Podcasts about e modul

Ziel dieser Arbeit war es, die Validität eines numerischen Finite-Elemente Menschmodells anhand von Freiwilligenversuchen zu überprüfen und Materialmodelle für relaxierte und aktivierte Muskeln zu optimieren bzw. zu parametrisieren. Das verwendete Modell wurde im Rahmen des EU-Forschungsprojekts HUMOS für den Einsatz in der Fahrzeug-Crash-Simulation entwickelt. Aufgrund fehlender bzw. nicht geeigneter Studien in der Literatur wurden zwei Versuchsanordnungen entwickelt, um Daten für die Validierung aktiver Menschmodelle zur Verfügung stellen zu können. Für die Validierung der Kinematik wurde eine Pendelanordnung entworfen. Dabei wird ein Freiwilliger mit relaxierter und voraktivierter Muskulatur mit einem 5kg/10kg schweren Pendel frontal, dorsal und lateral angestoßen. Für die Aufnahme der Probandenbewegung kam ein Bewegungsanalysesystem (Motion Analysis) mit acht Hochgeschwindigkeitskameras zum Einsatz. Die Muskelaktivität von Nacken-, Abdomen- und Rückenmuskeln wurde mittels Oberflächenelektroden erfasst. Muskelantwortzeiten dienten dazu, Muskelelemente in der Simulation anzusteuern. Anhand gemittelter Bewegungsamplituden sollte ein Vergleich der Gesamtkinematik zwischen Versuch und Simulation die Validität des Modells im Niedrigenergiebereich zeigen. Der zweite Versuchsaufbau ist ein Fallprüfstand, bestehend aus einem vertikalen Fallrohr und einem Fallkörper, dem sog. Impaktor. Dieser trifft aus unterschiedlichen Fallhöhen auf den relaxierten bzw. angespannten Muskelbauch (M. biceps brachii, M. rectus femoris, M. biceps femoris). Ein im Impaktor installierter Beschleunigungsaufnehmer registriert die Akzelerationen beim Auftreffen auf den Muskel. Die Beschleunigungsverläufe repräsentieren muskelaktivierungsabhängige Deformationscharakteristiken, anhand derer eine Parameteridentifikation des entsprechenden Materialmodells durchzuführen ist. Die Versuchsergebnisse lassen sich folgendermaßen zusammenfassen: - Es zeigen sich höhere Bewegungsamplituden in Versuchen mit relaxierter Muskulatur, eine charakteristische Kopfkinematik sowie Muskelantwortzeiten zw. 15ms und 90ms. - Der Impaktor zeigt mehrere Rebounds bei aktivierter Muskulatur (mehrere Beschleunigungsspitzen) und nur eine Beschleungigungsspitze bei relaxierte Muskulatur. Die Simulationen der dargestellten Versuche mit dem aktuellen HUMOS-Modell zeigen: - Das aktuelle Modell ist auch ohne Muskelansteuerung zu steif. Ursache dafür ist in der unzureichenden Abbildung der Abdomen-, Thorax- und Nackenweichteile zu sehen. - Die Abbildung aktivier Kinematik unter Verwendung von Hill-Muskelelementen ist grundsätzlich möglich. - Das aktivierungsabhängige Deformationsverhalten von Muskelweichteil ist mit einem linear-viskoelastischen Material zu reproduzieren. Eine Ableitung konsistenter und interpretierbarer mechanischer Kenngrößen (E-Modul) aus den Modellparametern ist allerdings nicht möglich. Die Abbildung einer aktiven Kinematik ist derzeit mit dem verwendeten Modell nicht möglich. Eine detaillierte Modellierung der Weichteile sowie eine umfangreiche Validierung des Modells ist Voraussetzung für eine sinnvolle Applikation des Menschmodells.

