WP1313 Prothetik Materialeigenschaften

WP1313 - Prothetik Materialeigenschaften
Veranstaltung PS Biomechanik
Autor Christian Schumacher
Semester WS 2013/14
Voraussetzungen WP1312 Prothetik Grundlagen
Bearbeitungsdauer 30 Minuten
Präsentationstermin 28.01.2014
Zuletzt geändert 06.01.2014

Einleitung

Im Feld der Prothetik konnten in den letzten zwei Jahrzehnten eine Vielzahl an Fortschritten erzielt werden (vgl. WP1312 Prothetik Grundlagen). Die heutigen Prothesen weisen viele Funktionen auf, die den Nutzer im Alltag oder im Sport unterstützen. Zur Bereitstellung der Funktionen, sind die Anforderungen an die Prothesen sehr komplex und herausfordernd. Um diese Anforderungen, wie z.B. das Gewicht einer Prothese, zu erfüllen, ist der anforderungsgerechte Einsatz von Materialien ein wichtiger Stellhebel. Mit der richtigen Auswahl der Materialien wird das Verhalten der Prothese und damit der Erfolg der prothetischen Versorgung in entscheidendem Maß beeinflusst.

In diesem Wiki soll daher besonders auf die Materialien eingegangen werden, die in der Prothetik zum Einsatz kommen. Dazu wird zunächst auf die materialwissenschaftlichen Grundlagen eingegangen. Hierfür werden materialwissenschaftliche Kenngrößen zur Beschreibung der Eigenschaften eines Materials erläutert. Damit lassen sich im Anschluss verschiedene (im Bereich der Prothetik vorkommende) Materialien vergleichen. Hier wird auf ihre Vor- und Nachteile eingegangen. Zuletzt werden die Materialien in Bezug auf ihr Einsatzgebiet in der Prothetik untersucht.

Einführendes Beispiel

Das Video zeigt zum Einstieg einen Prothesenfuß, bei dem mit Hilfe der Materialeigenschaften eine Nachgiebigkeit erzeugt wird, um ein physiologisches Gangbild zu erzeugen.



1. Materialwissenschaftliche Grundlagen

Im folgenden werden die materialwissenschaftlichen Kenngrößen zur Beschreibung der Eigenschaften von Materialien erläutert.

Spannung

Wird ein beliebiger fester Körper mit äußeren Kräften belastet, so ergeben sich in seinem Inneren innere Kräfte. Um diese zu beschreiben, wird ein Modell eingeführt. Dazu wird ein unendlich kleines Volumenelement aus dem Inneren des Körpers betrachtet (s. Abbildung 1.1).

Abbildung 1.1: Spannungsdeklaration Volumenelement (Wikipedia, 2010).

Die inneren Kräfte (hier als Flächenkräfte) wirken auch auf das Volumenelement und werden als Spannungen bezeichnet. Die Spannung beschreibt die Kraft F pro Flächeneinheit A, auf die die Kraft einwirkt (s. Formel 1).

Formel 1 (Gross, 2005, S. 8)

Die Einheit der Spannung ist $\frac{N}{mm^2}$. Jede Fläche weist dabei je nach Belastung unterschiedliche Spannungen auf. Es wird zwischen Normalspannungen σ (senkrecht zu den Flächen) und Scherspannungen τ (wirken in der Fläche) unterschieden. In Körpern können sich auch unterschiedliche Spannungen ergeben, je nach äußerer Belastung, Form und Materialverhalten (s. Gross, 2005, S. 4f.).

Elastizitäts-Modul

Wird ein Material belastet, so resultiert dies in einer Formänderung. Der Körper wird gedehnt oder gestaucht. Je stärker die Belastung, desto stärker ist die Formänderung. Die Formänderung, die bei der Belastung entsteht, kann reversibel sein. Der Körper geht bei Entlastung wieder in seine Ausgangsform zurück (z.B. Sprungbrett beim Absprung). Man spricht in diesem Fall von einem elastischen Verhalten. Wird der Körper oberhalb einer Grenzspannung belastet, verformt er sich irreversibel. Die eingetretene Formänderung lässt sich nicht wieder rückgängig machen (z.B. Autounfall). Dieses Verhalten wird als plastisch bezeichnet. Manche Materialien weisen hierbei ein sogenanntes linear-elastisches Verhalten auf. Hierfür lässt sich ein Proportionalitätsfaktor zwischen der Belastung (Spannung σ) und der Formänderung (Dehnung ε) finden (s. Formel 2, Hooksches Gesetz).

