamt 174.000 totale Hüftendoprothesen implantiert [BQS08]. Die direkt nach der OP erreichte Verankerung der Pfanne im Knochen wird als Primärstabilität bezeichnet. Diese sollte möglichst hoch sein, da dem Patienten bereits wenige Tage nach der OP alltägliche Bewegungen zugemutet werden. Des Weiteren hat die Primärstabilität einen maßgebenden Einfluss auf den Langzeiterfolg von zementfreien Hüftgelenksimplantaten. Die in den ersten Wochen nach der Operation auftretenden Mikrobewegungen im Knochen-Implantat-Interface wirken sich direkt auf das Einwachsen des Knochens in das Implantat aus. In der Literatur wird sicheres Knocheneinwachsen bei Mikrobewegungen bis 40 µm beschrieben [Pap05]. Bei Mikrobewegungen um 150 µm hingeben wird ein Knochenwachstum verhindert, stattdessen wird Bindegewebe um die Implantatoberfläche gebildet [Bra04, Pil86]. Der Flächenanteil in dem Pfanne und Knochen fest miteinander verwachsen sind, bestimmt die Sekundärstabilität. Mikrobewegungen sind somit ein geeignetes Maß um das potentielle Einwachsen des Knochens in die poröse Pfannenoberfläche vorherzusagen.

Trotz des heutigen medizinischen Fortschritts müssen künstliche Hüftgelenke im Abstand von 10 bis 15 Jahren ausgetauscht werden. Jeder Wechsel bringt die Risiken einer Operation mit sich. Deshalb ist es ein wesentliches Ziel der orthopädischen Forschung, die Verweilzeit der Implantate im Körper zu verlängern. Mit der gestiegenen Lebenserwartung und da auch immer jüngere Menschen an der Hüfte operiert werden, können in einer Lebenszeit mehrere Wechseloperationen notwendig werden. So wurden 2007 in Deutschland 21.000 Hüftrevisionen durchgeführt [BQS08], Tendenz steigend.

Natürliche Knochendefekte am Acetabulum, aber auch künstliche, z.B. im Revisionsfall, sind keine Seltenheit. Schäden am natürlichen Knochenlager können unterschiedliche Ursachen haben, z. B. durch Osteoporose (Knochenschwund), Knochenkrebs (durch notwendiges operatives Entfernen von Knochenmaterial), Verschleiß, Entzündungen. Beim Austausch von Implantatkomponenten hinterlässt die operative Entnahme zusätzliche Schäden am Acetabulum und eine stabile Verankerung der Revisionspfanne wird damit aufwendiger.
Für die Verankerung von Revisionspfannen stehen verschiedene additive Verankerungselemente zur Verfügung (Spongiosaschrauben, Darmbeinzapfen). Es existieren jedoch keine Richtlinien oder Empfehlungen darüber, welche Verankerungsstrategie bei welchem Defekt die besten Erfolgsaussichten auf eine hohe Primärstabilität hat.

Die Beurteilung verschiedener Verankerungsstrategien von Implantaten im Knochen kann an Hand von Experimenten erfolgen. Dazu können Kunstknochen [Jak08] oder Kadaverknochen [Kwo94] verwendet werden. In beiden Fällen ist der Zeit- und Kostenaufwand sehr hoch. Hinzu kommt, dass Kadaverknochen große Unterschiede in der Knochenqualität aufweisen können. Dies führt dazu, dass Messergebnisse an verschiedenen Knochen miteinander kaum vergleichbar sind. Als Alternative bietet sich hier die Finite-Elemente-Methode (FEM) an. Mit einer validen und reproduzierbaren Modellierung können Interaktionen zwischen Knochen und Implantat simuliert und bewertet werden.

In der vorliegenden Studie soll die Primärstabilität verschiedener Verankerungsstrategien von Hüftpfannen mit Knochenschrauben und Darmbeinzapfen unter der Belastung einer alltäglichen Patientenaktivität verglichen werden. Dabei werden Knochendefekte am Acetabulum einbezogen. Es wird der Einfluss des Knochendefekts auf die Wahl der Verankerungsstrategie untersucht. Verglichen wird an Hand von Mikrobewegungen im Implantat-Knochen-Interface, die durch FEM-Untersuchungen gewonnen werden.