Ziel dieser Arbeit war es, die existierende Infrastruktur und Messmethodik für die Beurteilung von Zahnrestaurationsmaterialien zu verbessern und zu erweitern, mit der Intention eine komplexe Materialcharakterisierung unter simulierten klinischen Bedingungen durchzuführen, die eine Interpretation des Materialverhaltens, sowie die Optimierung der Werkstoffe erlauben soll. Für die Konkretisierung der Messverfahren wurden in dieser Arbeit, aus einer in den letzten drei Jahren angelegten Materialdatenbank, acht Zahnrestaurationsmaterialien ausgewählt. Hierfür wurden sowohl physikalische Materialeigenschaften (Festigkeit und E-Modul im Biege-, Druck und diametralen Zugversuch, Bruchzähigkeit, mechanische Eigenschaften gemessen in einem Univer-salhärteversuch, Kriechverhalten, Härte, Polymerisationsschrumpfung) als auch der Einfluss der Polymerisationsquelle und Alterung durch Wasserlagerung und der Verbund zwischen Restaurationsmaterial und Zahnhartsubstanz, präsentiert. Als neue Untersuchungsmethoden wurden die indirekte Beurteilung der Polymerisationsgüte und Alterung, die Bestimmung der mechanischen Eigenschaften im Universalhärteversuch sowie ein Mikrozug-Prüfverfahren für die Beurteilung der Haftfestigkeit zwischen Zahnhartsubstanz und Restauration evaluiert. Korreliert mit Messungen der Polymerisationsschrumpfung, erlauben die neuen Methoden eine komplexe Charakterisierung der gesamten Restauration. Für die Abhängigkeit der Härte von der Belichtungsart und Alterung kann zusammenfassend abgeleitet werden, dass die 80% Reduktion der Vickershärte durch die Polymerisation mit LED-Lampen in den Programmen, die entweder eine geringere Intensität oder einen langsamen Anstieg der Lichtintensität aufweisen, in eine zunehmende Tiefe erreicht wird. Die Halogenlampen und eine schnelle Polymerisation schnitten entscheidend schlechter ab. Hingegen wurde die höchste Vickershärte mit der Halogenlampe und den Pulse-Programm der LED-Lampe GC erreicht. Die Polymerisation mit der Plasmalampe und den Lichtofen, sowie mit der niedrig energe-tischen LED Lampe Freelight 1, verursachten schlechtere Ergebnisse. Weiterhin zeigte sich, dass, mit Ausnahme des Pulse Programms der Lampe GC, die Lichtdosis eine entscheidende Rolle für die Qualität der Polymerisation spielt. Die Polymerisation mit der Lampe GC im Fast Cure Programm wird durch die unzureichende Härte und Dicke der polymerisierbaren Schicht nicht empfohlen. Für die Polymerisation mit der Plasmalampe Easy Cure wird eine längere Belichtungszeit empfohlen, da nach 6 s der 80%-Härtewert schon in einer Tiefe von 1,7 mm erreicht wurde. Für eine Reduktion der Belichtungszeit (12 s) bei gleichzeitiger hoher Härte und geringer Polymerisationsschrumpfung erwies sich die Lampe GC im Pulse-Programm als sehr effektiv. Weiterhin ist zu beachten, dass die geringeren Polymerisationsspannungen durch die LED-Lampen erreicht wurden, während die Plasma- und die Halogenlampe zwei bis drei mal höheren Spannungen verursachten. In der Studie der Haftfestigkeit an Dentin, zeigten alle Materialien eine auszureichende Polymerisation in den tiefen Klasse 1 Kavitäten. Die Härte an der Grenze zum Dentin ist wesentlich höher als der 80 % Wert der maximalen Härte und korreliert gut mit der Polymerisationsspannung. Eine hohe Polymerisationsspannung und ein hoher E-Modul (bzw. Vickershärte) wirkten sich negativ auf die Haftfestigkeit aus. Ein niedriger E-Modul bewirkte nur bedingt eine hohe Haftfestigkeit, jedoch einen reduzierten Verlust bei der Herstellung der Proben für den Mikrozugversuch. Bei einer ausreichenden Polymerisation an der Grenze zum Dentin, zeigten die getesteten Materialien eine gute Korrelation der Polymerisationsspannung mit der Haftfestigkeit. Für alle acht dargestellten Hybrid- und mikrogefüllten Kompositen wurden die Anforderungen der ISO 4049 und der American Dental Association Specifications erfüllt. Bezogen lediglich auf die Monomermatrixzusammensetzung, wirkte sich die Modifikation der Matrix durch Zugabe von UDMA auch in dieser Studie positiv auf die Biegefestigkeit aus. Außerdem zeigte die Weibullanalyse auch hohe Weibullparameter für diese Materialien, was auf eine gute Zuverlässigkeit zurückschließen läst. Die Schlussfolgerung der Asmussen Studie (1998) nach der auch die diametrale Zugfestigkeit mit dem Anteil an UDMA im Monomergemisch signifikant steigt, konnte in dieser Studie jedoch nur partiell bewiesen werden, wohingegen die Annahme, dass der E-Modul mit dem UDMA Gehalt sinkt, bestätigt wurde. Eine nichtparametrische Korrelationsanalyse der Festigkeiten, gemessen in den drei Belastungsarten ergab, dass zwischen der Biege- und Druckfestigkeit keine Korrelation existiert, die Biege- und diametrale Zugfestigkeit korrelieren nur schwach miteinander. Zwischen Druckfestigkeit und diametraler Zugfestigkeit ist jedoch die Korrelation auf dem Niveau von 0,01 zweiseitig signifikant. So kann zwischen Zug-, Biege- und Druckfestigkeit keine eindeuti-ge Abhängigkeit festgestellt werden. Die E-Moduli gemessen in allen vier Belastungsarten korrelie-ren gut miteinander.

