Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

Research on Friction Wear of Hip Joint Endoprostheses of Polyethylene-Metal Material Combination on Hip Joint Simulator

Wiśniewski T., Wielowiejska-Giertuga A., Rubach R., Łapaj Ł., Magda J.

Tribologia

|

2018

|

nr 5

153--158

EN

The article presents the results of friction wear tests of hip joint endoprostheses. The study comprised tests of endoprostheses, commercially available on the European market, used in total hip arthroplasty. The friction pair was formed by an actual cupacetabular cup made of ultra-high molecular weight polyethylene (PE-UHMW) along with a head having a diameter of 28 mm made of stainless steel FeCrNiMnMoNbN. The friction and wear tests were performed using an SBT 01.2 hip joint simulator of the authors’ own design, which was constructed taking into account the ISO 14242-1 standard. Bovine serum was used as the lubricant. The tests of each friction pair were made up to 5·106cycles of motion. During the tests, simulator operation was interrupted every 5·105 cycles to replace the lubricating liquid, and mass control was performed every 1·106 cycles. Prior to testing, the polyethylene cup was soaked in the lubricant to minimize liquid absorption during the test. Proper preparation of the cup and testing by taking into account a control group weight measurement allowed an accurate determination of the mass loss of the polyethylene cup.

PL

Przedstawiono wyniki badań tarciowo-zużyciowych endoprotez stawu biodrowego. Materiał badany stanowiły endoprotezy komercyjne dostępne na rynku europejskim, stosowane w alloplastyce całkowitej stawu biodrowego. Parę trącą tworzyła panewka wykonana z polietylenu o ultrawysokiej masie cząsteczkowej PE-UHMW wraz z głową o średnicy 28 mm wykonaną ze stali o symbolu producenta SS (FeCrNiMnMoNbN). Badania tarciowo-zużyciowe przeprowadzono przy użyciu symulatora ruchu stawu biodrowego SBT 01.2 własnej konstrukcji, który skonstruowany został w oparciu o normę ISO 14242-1. Jako medium smarujące zastosowano surowicę bydlęcą, która przygotowywana była do testów zgodnie z wytycznymi opisanymi w normie ISO 14242-1. Dla każdej pary trącej zadana liczba cykli ruchu wynosiła 5·106. W trakcie trwania testów, co 5·105 cykli praca symulatora była przerywana celem wymiany cieczy smarującej, a co 1·106 przeprowadzano kontrolę masy próbek. Przed przystąpieniem do testów tarciowo-zużyciowych polietylenowa panewka namaczana była w cieczy smarującej celem zminimalizowania absorpcji cieczy w trakcie trwania testu. Odpowiednie przygotowanie panewek oraz przeprowadzenie testu z uwzględnieniem grupy kontrolnej pozwoliło na określenie zużycia masowego panewek polietylenowych.

2

Fretting Corrosion Studies of Materials Used for Elements of Hip Joint Endoprostheses

Wielowiejska-Giertuga A., Wiśniewski T., Rubach R.

Tribologia

|

2018

|

nr 5

143--151

EN

The operational durability of a hip endoprosthesis depends, among others, on the intensity of the damage processes of kinematic junction elements caused by fretting corrosion processes. In the article, the results of comparative studies on the fretting corrosion resistance of alloys commonly used for hip joints, i.e. Ti6Al4V, CoCrMo, stainless steel M30NW, and 316LVM, are presented. The research was carried out by means of a tribological pin-on-disc tester working in reciprocating motion, integrated with a potentiostat equipped with a triac electrode. The tribosystem was a pin pressed by a constant force to a reciprocating disc with a certain amplitude and frequency. The tests were carried out in a medium of aqueous bovine serum heated to 37°C. The conducted comparative tests of the above mentioned materials will allow selection of the best material combination in terms of tribological and fretting corrosion resistance. Under optimized conditions, the modified oils obtained a needed appropriate viscosity class.