 

Methodik

Biomechanische FE-Modelle von Knochen-Implantat-Komplexen sind mit einem erhöhten Modellierungsaufwand verbunden. Die in dieser Arbeit verwendete Modellierungsmethodik ist in der Abbildung 1 dargestellt.


Abbildung 1 - Work-Flow der Modellierung


Es werden prinzipiell sechs Arbeitsschritte unterschieden:

  • Geometriegewinnung Beckenknochen
  • Modellierung/Platzierung Implantate
  • Boolesche Operation/Vernetzung
  • Materialparameterzuweisung
  • Bewegungssimulation
  • FE-Berechnung
  • Auswertung.


Bei der Geometriegewinnung Beckenknochen werden mit einem µCT freipräparierte menschliche Kadaverbecken gescannt. Die Einzelbilder werden in dem Segmentierungsprogramm MIMICS v12, Materialise NV, Leuven, Belgien in einen 3D STL-Datensatz umgewandelt. Dieser Datensatz wird in der CAD-Software CATIA V5, Dassault Systems, Vélizy-Villacoublay, Frankreich weiter aufbereitet und es werden Muskelursprungsflächen am Becken abgegrenzt. Das erhaltende 3D-Modell entspricht einer menschlichen Beckenhälfte und wird als STL-Datensatz exportiert.


Abbildung 2 - STL-Geometrie des Beckens


Die in der Studie betrachteten Revisionsimplantate vom Hersteller ESKA Implants, Lübeck werden vermessen und im Arbeitsschritt Modellierung/Platzierung Implantate parametrisch nachkonstruiert. Dabei entstehen CAD-Modelle einer Revisionspfanne mit Insert sowie Spongiosaschrauben und Darmbeinzapfen verschiedener Länge. Diese Modelle werden in einem einheitlichen Koordinatensystem ausgerichtet. Dazu wird die Beckengeometrie geladen und die Implantate bezüglich des Beckenkoordinatensystems positioniert. Zusätzlich werden Knochendefekte als Volumenkörper in diesem Referenzkoordinatensystem konstruiert und platziert und als STEP-Datei gespeichert.


Abbildung 3 - CAD-Modelle


Die Vernetzung erfolgt in der Preprocessing Software ICEM CFD v12.1, ANSYS Inc., Canonsburg, PA, USA. Über boolesche Operationen werden die generierten Knochendefektvolumenkörper vom Becken abgezogen. Die verbleibende Becken-Geometrie und die betrachteten Implantatkomponenten werden mit Tetraederelementen (Tet10) vernetzt. Auf der STL-Geometrie abgegrenzte Muskelursprungsflächen bilden im FE-Netz Komponenten von Oberflächenknoten. Die generierten Netze, bestehend aus Becken, Pfanne, Insert und Verankerungselementen, werden in einer Datenbasis abgespeichert.


Abbildung 4 - Vernetzung in ICEM


Für die Materialparameterzuweisung wird das generierte FE-Netz über ANSYS v12.1, ANSYS Inc., Canonsburg, PA, USA in das Programm ANSYStoBONEMAT zu dem Programm BoneMat [Tad04] übertragen. Hier werden an Hand von Daten aus dem µCT-Scan für jedes Element des Beckens ein individueller E-Modul, basierend auf Graustufenwerten, berechnet und der Datenbasis als Materialparameter hinzugefügt.


Abbildung 5 - E-Modul am Becken


Bewegungssimulationen lassen sich mit dem Programm AnyBody, AnyBody Technology A/S, Aalborg, Dänemark erstellen. Damit können alltägliche Bewegungsabläufe simuliert und für jeden Bewegungsschritt die am Becken wirkenden Muskelkräfte sowie die resultierende Hüftgelenkkraft berechnet werden.

Die Teilschritte der Modellierung laufen in ANSYS classic zur Berechnung zusammen. Das in ICEM generierte FE-Netz wird geladen. Auf jedes Element des Beckens wird sein in der Materialparameterzuweisung bestimmter E-Modul abgebildet. Den Implantatkomponenten werden nichtlinearen Materialkennwerte zugeordnet. Am Iliosakralgelenk und an der Symphyse wird das Becken gelagert. Bevor die Berechnung erfolgt, werden auf die Komponenten der Muskelursprungsflächen die Muskelkräfte aufgetragen und über das Insert die Hüftgelenkkraft eingeleitet.


