Biotribologia Wykład 10 PE-UHMW, Modelowanie tarcia

Transkrypt

1 Biotribologia Wykład 10 PE-UHMW, Modelowanie tarcia dr inż. Piotr Kowalewski Instytut Konstrukcjii EksploatacjiMaszyn, Zakład PodstawKonstrukcjiMaszynI Tribologii PE-UHMW Polietylen o ultra wysokiej masie molowej PE 1000 (PE-UHMW) - ten typ PE zajmuje szczególne miejsce pośród polietylenów. Jego masa molowa jest 10 do 30 razy większy od standardowego polietylenu PE-HD. Jej mierzona wiskozymetrycznie wartość zawiera się w granicach od 3 mln do 10,5 mln g/mol 2 1

2 CH 2 CH 2 PE-UHMW Mer H H H H H H C C C C C C n H H H H H H Polietylen małej gęstości (wysokociśnieniowy) PE-LD Polietylen dużej gęstości (niskociśnieniowy) PE-HD 5 krótkich odgałęzień na 1000 atomów węgla Średni ciężar cząsteczkowy Polietylen o ultra dużym ciężarze cząsteczkowym PE-UHMW Średni ciężar cząsteczkowy PE-UHMW Podstawowe właściwości PE-LD PE-HD PE-UHMW Gęstość [Mg/m 3 ] 0,91 0,93 0,94 0,96 0,93 0,94 Moduł sprężystości E [MPa] Wytrzymałość na rozciąganie R r [MPa] Temperatura użytkowania ºC ºC ºC 4 2

3 PE-UHMW Łatwe przetwórstwo - wytłaczanie, wtryskiwanie, Dobra odporność chemiczna Duża udarność PE-HD (bez karbu wg Charpy nie pęka) Przepuszcza tlen i azot, nie przepuszcza pary wodnej Posiada właściwości elektrostatyczne Nazwy handlowe Malen E, Petrolen (PE-LD) Petrochemia Płock S.A. Politen (PE-LD) Zakłady Tworzyw POLI-CHEM Blachownia Hostalen G (PE-HD) Elenac, Hostalen GUR (PE-UHMW) Vestolen A (PE-UHMW) Hüls AG (RFN) Lupolen (PE-HD) BASF Aktiengesellschaft (RFN), ENSINGER 5 PE-UHMW W przypadku węzłów tarcia stosowanych w endoprotezach stawu kolanowego kluczową rolę odgrywa mechanika ciała polimerowego. 6 Różnica pomiędzy modelem ciała sprężysto-plastycznego (S. Kurtza), a rzeczywistym charakterem zmian σ(ε) S. Kutz 3

4 PE-UHMW Modele ciał lepkosprężystych 7 Voigta-Kelvina, Maxwella D. Żuchowska PE-UHMW Pełzanie (ISO 899) PE-UHMW (ciśnieniowo wtryskiwanego) temp. 23 o C G. Engh, K. Dwyer, C. Hanes 8 4

5 PE-UHMW Zmiany własności mechanicznych PE-UHMW w zależności od historii odkształcenia D. Krzypow, C.Rimnac R. Meyer L. Pruitt 9 PE-UHMW Porównanie właściwości mechanicznych polietylenu UHMW w zależności od temperatury i czasu jego podgrzewania Wartości mikrotwardości i stopnia krystaliczności PE UHMW, w zależności od czasu i temperatury podgrzewania 10 S. Mischler 5

6 Zużycie PE-UHMW 11 M. Gierzyńska-Dolna, PE-UHMW Zależność zmiany wartości odkształcenia od czasu 12 P. Kowalewski, A. Litwin 6

7 Zużycie PE-UHMW 13 S. Mischler Zużycie PE-UHMW Na podstawie badań klinicznych oraz przeprowadzonych badań laboratoryjnych można wyróżnić następujące, typowe rodzaje niszczenia komponentów polimerowych: zużycie cierne objawiające się zmianą mikro- i makrogeometrii powierzchni, odkształcenia plastyczne ( w wyniku przekroczenia dopuszczalnych obciążeń endoprotezy stawu kolanowego) i pełzanie, zużycie zmęczeniowe typu pitting. zmiana składu chemicznego i barwy, zmiana struktury tworzywa, obluzowanie i pękanie. 14 7

8 Zużycie PE-UHMW Zużycie ścierne i deformacja plastyczna 15 Zużycie PE-UHMW Zużycie zmęczeniowe - pitting Degradacja chemiczna 16 8

9 Zużycie PE-UHMW 17 M. Gierzyńska-Dolna, Zużycie PE-UHMW 18 Dr. S. Mischler - Lecture S. Mischler ( ) 9

10 Mechanizm zużywania PE-UHMW S. Mischler 19 Stopień krystaliczności PE-UHMW M. Gierzyńska-Dolna, J. Otfinowski, A. Pawelec 20 10