Formel 2 (Gross, 2005, S. 16)

Dieser Faktor E wird Elastizitäts-Modul genannt. Er ist eine Materialkonstante, die die Steifigkeit des Materials beschreibt (s. Gross, 2005, S. 13).

Zugfestigkeit

Die Zugspannung oder Zugfestigkeit ist eine wichtige materialwissenschaftliche Kenngröße. Sie beschreibt, mit wie viel Spannung ein Probenkörper auseinandergezogen werden kann, bis es zum Bruch kommt. Die Zugspannung wird ebenfalls in $\frac{N}{mm^2}$ angeben. Mit Hilfe der Zugfestigkeit lässt sich im Allgemeinen erkennen welche Festigkeit ein Material aufweist (s. Gross, 2005, S. 11ff).

Leistungsgewicht

Um das Gewicht eines Materials in Bezug auf dessen Festigkeit zu beurteilen, wird häufig das Leistungsgewicht bestimmt. Dieses ist die Materialdichte bezogen auf die Zugfestigkeit. Damit zeigt sich welches Material bei möglichst geringem Gewichtseinsatz die höchste Festigkeit aufweist.



2. Vergleich der Materialien

In dem folgenden Abschnitt sollen die Materialien näher untersucht werden, die bei Prothesen eingesetzt werden. Dabei werden nur die lasttragenden Komponenten betrachtet. Auf Liner (Stoffüberzüge für den Stumpf), Schäfte oder Kosmetiken wird nicht weiter eingegangen. Diese Komponenten würden zusätzliche Anforderungen an die Hautverträglichkeit, Aussehen und haptische Eigenschaften aufweisen. Auch Elastomere (elastisch verformbare Kunststoffe) werden nicht näher untersucht, da deren Eigenschaften stark von der Temperatur abhängig sind.

Die Materialien Stahl, Aluminium, Titan und Faserkunststoffe werden nun in Anbetracht der erläuterten Materialkenngrößen verglichen. Allerdings gibt es eine Vielzahl an Legierungen der Werkstoffe, die jeweils unterschiedliche Materialwerte aufweisen, sodass die angegebenen Werte als Richtwerte zu verstehen sind.

Elastizitäts-Modul

Ein Vergleich der vier Materialien zeigt (s. Abbildung 2.1), dass Stahl mit einem E-Modul von $210.000\,\frac{N}{mm^2}$ die größte Steifigkeit aufweist. Titan, ein Werkstoff der im Einsatzgebiet der Luft- und Raumfahrt häufige Verwendung findet, zeigt eine Steifigkeit von $105.000\,\frac{N}{mm^2}$. Aluminium weist mit einem Elastizitätsmodul von etwa $70.000\,\frac{N}{mm^2}$ ein Drittel der Steifigkeit von Stahl auf. Die Faserverbundstoffe zeigen hierbei aufgrund der Tatsache, dass ihr Materialverhalten anisotrop, also richtungsabhängig, ist einen Steifigkeitsbereich auf. In Faserrichtung ergeben sich E-Module von bis zu $300.000\,\frac{N}{mm^2}$. Senkrecht der Faserrichtung kann die Steifigkeit allerdings auf etwa $40.000\,\frac{N}{mm^2}$ absinken (der Wertebereich wird in der Abbildung durch den schwarzen Rahmen dargestellt) (Matthis, 2000, S.809).

Abbildung 2.1: Vergleich Elastizitäts-Modul (modifiziert nach Matthis, 2000, S.809).


