Biotribologia Wykład 10 PE-UHMW, Modelowanie tarcia



Podobne dokumenty
Biotribologia Powtórka

Projektowanie elementów maszyn z tworzyw sztucznych

Rok akademicki: 2013/2014 Kod: RBM ET-n Punkty ECTS: 3. Poziom studiów: Studia II stopnia Forma i tryb studiów: Niestacjonarne

Projektowanie elementów z tworzyw sztucznych

Rok akademicki: 2013/2014 Kod: RBM KW-s Punkty ECTS: 3. Poziom studiów: Studia II stopnia Forma i tryb studiów: Stacjonarne

Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny INSTYTUT INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ ZAKŁAD METALOZNAWSTWA I ODLEWNICTWA

DANE TECHNICZNE. PE 1000R (Regenerat)

iglidur M250 Solidny i wytrzymały

iglidur J Na najwyższych i na najniższych obrotach

P L O ITECH C N H I N KA K A WR

Nauka o Materiałach. Wykład I. Zniszczenie materiałów w warunkach dynamicznych. Jerzy Lis

iglidur W300 Długodystansowy

iglidur X Technologie zaawansowane

Elementy Strukturalne: Z Metalu na Tworzywo... Mariusz Makowski, DuPont Poland

iglidur G Ekonomiczny i wszechstronny

PARAMETRY FIZYKO - MECHANICZNE TWORZYW KONSTRUKCYJNYCH

Badania właściwości zmęczeniowych bimetalu stal S355J2- tytan Grade 1

TWORZYWA SZTUCZNE. forma studiów: studia stacjonarne Liczba godzin/tydzień: 2W (sem. II) 2W e, 15L (sem.iii) PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

BIOTRIBOLOGIA. Wykład 1. TRIBOLOGIA z języka greckiego tribo (tribos) oznacza tarcie

INSTYTUT TECHNOLOGII MECHANICZNYCH

Politechnika Krakowska im. Tadeusza Kościuszki. Karta przedmiotu. obowiązuje studentów rozpoczynających studia w roku akademickim 2013/2014

PROCESY TRIBOLOGICZNE W WĘZŁACH RUCHOWYCH ENDOPROTEZ

TEREZ HT HT2 HTE ZASPOKAJAJĄ NAJWYŻSZE WYMAGANIA W ZAKRESIE SUBSTYTUCJI METALU W WYSOKICH TEMPERATURACH PRACY.

DEGRADACJA MATERIAŁÓW

PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

KONSTRUKCYJNE MATERIAŁY KOMPOZYTOWE PRZEZNACZONE DO WYSOKOOBCIĄŻONYCH WĘZŁÓW TARCIA

Badania współczynnika tarcia statycznego polietylenu PE-UHMW poddanego promieniowaniu jonizującemu

INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

Poliamid (Ertalon, Tarnamid)

WYTRZYMAŁOŚĆ POŁĄCZEŃ KLEJOWYCH WYKONANYCH NA BAZIE KLEJÓW EPOKSYDOWYCH MODYFIKOWANYCH MONTMORYLONITEM

BADANIA WSPÓŁCZYNNIKA TARCIA STATYCZNEGO POLIETYLENU PE-UHMW PODDANEGO PROMIENIOWANIU JONIZUJĄCEMU

WPŁYW PROCESU TARCIA NA ZMIANĘ MIKROTWARDOŚCI WARSTWY WIERZCHNIEJ MATERIAŁÓW POLIMEROWYCH

ASEO TWORZYWA SZTUCZNE RECYKLING SYSTEM.