11 Sieciowanie PE-UHMW S. Mischler 21 Wpływ promieniowania jonizującego na PE-UHMW S. Mischler 22 11

12 Wpływ promieniowania jonizującego na PE-UHMW M. Gierzyńska-Dolna, J. Okrajni i inni. 23 PE-UHMW Zużycie wagowe polietylenu (PE-UHMW) w funkcji drogi tarcia dla materiału: niedeformowanego (o), wstępnie deformowanego pod naciskiem 4 MPa ( ), wstępnie deformowanego pod naciskiem 8 MPa ( ). 24 Materiał przeciwpróbki stal 316L, Ra=0,023, parametry ruchowe: p=4mpa, vs-125 mm/s. K. Lee, D. Pienkowski 12

13 Wpływ zużywania PE-UHMW Procesy destrukcyjne występujące w styku ruchowym głowa endoprotezy-panewka W. Ziółkowski M. Gierzyńska-Dolna 25 Wpływ zużywania PE-UHMW Skutki zużywania polimeru Utrata stabilności Stany zapalne 26 13

14 Procesy obluzowania endoprotezy 27 S. Mischler, Willert, Semlitsch Procesy obluzowania endoprotezy Miejsca gromadzenia się produktów zużycia wokół zaimplantowanej endoprotezy stawu biodrowego. M. Ungethum, W. Winkler-Gniewek Figurska M., Stańczyk M., Milosev I., Cor A. 28 Produkty zużycia polietylenu. Obraz z mikroskopu elektronowego (SEM) 14

15 Zużycie PE-UHMW Zużycie materiałów polimerowych stosowanych w endoprotezach stawu biodrowego. Materiał Zużycie panewek endoprotez stawu biodrowego Niemodyfikowany UHMWPE 0,12 0,25 mm/rok głowa metalowa 0,098 0,03 mm/rok głowa ceramiczna Sieciowany UHMWPE 0,022 0,15 mm/rok głowa metalowa (2,5-4,0 Mrad) 0 (Powyżej 20 Mrad) głowa metalowa Poly II 4,89 x 10-9 g/cykl głowa metalowa (UHMWPE + włókna węglowe 20%) Hylamer (UHMWPE spec. Warunki obróbki) UHMWPE bezpośrednio wtryskiwany do formy HDPE wysoko sieciowany (100 Mrad) 0,13 0,4 mm/rok głowa metalowa 0,15 0,33 mg/mln. Cykli głowa ceramiczna 0,05 mm/rok głowa metalowa 0,076 mm/rok głowa metalowa 0,072 mm/rok głowa ceramiczna 29 Low Wear materials 30 Dr. S. Mischler - Lecture ( ) 15

16 Low Wear materials 31 Dr. S. Mischler - Lecture ( ) Materiały niskiego zużycia Materiały stosowane w węzłach tarcia endoprotez niskiego zużycia low wear 32 S. Mischler 16

17 Modelowanie tarcia w endoprotezach Tribologiczne modele endoprotez Przewidywanie oporów tarcia Przewidywanie zużycia Modele fizyczne Modele analityczne Pełne implanty Uroszczone układy Modele numeryczne (FEM) In-vivo (pacjent) In-vitro (laboratorium) laboratorium 33 Modelowanie tarcia w endoprotezach Wartości współczynników tarcia wybranych par ślizgowych w obecności różnych płynów smarujących. Skojarzenie typu Pin-on-plate, p= 3,45 MPa Przeciwpróbka Serum wołowe (Bovine serum) Roztwór soli (Saline) Woda destylowana Przeciwpróbka U R U R U R Zirkona 0,049 0,040 0,082 0,060 0,055 0,028 Alumina 0,056 0,054 0,115 0,089 0,075 0, L 0,078 0,065 0,156 0,123 0,097 0,061 U- ruch jednostrony (unidirectional), R- ruch zwrotny (reciprocating)

18 18 35 Uniwersalny model tarcia tb tp t n i ti t M M M + = = = M M 1 36 Uniwersalny model tarcia t,...), f( F ) f( r F µ F r F M f(t) n i n ti i ti ti ϕ ϕ ϕ = = = = = ( ) r,..., F, v ω, µ n p f =

19 Badania tribologiczne w złożonym ruchu toczno-ślizgowym s=ωr-vp 37 Wyniki badań laboratoryjnych µ =f(v p ) 38 19

20 Stanowiska badawcze 39 Stanowiska badawcze 40 Department of Engineering Design and Production Helsinki University of Technology 20

21 Badania numeryczne 41 University of Illinois at Chicago Badania numeryczne CoCrMo PE-UHMW, F n =200 N, r=26 mm, v p =21 mm/s, ω=1,56 1/s Kierunek ruchu próbki 42 21

22 Badania numeryczne 43 Wartości naprężeń zredukowanych (wg hipotezy Hubera) σ red występujące we wkładce polimerowej endoprotezy podczas tarcia. 22