Dichte

Die Dichte ist ein sehr wichtiges Kriterium bei der Beurteilung der Materialien. Je höher die Dichte, desto schwerer ist die Masse der Prothese bei gleichem Volumen. Für den Amputierten ist es sehr wichtig, dass die Masse der Prothese möglichst gering ist, da er diese Massen beschleunigen und dafür Energie aufbringen muss. Je schwerer also die Prothese, desto anstrengender ist die Fortbewegung mit ihr.

Bei der Dichte zeigen sich, wie in Abbildung 2.2 dargestellt, große Unterschiede zwischen den Materialien. Hier ist Stahl mit der höchsten Dichte von etwa $7,85\,\frac{g}{cm^3}$ zu nennen. Titan zeigt mit $4,3\,\frac{g}{cm^3}$ eine um etwa 30 % verringerte Dichte. Aluminium und die Faserverbundstoffe liegen mit $2,3$ bzw. $2,1\,\frac{g}{cm^3}$ nah bei einander. Hier sind Titan und Aluminium, aber auch die Faserverbundwerkstoffe besonders hervorzuheben, da diese aufgrund ihres geringen Gewichts im Leichtbau eine besondere Rolle spielen (Matthis, 2000, S.809).

Abbildung 2.2: Vergleich Dichte (modifiziert nach Matthis, 2000, S.809).


Zugfestigkeit

Zur Abschätzung der Bauteilfestigkeit wird die Zugfestigkeit der Materialien herangezogen (s. Abbildung 2.3). Die größten Zugfestigkeiten werden unter Einsatz von Stahl (etwa $1000\,\frac{N}{mm^2}$) und Faserverbundwerkstoffen erzielt ($2000\,\frac{N}{mm^2}$). Allerdings zeigt sich für die Faserverbundwerkstoffe je nach Einsatz der Fasermaterialien und Belastungsrichtung ein großes Festigkeitsgefälle, sodass Festigkeitswerte mit etwa $330\,\frac{N}{mm^2}$ ebenfalls erreicht werden können. Titan und Aluminium erreichen Festigkeiten um $900\,\frac{N}{mm^2}$ bzw. $630\,\frac{N}{mm^2}$ (Matthis, 2000, S.809).

Abbildung 2.3: Vergleich Zugfestigkeit (modifiziert nach Matthis, 2000, S.809).


Leistungsgewicht

Betrachtet man das Leistungsgewicht der Werkstoffe (s. Abbildung 2.4), so zeigt sich ein differenziertes Bild. Normiert man auf das Leistungsgewicht von Stahl, erhält Titan ein Leistungsgewicht von 65 %. Aluminium erreicht sogar mit nur 58 % an Gewichtseinsatz von Stahl die gleiche Zugfestigkeit. Damit kann durch den Einsatz von Titan oder Aluminium etwa 40 % des Gewichtes gegenüber der Verwendung von Stahl eingespart werden. Für die Faserverbundstoffe ist entsprechend der verwendeten Faser ein Leistungsgewicht von bis zu 10 % im Vergleich zu Stahl zu erreichen. Hier sind sehr große Gewichtseinsparungen möglich (Matthis, 2000, S.809).

Abbildung 2.4: Vergleich Leistungsgewicht (modifiziert nach Matthis, 2000, S.809).


3. Einsatz der Materialien

Jeder der vorgestellten Werkstoffe weist Vor- und Nachteile auf. Die Auswahl der Materialien ist daher anforderungsgerecht durchzuführen. So ist Stahl aufgrund der guten Bearbeitbarkeit und der vergleichsweise geringen Materialkosten ein weit verbreiteter Werkstoff . Er ist sehr steif und zugfest. Allerdings zeigt er Nachteile in Bezug auf das Leistungsgewicht und ist daher für den Leichtbau nur bedingt zu verwenden. Im Rahmen der Prothetik werden oft hohe Anforderungen an das Prothesengewicht gestellt, da der Amputierte das Prothesengewicht tragen und beschleunigen muss. Daher ist die Verwendung von Stahl in kleinen, hochbelasteten Komponenten zu empfehlen.