PL

Trwałość eksploatacyjna endoprotez stawu biodrowego zależna jest między innymi od intensywności procesów niszczenia elementów połączeń kinematycznych wywołanych procesami korozji frettingowej. W artykule przedstawiono wyniki porównawczych badań odporności na korozję frettingową stopów powszechnie stosowanych na elementy endoprotez stawu biodrowego: Ti6Al4V, CoCrMo, M30NW oraz 316LVM. Badania realizowano za pomocą testera tribologicznego typu pin-on-disc pracującego w ruchu posuwisto-zwrotnym, zintegrowanego z potencjostatem wyposażonym w układ trójelektrodowy. Skojarzenie badawcze stanowił trzpień dociskany ze stałą siłą do płytki poruszającej się ruchem posuwisto-zwrotnym o określonej amplitudzie i częstotliwości. Testy przeprowadzono w środowisku roztworu wodnego surowicy bydlęcej podgrzanej do temperatury 37°C. Przeprowadzone testy porównawcze wymienionych materiałów pozwolą na wytypowanie najkorzystniejszego skojarzenia materiałowego pod względem tribologicznym oraz odporności na fretting-korozję.

3

Badania tribologiczne materiałów przeznaczonych na elementy łożysk tocznych

Chruściński M., Wielowiejska-Giertuga A., Garbiec D., Rubach R., Ziółkiewicz S.

Obróbka Plastyczna Metali

|

2017

|

T. 28, nr 4

239--250

PL

W artykule przedstawiono wyniki badań tribologicznych materiałów zastosowanych na elementy łożysk tocznych. Celem badań było określenie właściwości tribologicznych elementów wielkogabarytowego łożyska tocznego krzyżowego, wykonanych ze stopu aluminium serii 6xxx, metodami obróbki plastycznej oraz serii 7xxx metodami metalurgii proszków. Badania zrealizowano z wykorzystaniem testera tribologicznego T-05 (ITeE – PIB) pracującego w układzie badawczym typu blok – pierścień. Do badań tribologicznych wytypowano skojarzenie separator – pierścień łożyska (aluminium – aluminium) oraz separator – rolka (aluminium – stal). Próbkę stanowił nie-ruchomy blok z promieniem, wykonany ze stopu aluminium EN AW-6060 lub EN AW-7075 dociskany stała siłą F = 100 N do przeciwpróbki, którą był pierścień wykonany ze stopu aluminium EN AW-7075 po procesie anodowania lub ze stali 100Cr6, obracający się ze stałą prędkością 100 obr/min. Testy tarciowo-zużyciowe zrealizowano na drodze tarcia 2000 m w temperaturze otoczenia (23°C) bez udziału środka smarnego, z zastosowaniem warstwy proszku nanoMoS2, z zastosowaniem smaru Tytalit lub z zastosowaniem warstwy proszku nano-MoS2 i smaru Tytalit. Proszek nano-MoS2 nanoszono na powierzchnię współpracującą bloku metodą kulowania, a smar Tytalit nakładano na powierzchnię współpracującą pierścienia bezpośrednio przed rozpoczęciem testu. Wykazano, że naniesienie na współpracującą powierzch-nię bloku warstwy proszku nano-MoS2 oraz wprowadzenie do strefy tarcia smaru Tytalit, wpłynęło znacząco na zmniejszenie oporów tarcia w badanych węzłach tarcia, a tym samym zmniejszyło zużycie materiału.

