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FEM-Simulation einer Knieprothese

ANSYS in der Orthopädietechnik

Branche: MedizintechnikFachgebiet: Strukturmechanik

​​​​​​Für die Verwirklichung eines neuartigen Hydraulik-Kniegelenks wurden bei der Firma Streifeneder ortho.production mit ANSYS FEM-Simulation neue Wege beschritten.

Zusammenfassung

Aufgabe

​Ziel der Entwicklung der mit neuen technischen Eigenschaften versehenen Knieprothese KINEGENstream ist es einen weiteren Anwenderbereich mit höheren Aktivitätsgraden (Mobilitätsgrad 3 – 4, Körpergewicht: bis zu 150 kg) abzudecken. So ist diese Prothese für den uneingeschränkten Aussenbereichsgeher mit unlimitierten Geh- und Mobilitätsansprüchen gedacht.

Lösung

Um die Verformungs- und Spannungssituation kritischer Bauteile der Knieprothese ermitteln und beurteilen zu können wurden die Versuche mittels FEM Simulationen in der Ansys® Workbench™ Umgebung nachgebildet.

Kundennutzen

Kritische Bereiche konnten identifiziert und konkrete Verbesserungen der Struktur aufgrund der Erkenntnisse umgesetzt werden. Die Zahl der notwendigen Prüfstandsversuche ist reduziert worden.

Projektdetails

Aufgabe

Um den Anwenderbereich für Knieprothesenträger zu erweitern, hat die Firma Streifeneder ortho.production GmbH ein neu entwickeltes, hydraulisches Kniegelenk auf den Markt gebracht. Es ist für Personen bis zu einem Körpergewicht von 150 kg und mit hohem Aktivitätsgrad vorgesehen. Im Unterschied zu bisherigen Entwicklungen handelt es sich hierbei um ein Kniegelenk mit vielgelenkiger Achsenanordnung. Zur Untersuchung des Zeitfestigkeitsverhaltens des Gelenks wurden Prüfstandsversuche mit 3x106 Lastwechseln durchgeführt.


Nutzen für den Kunden

Die Zahl der notwendigen Prüfstandsversuche konnte reduziert werden, weil die Tests mit vorab per Simulation verbesserten Kniegelenken durchgeführt werden. Der Einsatz kostenintensiver Materialien für die Herstellung konnte vermieden werden. Nicht nur die Ergebnisse der Simulation überzeugten die Mitarbeiter der Firma Streifeneder. Auch das intuitive Programmhandling und die Vielzahl an Möglichkeiten der Ergebnisaufbereitung in ANSYS Workbench führte dazu, dass man schnell einen Effizienzgewinn für die Produktentwicklung durch den konsequenten Einsatz von Simulationstechniken erzielen konnte.


Lösung

​Um die Verformungs- und Spannungssituation kritischer Bauteile der Knieprothese ermitteln und beurteilen zu können wurden die Versuche mittels FEM-Simulationen in der ANSYS-Workbench Umgebung nachgebildet. Die Beweglichkeit der einzelnen Bauteile zueinander wurde an den Gelenkpunkten mit Hilfe von nichtlinearen reibungsfreien Kontakten sichergestellt. Die wesentlichen Bauteile des Versuchsprüfstands wurden im FE-Modell idealisiert betrachtet.​


Berechnungsingenieur

Produkt-Anwendungen im Projekt