In einer In-vitro-Untersuchung sollten Erkenntnisse über den Verschleißvorgang kommerzieller und experimenteller Füllungsmaterialien gewonnen werden. Schwerpunkte der Studie waren die Verschleißquantifizierung, der Einfluss elastischer Eigenschaften auf die Verschleißfestigkeit und die zugrunde liegenden mikromorphologischen Verschleißmuster. Zur Erstellung einer Datenbasis wurden kommerzielle Komposite mit unterschiedlichen rheologischen Eigenschaften verwendet. Von der Firma Degussa/Dentsply wurden Blindproben experimenteller Komposite mit Füllkörpervariationen des Hydroxylapatit- und Präpolymerisatgehaltes sowie experimentelle Komposite mit differierendem Anteil an porösen Füllkörpern und unterschiedlichem Silanisierungsgrad zur Verfügung gestellt. Die Kompositmatrix war für beide experimentellen Gruppen unterschiedlich. Die Verschleißprüfung der Materialproben wurde in der ACTA-Maschine (Fa. Willytec, München) als Dreikörperverschleiß durchgeführt, die als internationaler Standard gilt [De Gee, 1994]. Die Oberflächenermüdung der Materialien wurde von den Verschleißmechanismen Abrasion und Erosion in der ACTA-Maschine überlagert, daher erfolgte zusätzlich ein Zweikörperverschleiß zur Oberflächenermüdung im Fatigue-Tester (Fa. Willytec, München). Alle Proben wurden nach der Verschleißprüfung mit einem computergesteuerten Perthometer vermessen. Daneben wurden 60 ausgewählte Proben vergleichend mit einem neu entwickelten Probeneinsatz (Fa. Willytec, München) im Laserscanner dreidimensional erfasst und, gleich den Perthometerdaten, mit dem Programm Match 3D ausgewertet. Von allen Materialien wurde mit Hilfe des Fischerscopes (Fa. Fischer, Sindelfingen) der Elastizitätsmodul ermittelt. Zur Ergänzung der Verschleißdaten wurden Aufnahmen der Probenoberflächen mit dem Rasterelektronenmikroskop erstellt, um einen Einblick in mikromorphologische Verschleißmechanismen zu erhalten. Das Verschleißverhalten der Komposite wurde von den Füllkörpern dominiert, mit vernachlässigbarem Einfluss der Matrix. Bei den kommerziellen Kompositen war aufgrund der hohen E-Modul-Varianz eine Korrelation der rheologischen Eigenschaften und des Verschleißverhaltens gegeben. Die Verschleißdaten der experimentellen Materialien korrelierten nicht mit dem E-Modul der Materialien. Der prozentual geringe Hydroxylapatit- und Präpolymerisatgehalt führte bei den experimentellen Kompositen gegenüber der Kontrollgruppe ohne ihren Zusatz nicht zu einer höheren Verschleißfestigkeit, was auf einen frühzeitigen Verlust des unsilanisierten Hydroxylapatites und den überlagernden Einfluss der Glasfüllkörper zurückzuführen ist. Die porösen Füller der experimentellen Komposite beeinflussten das Verschleißverhalten in beiden Testreihen unterschiedlich. Während in der ACTA-Maschine kein oder ein geringer Anteil an porösen Füllkörpern zu einem signifikant schlechtem Verschleißverhalten führte, ist diese Korrelation nach der Oberflächenermüdung im Fatigue-Tester nicht gegeben. Kein direkter Einfluss auf den Verschleiß der Komposite konnte der Silankonzentration der porösen Füllkörper zugeschrieben werden. Das Komposit mit 12 Gew.% porösen Füllern und zehnprozentiger Silanisierung schien die optimale Zusammensetzung in Bezug auf die Verschleißresistenz zu sein. Die rasterelektronenmikroskopischen Aufnahmen der experimentellen Materialien zeigten füllkörperdominierte Oberflächendefekte. Neben Füllkörperfehlstellungen, Matrixauswaschung an Korngrenzen oder dem Lösen von Glasfüllkörpern, wurde bei den experimentellen Kompositen der Verlust von Hydroxylapatitpartikeln beobachtet. Bei den experimentellen Kompositen mit porösen Füllkörpern war die Degradation der großen porösen Gläser in verschiedenen Stufen zu erkennen. Angefangen mit Rissen auf der Oberfläche und angelösten Randbereichen, traten Füllkörperfrakturen und der Verlust ganzer Füllkörper auf. In der vorliegenden Arbeit konnten interessante Wege der Verbesserung der Verschleißfestigkeit von Kompositen gewonnen werden und Verschleißmuster nach Zweikörper- und Dreikörperbelastung belegt werden.