XX

This article presents the results of tribological tests of materials applied in roller bearing parts. The goal of tests was to determine the tribological properties of parts of a large-size cross roller bearing made from 6xxx-series aluminum alloy by means of metal forming methods and from 7xxx-series aluminum alloy by means of powder metallurgy methods. Tests were conducted using a T-05 tribological tester (ITeE - PIB) working in a block – ring testing system. The bearing’s separator – ring (aluminum – aluminum) and separator – roller (aluminum – steel) pairs were selected for friction tests. The sample was an immobile block with a ray, made from EN AW-6060 or EN AW-7075 aluminum alloy, pressed with a constant force of F = 100 N to the countersample, which was a ring made from anodized EN AW-7075 aluminum alloy or 100Cr6 steel, rotating at a constant speed of 100 rpm. Friction and wear tests were performed over a friction path of 2000 m at ambient temperature (23°C) without lubricant, with the application of a nano-MoS2 powder layer, with the application of Tytalit grease, or with the application of a layer of nanoMoS2 powder and Tytalit grease. Nano-MoS2 powder was applied to the friction surface of the block by ball burnishing, and Tytalit grease was applied to the friction surface of the 2 ring immediately prior to testing. It was demonstrated that applying a nano-MoS2 powder layer to the block’s friction surface and introducing Tytalit grease into the friction zone significantly reduced friction resistance in the tested friction pairs and thus reduced material wear.

4

The effect of an accelerated ageing process on tribological wear of polimeric elements in joint endoprostheses

Mróz A., Wielowiejska-Giertuga A., Wiśniewski T., Barczewski M., Łapaj Ł., Gierzyńska-Dolna M.

Tribologia

|

2016

|

nr 2

73--85

EN

The polymeric components of endoprostheses in in vivo conditions are subjected to the oxidation process (ageing). The paper presents the results of friction and wear testing performed with use of a knee-joint simulator. The polymeric parts were machined from UHMWPE and UHMWPE modified with the addition of vitamin E. The calorimetric analysis and tribological testing results confirm the negative effect of accelerated ageing in oxygen atmosphere on the tribological properties of UHMWPE as well as the antioxidative properties of vitamin E.

PL

Polimerowe komponenty endoprotez w warunkach in vivo ulegają procesowi starzenia (utleniania). W artykule przedstawiono wyniki badań tarciowo-zużyciowych endoprotez stawu kolanowego. Komponenty polimerowe wykonano z UHMWPE i UHMWPE modyfikowanego witaminą E. Wyniki badań kalotometrycznych i tribologicznych potwierdziły negatywny wpływ procesu przyspieszonego starzenia w atmosferze tlenu na właściwości strukturalne i tribologiczne UHMWPE oraz antyoksydacyjne właściwości witaminy E.

5

Stand for tribological testing of hip endoprostheses

Wiśniewski T., Mróz A., Magda J., Wielowiejska-Giertuga A.

Tribologia

|

2016

|

nr 6

167--177

EN

The paper presents a new construction of hip-joint simulator. The SBT-01.2 simulator is designed for conducting tribological testing of hip endoprostheses based on ISO 14242-1, which specifies the requirements for the range of motion and load characteristics of the friction pair (femoral head vs. acetabular cup) during one test cycle. The construction of the simulator is based on the anatomical structure of the human hip joint. The prosthesis acetabulum is mounted in the upper part of the mounting head while maintaining the inclination angle relative to the axis of the socket to the direction of the loading force. The head of the prosthesis is mounted on a pin embedded in the bottom, movable base. After placing a special sleeve on the lower base, liquid lubricant is applied on the head-cup tribological system. The employed software enables continuous control, online visualization, and data recording. During testing, parameters such as lubricant temperature, instantaneous loading force, friction torque, and the number of cycles are recorded.

PL

W artykule przedstawiono nową konstrukcję symulatora ruchu stawu biodrowego. Symulator SBT-01.2 przeznaczony jest do realizacji badań tribologicznych endoprotez stawu biodrowego w oparciu o normę ISO 14242-1, która określa wymogi dotyczące zakresu ruchów i charakterystyki obciążenia pary trącej (głowa-panewka) w czasie jednego cyklu badawczego. Konstrukcja symulatora oparta została na anatomicznej budowie stawu biodrowego człowieka. Panewka endoprotezy zamontowana jest w górnej części w głowicy mocującej z zachowaniem kąta inklinacji osi panewki względem kierunku przyłożenia siły obciążającej. Głowa endoprotezy mocowana jest na trzpieniu osadzonym w dolnej, ruchomej podstawie. Po założeniu specjalnego rękawa na dolnej podstawie układ tribologiczny głowa-panewka zalewany jest cieczą smarującą. Zastosowane oprogramowanie umożliwia stałą kontrolę, wizualizację online i zapis danych. Podczas testu rejestrowane są takie parametry jak: temperatura cieczy smarującej, chwilowa wartość siły obciążającej, moment siły tarcia i aktualna liczba cykli.