Abbildung 6 - Kräfte und Randbedingungen


Nach der Berechnung erfolgt die Auswertung der Modelle. An Hand von festgelegten Ergebnisgrößen können Aussagen über die erreichte Primärstabilität einer gewählten Verankerungsstrategie unter dem Einfluss eines Knochendefekts getroffen werden.

Die vorgestellte Arbeit stellt das abschließende Teilprojekt eines mehrjährigen Forschungsvorhabens dar. In der Arbeit wird auf verschiedene Vorarbeiten aufgebaut. Der STL-Datensatz des Beckens [Huc10] und die CATIA-Daten der Implantate [Sch09] beruhen auf Vorarbeiten. Das Open Source Tool BoneMat wurde für die Anwendung beim Becken angepasst [Hof09]. Muskel- und Gelenkkräfte für die Patientenaktivität ‚Normales Gehen‘ wurden ebenfalls einer Vorbetrachtung entnommen [Sch10].

 

Ergebnisse

Auf Grundlage einer ausführlichen Literaturrecherche wurde das Beckenmodell in natürlicher Lage im Raum positioniert (Beckenkippung von 3° Inklination zur Coronal-Ebene). An dem Becken wurde die Implantatpfanne nach orthopädischer Empfehlung der Literatur ausgerichtet (Inklination 45°, Anteversion 20° [Bar01, Wid03]). Auf der Beckenoberfläche wurden Muskelursprungsflächen bestimmt [Til09] und abgegrenzt, siehe Abbildung 7.


Abbildung 7 - Muskelursprungsflächen am Beckenknochen (in Anlehnung an [Til09])


An Hand der Klassifikation von D’Antonio [DAn89] wurden, mit Hilfe eines erfahrenen Orthopäden, typische Defekte am Acetabulum definiert. Diese Defekte wurden an Kadaverknochen und an CAD-Modellen nachmodelliert.

Das Knochen-Implantat-Modell besteht aus mehreren Körpern die miteinander interagieren. Die gewählte Kontaktmethode zwischen zwei Körpern ebenso wie die festgelegten FE-Elementgrößen können einen signifikanten Einfluss auf die Ergebnisgenauigkeit sowie auf die Berechnungsdauer haben. Im Rahmen dieser Arbeit wurden für mehrere Simulationsparameter Sensitivitätsanalysen und Konvergenzstudien durchgeführt. Ergebnis ist ein auf Genauigkeit und Berechnungsgeschwindigkeit optimiertes FE-Modell.

Für die festgelegten Knochendefekte wurde Vergleichsrechnungen für unterschiedliche Verankerungselemente durchgeführt. Bei der Auswertung können betrachtet werden:

  • Gegenüberstellung der Verankerungsmethoden für den Defekt,
  • Darstellung der qualitativen Verteilung der Mikrobewegungen im Interface,
  • Darstellung der quantitativen Verteilung der Mikrobewegungen gestaffelt in Bereiche von Mikrobewegungen,
  • Darstellung der maximalen und mittleren Mikrobewegungen im Interface und
  • Darstellung der maximalen von Mises Vergleichsspannungen in den Verankerungselementen.

Die Abbildungen der Knochendefekte sowie die Darstellungen der Ergebnisgrößen sind einer Publikation vorbehalten und können daher nicht auf dieser Plattform veröffentlicht werden.
Ersatzweise wird in der Abbildung 8 die qualitative Verteilung der Mikrobewegungen im Interface an einem Becken ohne Defekt vorgestellt.


Abbildung 8 - Mikrobewegungen im Becken-Implantat-Interface in [mm]

Fazit

Die vorgestellte Arbeit stellt eine Innovation in der FE-Modellierung von Beckenknochen zur Bewertung von Verankerungsstrategien von künstlichen Hüftgelenken dar. In keiner bekannten Studie wurde bisher ein derart komplexes Modell verwendet. Aus der Literatur ist in diesem Zusammenhang keine Studie bekannt, die auf µCT-Daten zurückgreift um die Beckengeometrie nachzubilden. Auch die geometrisch exakte Modellierung der Implantatkomponenten (Pfanne, Schrauben, Zapfen) ist aus der Literatur nicht bekannt. Zur Bewertung von Verankerungsstrategien werden in FE-Studien bisher Becken mit homogenen Materialeigenschaften verwendet. In dieser Studie wird das Becken realistischer wiedergegeben, da jedes Element ein individuelles E-Modul erhält, basierend auf der Dichteverteilung. Bisher wurden Simulationen von Mikrobewegungen im Knochen-Implantat-Interface nur am intakten Acetabulum vorgenommen, damit ist das Einbeziehen und die Modellierung von Knochendefekten am Acetabulum neuartig.