Dobór materiałów konstrukcyjnych cz. 9

Innowacyjne rozwiązanie materiałowe implantu stawu biodrowego Dr inż. Michał Tarnowski Prof. dr hab. inż. Tadeusz Wierzchoń

MATERIAŁOZNAWSTWO. dr hab. inż. Joanna Hucińska Katedra Inżynierii Materiałowej Pok. 128 (budynek Żelbetu )

power of engineering MATERIAŁY DLA HBOT 3D

Wykład XV: Odporność materiałów na zniszczenie. JERZY LIS Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki Katedra Ceramiki i Materiałów Ogniotrwałych

DANE TECHNICZNE. Płyty PP-H homopolimer

ZAKRES AKREDYTACJI LABORATORIUM BADAWCZEGO Nr AB 342

Dorota Kunkel. WyŜsza Szkoła InŜynierii Dentystycznej

forma studiów: studia stacjonarne Liczba godzin/tydzień: 1W, 1S, 1ĆW PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

30/01/2018. Wykład XIV: Odporność materiałów na zniszczenie. Treść wykładu: Zmęczenie materiałów

Wprowadzenie do WK1 Stan naprężenia

Opis efektów kształcenia dla modułu zajęć

WPŁYW PARAMETRÓW RUCHOWYCH TARCIA NA MIKROTWARDOŚĆ WYBRANYCH POLIMERÓW ŚLIZGOWYCH

WPŁYW MODYFIKACJI RADIACYJNEJ I TERMICZNEJ NA WŁAŚCIWOŚCI FUNKCJONALNE POLIETYLENU GUR 1050

(13) B1 PL B1 (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (51) IntCl6: C08L 21/00 C08L 23/06 C08L 23/12 C08J 9/06 C08K 5/20

PEŁZANIE WYBRANYCH ELEMENTÓW KONSTRUKCYJNYCH

MATERIAŁOZNAWSTWO. Prof. dr hab. inż. Andrzej Zieliński Katedra Inżynierii Materiałowej Pok. 204

WPŁYW RODZAJU MASY OSŁANIAJĄCEJ NA STRUKTURĘ, WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE I ODLEWNICZE STOPU Remanium CSe

Wykład 8: Lepko-sprężyste odkształcenia ciał

ZAKRES AKREDYTACJI LABORATORIUM BADAWCZEGO Nr AB 185

Dobór materiałów konstrukcyjnych cz. 10

Materials Services Materials Poland. Tworzywa konstrukcyjne

Nowe przyjazne dla Środowiska kompozyty polimerowe z wykorzystaniem surowców odnawialnych

Rok akademicki: 2016/2017 Kod: RBM ET-s Punkty ECTS: 3. Poziom studiów: Studia II stopnia Forma i tryb studiów: Stacjonarne

BIOTRIBOLOGIA I APLIKACJE MEDYCZNE

Projekt: Nowe przyjazne dla środowiska kompozyty polimerowe z wykorzystaniem surowców odnawialnych

RHEOTEST Medingen Reometr rotacyjny RHEOTEST RN oraz lepkościomierz kapilarny RHEOTEST LK Zastosowanie w chemii polimerowej

III Konferencja: Motoryzacja-Przemysł-Nauka ; Ministerstwo Gospodarki, dn. 23 czerwiec 2014

Zużycie w eksploatacji maszyn Wear in machine operation. Mechanika I budowa maszyn I stopnia ogólnoakademicki studia stacjonarne

Sylabus modułu kształcenia/przedmiotu

Karta danych materiałowych. DIN EN ISO 527-3/5/100* minimalna wartość DIN obciążenie 10 N, powierzchnia dolna Współczynik tarcia (stal)

Program kształcenia i plan studiów podyplomowych: Tworzywa sztuczne w budowie maszyn

Karta danych materiałowych. DIN EN ISO 527-3/5/100* minimalna wartość DIN obciążenie 10 N, powierzchnia dolna Współczynik tarcia (stal)

BADANIA MIESZANEK MINERALNO-ASFALTOWYCH W NISKICH TEMPERATURACH

Dobór materiałów konstrukcyjnych cz. 7

BADANIA PÓL NAPRĘśEŃ W IMPLANTACH TYTANOWYCH METODAMI EBSD/SEM. Klaudia Radomska

NUMERYCZNA ANALIZA ROZKŁADÓW NACISKU WYSTĘPUJĄCYCH W STANDARDOWYCH WĘZŁACH TRIBOLOGICZNYCH

CIEPLNE I MECHANICZNE WŁASNOŚCI CIAŁ

7 czerwca

KARTA PRZEDMIOTU. 10. WYMAGANIA WSTĘPNE: 1. Ma podstawową wiedzę w zakresie podstaw chemii oraz fizyki.