6

Fretting corrosion of cobalt and titanium implant alloys in simulated body fluids

Sulej-Chojnacka J., Wielowiejska-Giertuga A., Mróz A., Delfosse D.

Tribologia

|

2016

|

nr 6

149--158

EN

The most important advantage of using modular hip joint endoprostheses is the possibility to adapt the endoprosthesis to the morphology and size of individual patients. However, the additional contact surface is subjected to fretting wear due to mutual micro displacements and the aggressive chemistry of the environment inside the human body (fretting corrosion). Today’s hip endoprostheses are generally composed of a hip stem, a femoral ball head and an acetabular cup (Figure 1). The hip stem is made of stainless steel, CoCrMo or a Ti alloys. The femoral ball head is made of stainless steel, CoCrMo, or a ceramic material. In the case of a modular hip stem, i.e. with a modular neck portion, the materials used are generally CoCrMo and Ti6Al 4V. (The interface between femoral ball head and the acetabular cup is an articulating surface and not the subject of this research project.)

PL

Najważniejszą zaletą stosowania endoprotez modularnych stawu biodrowego jest możliwość adaptacji wymiarowej endoprotezy do osobniczych cech pacjentów. Niemniej, dodatkowa powierzchnia kontaktu narażona jest na zużycie wskutek wzajemnych mikroprzemieszczeń i agresywnego działania środowiska (korozja frettingowa). Współcześnie stosowane endoprotezy stawu biodrowego zbudowane są z trzpienia, głowy oraz panewki (Rys. 1). Trzpień wykonany jest ze stali nierdzewnej, CoCrMo lub stopu tytanu. Głowa endoprotezy wykonana jest ze stali nierdzewnej, COCrMo lub materiału ceramicznego. W przypadku endoprotez modularnych, gdzie połączenie modularne znajduje się w części szyjkowej trzpienia endoprotezy, w większości stosowanymi materiałami są CoCrMo oraz Ti6Al4V. W ramach niniejszej pracy dokonano badań porównawczych odporności na korozję frettingową trzech najczęściej spotykanych skojarzeń materiałowych występujących w połączeniach modularnych endoprotez całkowitych stawu biodrowego (CoCrMo-CoCrMo, CoCrMo-Ti6Al4V i Ti6Al4V-Ti6Al4V). Badania przeprowadzono z zastosowaniem testera tribologicznego pracującego ślizgowo w ruchu posuwisto-zwrotnym, zintegrowanego z potencjostatem wyposażonym w układ trójelektrodowy. Skojarzenie badawcze składało się z nieruchomego trzpienia dociskanego stałą siłą do płytki wykonującej ruch posuwisto-zwrotny z zadaną częstotliwością i amplitudą. Testy przeprowadzono w środowisku roztworu wodnego surowicy bydlęcej w temperaturze 37°C. Na podstawie uzyskanych wyników badań stwierdzono, że największą odporność korozyjną w warunkach statycznych wykazywała para trąca: CoCrMo-CoCrMo, natomiast najniższą wartość ΔE CoCrMo-Ti6Al4V. Potwierdzono także występowanie korelacji pomiędzy intensywnością procesu depasywacji spowodowanego niszczeniem mechanicznym warstwy wierzchniej a wartościami oporów tarcia w systemie tribologicznym.

7

Badania tarciowo-zużyciowe skojarzeń materiałowych typu metal–polimer znajdujących zastosowanie w implantach ortopedycznych

Wielowiejska-Giertuga A., Miler M., Sulej-Chojnacka J.