Mit den Simulationsergebnissen können Empfehlungen über vorteilhafte Verankerungselemente für unterschiedliche Defektsituationen gegeben werden. In der Studie konnte gezeigt werden, dass bei Defekten vom Typ I, II und III der kurze Darmbeinzapfen eine optimale Verankerung ermöglicht. Lediglich beim Defekt Typ I superior sind die Primärstabilitätsunterschiede zwischen Zapfen und Schrauben so gering, dass die einfacher zu realisierende Verankerung mit zwei Schrauben zu bevorzugen ist. Für den Defektfall Typ IV kann mit einem Zapfen eine höhere Primärstabilität erreicht werden im Vergleich zur Verankerung mit zwei Schrauben. Der lange Zapfen wird relativ stark belastet, damit erweist sich der kurze Zapfen auch als vorteilhaft für den Defekt Typ IV.

Aus den Untersuchungsergebnissen kann für die klinische Praxis geschlussfolgert werden, dass mit der Verwendung eines Zapfens allgemein eine höhere Primärstabilität erreicht werden kann. Als besonders vorteilhaft im Vergleich zum langen Zapfen, etabliert sich der kurze Darmbeinzapfen. Mit diesem kann die gleiche Primärstabilität erreicht werden, er wird jedoch geringfügiger belastet und ist operativ einfacher zu implantieren.

 

Ausblick

Aus der Bearbeitung ergeben sich weitere Aufgabenfelder die Gegenstand zukünftiger Arbeiten seien werden, um die FE-Modellierung weiterzuentwickeln. In zukünftigen Arbeiten sollten die hier berechneten Ergebnisse experimentell validiert werden. Modellieren eines Pfannen Press-Fits sowie das Einbeziehen einer Vorspannung der Schrauben kann in die Simulation übernommen werden. Um die stabilisierende Wirkung der Kortikalis in das FE-Modell einzubeziehen, könnte diese mit einem separaten Netz abgebildet werden. Ein weiteres Ziel ist, patientenspezifische FE-Simulationen durchzuführen und so vor einer Operation eine optimale Verankerungsstrategie bestimmen zu können.

 

Quellen

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Barrack RL, Lavernia C, Ries M, Thornberry R, Tozakoglou E. Virtual reality computer animation of the effect of component position and design on stability after total hip arthroplasty. Orthop Clin North Am. 2001 Oct;32(4):569-77, vii.
[Bar04]
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[BQS08]
Bundesgeschäftsstelle Qualitätssicherung gGmbH: Qualität sichtbar machen. BQS-Qualitäsreport 2007. Christof Veit, Jochen Bauer, Klaus Döbler, Olaf Eckert, Burkhard Fischer, Constanze Woldenga (Hg.). Düsseldorf 2008
[DAn89]
D'Antonio JA, Capello WN, Borden LS, Bargar WL, Bierbaum BF, Boettcher WG, Steinberg ME, Stulberg SD, Wedge JH. Classification and management of acetabular abnormalities in total hip arthroplasty. Clin Orthop Relat Res. 1989 Jun;(243):126-37.
[Hof09]
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[Huc10]
Hucke, D. Modellierung der kortikalen Knochenstruktur basierend auf Mikro-CT-Daten.Diplomarbeit. HTWK Leipzig, Leipzig, 2010
[Jak08]
Jakubowitz E, Bitsch RG, Heisel C, Lee C, Kretzer JP, Thomsen MN. Primary rotational stability of cylindrical and conical revision hip stems as a function of femoral bone defects: an in vitro comparison. J Biomech. 2008 Oct 20;41(14):3078-84. Epub 2008 Sep 21.
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Schaller A, Kunze M, Steinke H, Scholz R, Voigt C. Influence of the variation of modelling assumptions of the finite element analysis on the output quantity of the micromotions in the implant-bone interface. Arbeitspapier. Leipzig 2010.
[Sch09]
Schaller A. Vergleichende Finite-Elemente-Analyse alternativer Verankerungsstrategien von künstlichen Hüftpfannen in der Revisionsendoprothetik an einem Modell des menschlichen Beckenknochens. Masterarbeit. Leipzig 2009
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Taddei F, Pancanti A, Viceconti M. An improved method for the automatic mapping of computed tomography numbers onto finite element models. Med Eng Phys. 2004 Jan;26(1):61-9.
[Til09]
Tillmann B. Muskeltrainer. Springer Verlag. Berlin 2009
[Wid03]
Widmer KH, Zurfluh B. Compliant positioning of total hip components for optimal range of motion. J Orthop Res. 2004 Jul;22(4):815-21.