Titan zeigt ein deutlich besseres Leistungsgewicht, da es eine geringere Dichte bei guter Steifigkeit hat. Darüber hinaus ist Titan sehr temperatur- und korrosionsbeständig. Allerdings sind die Material- und die Fertigungskosten sehr hoch.

Aluminium ist ebenfalls sehr leicht und erreicht ein geringes Leistungsgewicht. Dazu ist es günstig und korrosionsbeständig. Nachteilig sind die geringe Steifigkeit und die mittelmäßige Zugfestigkeit. Titan- und Aluminiumlegierungen finden im Leichtbau vielfältigen Einsatz. Auch für den Einsatz in Prothesen sind beide Materialien hervorragend geeignet. Bei hochbelasteten Teilen ist Titan Aluminium vorzuziehen, was jedoch mit einem höheren Kostenaufwand verbunden ist.

Die Faserverbundwerkstoffe zeichnen sich durch zum Teil sehr hohe Steifigkeiten und Zugfestigkeiten bei einer geringen Dichte aus. Sie sind jedoch aufgrund ihrer komplexen Herstellung sehr teuer und weisen eine Anisotropie auf. Hinzukommt, dass sich Faserverbundwerkstoffe gut als Federn einsetzen lassen, da sie einen großen Federweg erlauben. Dadurch können sie bei der Kompression viel Energie speichern und diese bei der Entspannung wieder abgeben. Ein häufiges Einsatzgebiet der Faserverbundwerkstoffe sind daher Prothesenfüße. Aufgrund des großen Federwegs und der Energierückgabe werden Carbonfüße, bestehend aus einem Faserverbundwerkstoff mit Carbonfasern, im Sportbereich eingesetzt (s. Abbildung 3.1). Hierfür wird auf andere Wikimodule verwiesen (WP1312 Prothetik Grundlagen, WP1314 Sprint mit Beinprothese) (Matthis, 2000, S.809f).

Abbildung 3.1: Carbonfüße im Sport (Wikipedia, 2007).


Zum Abschluss folgt noch ein ausführliches Video zum Einsatz von Prothesen im Sport. Ab Minute 6:45 wird auf den Materialeinsatz eingegangen. Hier wird die aufwendige Herstellung einer Carbonfeder gezeigt.



Eigener Standpunkt

Die Weiterentwicklung von Prothesen bleibt ein wichtiges Thema, nicht nur für Hersteller. Dem Patienten werden zum Beispiel durch bessere Materialien leichtere und sichere Prothesen angeboten. Hier kann der Amputierte in Sport und Alltag immer besser unterstützt werden. Die technische Weiterentwicklung resultiert in größerer Unabhängigkeit und Selbstverwirklichung.

Jedoch sind die Kosten einer Prothese nach dem „Stand der Technik“ erheblich und können mehrere zehntausend Euro betragen. Diese Kosten sind für Amputierte in vielen (ärmeren) Ländern der Welt viel zu hoch und machen eine gute prothetische Versorgung unerschwinglich. Hier kommen Prothesen zum Einsatz, die zum Teil bereits vor 10 bis 20 Jahren Stand der Technik waren. Kunststoff-Prothesen finden den größten Einsatz, da Kunststoff einfach in der Formgebung und zudem sehr günstig ist. Kosten darf die Prothese dabei nicht mehr als 200 €. Hierzulande würde sich kaum ein Patient mit einer solchen Versorgung zufrieden geben. Die Betroffenen Menschen dürfen sich glücklich schätzen, wenn sie eine Versorgung erhalten. Andere helfen sich mit Eigenkonstruktionen aus Schrottresten, was in dem folgenden Video zu sehen ist (Die Johanniter, 2013).


Das dies kein Einzelbeispiel ist, zeigen UN-Schätzungen. Demnach werden jährlich etwa 200 Millionen Amputationen vorgenommen. Darüber hinaus gibt es Schätzungen, nach denen gerade einmal 2% der Menschen mit einer Behinderung in Entwicklungsländern Rehabilitationshilfen erfahren (Despouy, 1993).