Obróbka Plastyczna Metali

|

2016

|

T. 27, nr 1

73--82

PL

Rosnące wśród pacjentów zapotrzebowanie na endoprotezy stawów, związane m.in. ze starzeniem się populacji, wymaga od współczesnej medycyny ciągłego postępu i udoskonalania stosowanych w implantologii materiałów. W pracy przedstawiono wyniki wstępnych badań tarciowo-zużyciowych materiałów wybranych spośród powszechnie stosowanych w endoprotezoplastyce stawu kolanowego. Badania przeprowadzono z zastosowaniem testera T-17 pracującego w skojarzeniu badawczym typu trzpień–płytka (block–on–disk), przeznaczonego do wyznaczania charakterystyk tribologicznych skojarzeń materiałowych współpracujących ślizgowo w ruchu posuwisto- -zwrotnym, ze szczególnym uwzględnieniem materiałów przeznaczonych na elementy protez stawów człowieka, np. polimerów. Wyznaczeniu charakterystyk tribologicznych oraz określeniu zużycia liniowego poddano trzpienie wykonane z polietylenu o ultrawysokiej masie cząsteczkowej (UHMWPE) oraz polietylenu UHMWPE modyfikowanego witaminą E. Materiał przeciwpróbki (płytki) stanowił stop CoCrMo. Badania prowadzono przez milion cykli w środowisku surowicy bydlęcej o temperaturze 37°C±2°C. Częstotliwość ruchu wynosiła 1 Hz±0,1 Hz. W celu określenia mechanizmu zużycia, powierzchnie trące badanych materiałów po testach poddano obserwacjom przy pomocy skaningowej mikroskopii elektronowej. Analiza uzyskanych wyników badań tribologicznych pozwoliła wskazać spośród badanych próbek korzystniejsze skojarzenie materiałowe, którym była para trąca: modyfikowany witaminą E polietylen UHMWPE–stop CoCrMo. Dla powyższej pary trącej odnotowano nieznacznie większe wartości współczynnika tarcia, ale jednocześnie mniejsze zużycie liniowe. Natomiast na podstawie obserwacji morfologii powierzchni określono główny mechanizm zużycia, którym było zużycie ścierno-adhezyjne.

EN

The growing demand among patients for endoprosthesis joints associated, among others, with an aging population, requires from modern medicine continuous progress and improvement of materials used in implantology. The paper presents the preliminary results of friction-wear tests of materials chosen from among those commonly used in knee endoprostheses. The tests were conducted using a T-17 tester working in a block-on-disk tribosystem designated to determine the tribological characteristics of material combinations articulating in a reciprocating motion with particular reference to the materials used for elements of human joint prostheses, e.g. polymers. The tribological characteristics were determined and the linear wear was identified for pins made of ultrahigh molecular weight polyethylene (UHMWPE) and UHMWPE modified with vitamin E. The counter specimen materials (discs) consisted of a CoCrMo alloy. The study was conducted throughout a million cycles in an environment of bovine serum at a temperature of 37°C±2°C. The frequency of movement was 1 Hz±0.1 Hz. In order to determine the wear mechanism, the friction surfaces of the tested materials were subjected to observation using scanning electron microscopy after testing. Analysis of the tribological test results enabled the authors to indicate from among the tested samples the most advantageous material combination, which was the vitamin E modified UHMWPE– CoCrMo alloy friction pair. For the above friction pair a slightly higher friction coefficient was recorded, but also at the same time reduced linear wear. In contrast, based on the surface morphology observations, the main wear mechanism was defined which was abrasive-adhesive wear.

8

Effect of manufacturing technology on tribological properties of Co28Cr6Mo alloy

Mróz A., Garbiec D., Jakubowicz J., Łapaj Ł., Wielowiejska-Giertuga A., Gierzyńska-Dolna M.

