Apparatur zur Bestimmung mechanischer Eigenschaften mittels eines kleinen Stanzgerätes (small punch)

Abstract

Im Zuge dieser Masterarbeit wurde ein Vorrichtung zur Durchführung des "Small Punch"-Versuches nach ASTM F2183-02 (2002) konstruiert, gefertigt und auf Funktion geprüft. Es soll anhand dieses Versuchaufbaus die Festigkeitseigenschaften von ultrahochmolekularen Polyethylene aus dem Bereich der Endoprothetik ermittelt werden. Eingesetzt wird dieses Material als Lagerwerkstoff in künstlichen Hüft- und Kniegelenken. Bekannt ist der Werkstoff für seine hohe Schlag- und Kerbzähigkeit bei gleichzeitig gutem Gleitverhalten unter höheren Belastungen. Bei den geprüften Materialien handelt es sich um GUR 1050 und GUR 1020 sowie GUR 1020 + Vitamin E, GUR 1020 gealtert und PE 100. Parallel zu den Small Punch-Versuchen wurden auch Zugversuche durchgeführt um einen qualitativen Vergleich zwischen den Messergebnissen zu erhalten. Anhand diverser Umrechnungsverfahren und Vergleichsmethoden wurde versucht die Messergebnisse aus dem Small Punch-Versuch denen des Zugversuches gegenüberzustellen und diese auf herkömmliche Festigkeitswerte wie dem Elastizitätsmodul oder der Streckgrenze umzulegen. Es stellte sich heraus, dass sich diese Versuchskonfiguration nur bedingt zur Ermittlung absoluter Festigkeitswerte von UHMWPE eignet, jedoch eine sortenreine Bewertung eines einheitlichen Materials möglich ist. Somit ist es möglich durch parallel durchgeführte Zug- und Small Punch-Versuch divese Ermüdungserscheinungen am Material, bedingt durch mechanische oder chemische Belastungen im Einsatz, zu erkennen.

Within this master thesis an application for realizing the "small punch"-test based on ASTM F2183-02 (2002) was designed, constructed and validated. Through this testing application the material strength properties of ultra high molecular weight polyethylene, mainly used in the field of arthroplasty, should be determinded. This material is mainly applied as endoprosthesis to replace hip- and knee joints. UHMWPE is known for its high notch toughness and impact strength with high sliding properties at the same time. The tested materials are GUR 1050 and GUR 1020 in different modifications: GUR 1020 + vitamin E, aged GUR 1020 and at least PE 100. With some of the materials tensile strentgh test were made to compare the values of the small punch-test. To compare the values some conversion method are needed, to transform the resluts of the small punch-test into common strentgh parameters like the elastic modulus or the yield strength. But the application wasn't successful at every point. The evaluation of absolute strentgh parameters didn't show realistic results, compared with material datasheets. Just the comparison of the small punch and the tensile test was possible to assess the strength limit of the material. But the test can definately be used for evaluating the stength of some UHMWPE-materials as long as the assessment happens with one material itself and no comparison of different materials with different properties are made.