Der Bedarf für günstige, gute Prothesen ist nicht nur im Markt der „entwickelten Länder“, sondern vor allem in der Dritten Welt zu finden. Es ist daher auch wichtig die Entwicklung hin zu günstigen Prothesen weiter voran zu treiben. Schließlich steht nicht die Technik im Vordergrund, sondern der Mensch. Daher sollte die Technik möglichst jedem, der sie benötigt zugänglich gemacht werden.
Für weitere Informationen wird auf Wenzel (2013) verwiesen.




Ausblick

Es gibt bereits gute Materialien für den Einsatz in Prothesen. Hauptaugenmerk ist dabei die Festigkeit bei geringer Masse. Jedoch sind diese Materialien teilweise in der Herstellung sehr teuer. Prozesse zur Herstellung sowie der konstruktive Einsatz sind Stellhebel zur weiteren Optimierung von Materialien in Prothesensystemen.

Darüber hinaus sollen in Zukunft „smart materials“ entwickelt werden, die dem Nutzer ein Feedback (Kräfte, Temperatur etc.) geben und eine natürlichere Nutzung der Prothese ermöglichen sollen.


verfasst von Christian Schumacher




Fragen

  1. Welche Materialkennwerte werden zur Beurteilung von Materialien im Bereich der Prothetik herangezogen?
  2. Welche Materialien werden typischerweise eingesetzt?
  3. Was für Ziele ergeben sich für die weitere Entwicklung von Materialien in der Prothetik?



Quellen

Quellen / Literatur

Despouy, L. (1993). Human Rights and Disabled Persons (Study Series 6). Centre for Human Rights Geneva and UN New York.

Gross, D. (2005). Technische Mechanik: Band 2: Elastostatik, 8. erweiterte Auflage. Berlin: Springer-Verlag.

Matthis, W. (2000). Allgemeine Betrachtung zu Werkstoffen in der Prothesentechnik, mechanische Kenngrößen und daraus resultierende Einsatzgebiete. Orthopädie-Technik, (9), 808-810

Prothesen für die Dritte Welt:
Wenzel, S. (2013). Planet Wissen - Beine für die Dritte Welt. Zugriff am 06. Januar 2014 unter http://www.planet-wissen.de/natur_technik/anatomie_mensch/prothesen/beine_dritte_welt.jsp

Selbstgebastelte Prothesen:
Die Johanniter. (2013). Orthopädiehilfe weltweit. Zugriff am 06. Januar 2014 unter http://www.johanniter.de/index.php?id=55096

Video Einleitung:
Fillauer Centri. (2012). Aeris Solution. Zugriff am 04. Januar 2014 unter https://www.youtube.com/watch?v=JPFrTXBI3GM

Video Einsatz der Materialien:
Schulz,C. H. (2013). Sport im 21 Jahrhundert Mit Hightech zum Sieg Reportage über Sport mit Hightech Teil 2. Zugriff am 04. Januar 2014 unter https://www.youtube.com/watch?v=hObJq7wgDYY

Abbildung 1.1: Wikipedia (2010):
Quader mit mechanischen Spannungen. (2010). Zugriff am 04. Januar 2014 unter http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Spannung2.svg&filetimestamp=20100108163840&

Abbildung 3.1: Wikipedia (2007):
Pálsson, E. (2007). South African Paralympic runner Oscar Pistorius. Zugriff am 04. Januar 2014 unter http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Oscar_Pistorius.jpg

Bewertung des Wiki-Moduls

Kategorie Schumacher Anmerkungen
Inhalt (max. 10) 09 Pkt mehr Bezug zum Sport wünschenswert
Form (max. 5) 04 Pkt Grafiken besser erklären
Bonus (max. 2) 01 Pkt Eigener Standpunkt
Einzelbewertung 14 Pkt 14 Punkte = 100%
Gesamtbewertung 14/15 Punkte = 94%
biomechanik/projekte/ws2013/materialien_prothetik_sportschuhe.txt · Zuletzt geändert: 13.10.2014 13:01 von Dario Tokur
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