Inżynieria Materiałowa

|

2016

|

Vol. 37, nr 5

245--251

EN

The physical, chemical, mechanical properties of alloys used in endoprosthesis components in the osteoarticular system or dental implants depend not only on the chemical composition, but also on the applied production technology. The article presents the results of friction and wear testing of samples produced by selective laser melting and spark plasma sintering of the ASTM F75 alloy powder (Co28Cr6Mo alloy). As reference material, an ASTM F1537 LC rod was used from which samples were prepared by machining. The friction and wear tests were conducted by means of a tribological tester with a block-ring tribosystem. The tests were performed without lubricating fluid at ambient temperature. The test results constituted a comparison of the frictional resistance in contact with bearing steel 100Cr6 as well as a comparison of the wear values depending on the given friction pair load as a function of sliding distance. Analysis of the wear mechanism of the test materials was based on microscopic observation of the friction surfaces, chemical composition analysis of the surfaces using energy dispersive X-ray spectroscopy as well as roughness measurements. For the friction pair involving the reference sample, the friction coefficient was characterized by a constant value of about 0.40 regardless of the load or travelled sliding distance. In the case of the samples greater frictional resistance was found. The friction coefficient for the friction pairs involving samples produced using the technology of selective laser melting and spark plasma sintering varied in the range 0.50 to 0.62 and from 0.70 to 0.74. Based on the obtained results of weight loss, it was calculated that the reference material sample was characterized by the smallest wear coefficient, while the largest was demonstrated by samples produced by spark plasma sintering. Microscopic observations showed that regardless of the employed technology to produce the samples, the dominant type of wear was abrasive-adhesive wear. Analysis of the chemical composition of the tested material confirmed the tendency to form oxide layers on the surface. As a result of the ongoing wear, the roughness of the friction surfaces increased. The longer the sliding distance the sample travelled, the greater the increase in the Ra parameter value and the greater the force loading the friction couple.

PL

Właściwości stopów stosowanych na endoprotezy układu kostno-stawowego lub implanty stomatologiczne mogą różnić się nie tylko ze względu na skład chemiczny, ale także ze względu na zastosowaną technologię wytwarzania. W ostatnich latach obserwowano wzrost zainteresowania technikami addytywnymi oraz rozwój metod konsolidacji materiałów proszkowych, które w procesie spiekania wykorzystują zjawiska fizyczne towarzyszące przepływowi prądu elektrycznego. Przykładami takich technologii są odpowiednio selektywne przetapianie laserowe (SLM) oraz iskrowe spiekanie plazmowe (SPS). Dostępne publikacje wskazują na możliwość wykorzystania tych technologii do wytwarzania endoprotez, przy czym aspekt odporności na zużycie tribologiczne nie jest w tych pracach wystarczająco wyjaśniony. Celem podjętej pracy było porównanie odporności na zużycie tribologiczne i mechanizmu zużycia próbek wytworzonych z proszku stopowego ASTM F75 z zastosowaniem technologii SLM i SPS w odniesieniu do materiału referencyjnego ASTM F1537 LC.

9

Structural, Mechanical and Tribological Properties of Spark Plasma Sintered Ti6Al4V Alloy

Mróz A., Grabiec D., Wielowiejska-Giertuga A., Wiśniewski T., Gierzyńska-Dolna M., Matyła A.

Archives of Metallurgy and Materials

|

2016

|

Vol. 61, iss. 2A

665--670

EN

The influence of spark plasma sintering parameters on the structural, mechanical and tribological characteristics of the Ti6Al4V alloy, which is used as implant material in biomedical engineering, was investigated. The experimental data confirm that full density and attractive mechanical properties can be obtained using the spark plasma sintering method. Tribological tests, performed in dry conditions, allowed the authors to indicate the most suitable sintering parameters. The material characterized by the highest wear resistance was selected for further tribological testing in articulation with UHMWPE in simulated body fluids. Although the weight of the polymeric material articulating against the sintered Ti6Al4V was slightly higher compared to the UHMWPE articulating against the reference material (Ti6Al4V rod), the friction coefficient was lower.