 

Originalarbeit

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Über den autor

Über den Autor


 


 

Dipl.-Ing. (FH) Martin Weidling, M.Eng., cand M.Sc., geboren am 10.03.1983 in Blankenburg.

01/2011 - 09/2011Qualifikationsstipendiat am Graduiertenkolleg 1627, Leibniz Universität Hannover,
Institut für Kontinuumsmechanik bei Prof. Wriggers
10/2007 - 12/2010Joint-Degree-Master im Maschinenbau an der HTWK-Leipzig
und der University of the West of Scotland in Paisley
10/2009 - 06/2010Wissenschaftliche Hilfskraft am Labor für Biomechanik, Orthopädische Klinik
und Poliklinik, Universitätsklinikum Leipzig, AöR
03/2009 - 06/2009Praktikum an der Dublin City University, Dublin, Irland
02/2008 - 05/2008Studiensemester an der University of the West of Scotland, Paisley, Schottland
10/2003 - 10/2007Diplomstudium Maschinenbau an der HTWK-Leipzig
10/2002 - 06/2003Grundwehrdienst, Sanitätsregiment 1, Hildesheim
08/1993 - 06/2002Europagymnasium Richard von Weizsäcker, Thale

Impressum

Autor

Martin Weidling
Erich-Weinert-Str. 22
06502 Thale
m.weidling(at)gmail.com
Betreuer (HTWK)

Prof. Dr.-Ing. Carsten Klöhn
Technische Mechanik / Rechneranwendung
FB Maschinen- und Energietechnik / HTWK Leipzig
Koburger Str. 62,
D 04416 Markkleeberg
kloehn(at)me.htwk-leipzig.de
Betreuer (UWS)

David Smyth, Academic Director
School of Engineering
University of the West of Scotland
Highstreet
Paisley, PA1 2BE
UK, Scotland
David.Smyth(at)uws.ac.uk
Betreuer (Klinikum)

Christian Voigt
technischer Leiter
Universität Leipzig, Medizinische Fakultät
Orthopädische Klinik und Poliklinik
Labor für Biomechanik
Liebigstr. 20
D-04103 Leipzig
Christian.Voigt(at)medizin.uni-leipzig.de

 

 

State of the Art - Zum Stand der Technik

Charakterisierung von Hybridstrukturen

Ein Hybrid besteht aus mindestens zwei oder mehreren Komponenten, die durch den gleichzeitigen Einsatz in einem Systemverbund ein neues Eigenschaftsprofil besitzen. Je unterschiedlicher die Werkstoffkategorien ursprünglich sind, desto größer ist das erzielbare Verbesserungspotenzial, wenn dabei jeweils die Vorteile der einen Komponente die Nachteile der anderen ausgleichen können. Ein solches unterschiedliches Portfolio an Eigenschaften zeigen Kunststoffe und Metalle. Zum Beispiel weisen Metalle hohe Festigkeiten und Steifigkeiten auf, hingegen sind Kunststoffe mit hohen Bruchdehnungen gutmütiger für Verformungen. Die Automobilindustrie erkannte das Potential der Werkstoffkombination. Audi führte mit dem Frontend des Audi A6 1998 das erste Großserien-Hybridbauteil ein. Damit konnten Gewichtseinsparungen von 15 % erreicht werden, bei gleichzeitiger Verringerung der Herstellungskosten um 10 % [3].

Das Ziel der Hybridkonstruktion liegt darin, eine kosten- und ressourcensparende Lösung zu entwickeln, die Vorteile kombiniert und Nachteile kompensiert. In Tabelle 2.1 sind die Eigenschaften der beiden Verbundpartner dargestellt.

 

Tab. 2.1: Eigenschaften von Metallen und Kunststoffen [4,5]