Nauka o Materiałach dr hab. inż. Mirosław Bućko, prof. AGH B-8, p. 1.13, tel

Program kształcenia i plan studiów podyplomowych: Tworzywa sztuczne w budowie maszyn

INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

Opis efektów kształcenia dla modułu zajęć

PL B1. Sposób wytwarzania modyfikatora do polistyrenu niskoudarowego i zmodyfikowany polistyren niskoudarowy

Nauka o Materiałach Wykład I Nauka o materiałach wprowadzenie Jerzy Lis

Angelika Duszyńska Adam Bolt WSPÓŁPRACA GEORUSZTU I GRUNTU W BADANIU NA WYCIĄGANIE

Zastosowanie MES do wyjaśnienia mechanizmu zużywania w węzłach tarcia

Taśma termokurczliwa SB C 50

TRYBO INNOWACJE: Drukowane tak dokładne, jak wtryskiwane.

Wojciech Wieleba BEZOBSŁUGOWE ŁOŻYSKA ŚLIZGOWE Z POLIMERÓW TERMOPLASTYCZNYCH

SPECYFIKACJA TECHNICZNA SZTUCZNEGO LODOWISKA

Dobór materiałów konstrukcyjnych cz. 11

KLASYFIKACJI I BUDOWY STATKÓW MORSKICH

ODKSZTAŁCENIE NOWEJ GENERACJI POLIMERÓW NA IMPLANTY MEDYCZNE W ŚWIETLE PRÓBY ŚCISKANIA

Mechanika i Budowa Maszyn II stopień (I stopień / II stopień) Ogólno akademicki (ogólno akademicki / praktyczny)

PLAN STUDIÓW Wydział Chemiczny, Wydział Mechaniczny, Wydział Fizyki Technicznej i Matematyki Stosowanej Inżynieria materiałowa. efekty kształcenia

CHARAKTERYSTYKA KOMPOZYTÓW Z UWZGLĘDNIENIEM M.IN. POZIOMU WSKAŹNIKÓW WYTRZYMAŁOŚCIOWYCH, CENY.

ZMODYFIKOWANE BIOMATERIAŁY METALOWE I POLIETYLENOWE STOSOWANE W ALLOPLASTYCE STAWU BIODROWEGO I KOLANOWEGO

KONTROLA JAKOŚCI MATERIAŁÓW I WYROBÓW QUALITY CONTROL OF MATERIALS AND PRODUCTS. Liczba godzin/tydzień: 1W, 2L PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

2.1.M.07: Wpływ warunków zużycia na własności powierzchni materiałów inżynierskich

WYNIKI BADAŃ. Otrzymane wyniki podzielono na kilka grup, obejmujące swym zakresem: Parametry charakteryzujące wyrób.

Dobór materiałów konstrukcyjnych

ZAKRES AKREDYTACJI LABORATORIUM BADAWCZEGO Nr AB 342

ELEMENTY TRIBOLOGII Elements of Tribology. forma studiów: studia stacjonarne Liczba godzin/tydzień: 2W, 1L PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

Transkrypt:

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

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 60 000 3 000 000 Polietylen o ultra dużym ciężarze cząsteczkowym PE-UHMW Średni ciężar cząsteczkowy 3 000 000 12 000 000 3 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 200 400 600 1400 750 2000 8 12 20 32 33-30 +70 ºC -30 +85 ºC -200 +80 ºC 4 2

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

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

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

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

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

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

Zużycie PE-UHMW 17 M. Gierzyńska-Dolna, Zużycie PE-UHMW 18 Dr. S. Mischler - Lecture S. Mischler (10.11.2006) 9

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

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

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

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

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

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 (10.11.2006) 15

Low Wear materials 31 Dr. S. Mischler - Lecture (10.11.2006) Materiały niskiego zużycia Materiały stosowane w węzłach tarcia endoprotez niskiego zużycia low wear 32 S. Mischler 16

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 0,044 316L 0,078 0,065 0,156 0,123 0,097 0,061 U- ruch jednostrony (unidirectional), R- ruch zwrotny (reciprocating). 34 17

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 =

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

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

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

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