Mechanical Systems Engineering  
Aktive Strukturen (EAP/AFC)
Betriebsfestigkeit
Biomedizinische Technik
Composites & Polymere
Schadenanalyse
Bauprodukte-Zertifizierung

Biomedizinische Technik

Infolge der flexiblen Infrastruktur sowie des Know-How's im Bereich der numerischen Simulation ist es der Abteilung gelungen, sich im Bereich "Implantat-Entwicklung" als attraktiven Partner bei Medizinaltechnik-Unternehmungen zu etablieren.
Kontakt: Dipl. Ing. Bernhard Weisse, Stv. Dipl. Ing. Christian Affolter.

Brochure Biomechanical Engineering

Aktivitäten
Quasistatische und schwingende Prüfungen von Prothesen, künstlichen Gelenken (Hüfte/Schulter), Implantaten der Wirbelsäule, Zahnimplantaten, chirurgischen Instrumenten, Trauma-Anwendungen (Nägel, Schrauben und Platten) und Knochen sowie Biomaterialien.

Entwicklung und Herstellung spezieller Prüfvorrichtungen/Simulatoren zur Bestimmung der Verformung, des Abriebs, des Kriechverhaltens und der Ermüdungseigenschaft verschiedenster Implantate

Spannungs- und Verformungsanalysen von Implantat-Systemen und Knochen mit Hilfe numerischer Verfahren (lineare/nichtlineare Spannungsanalyse mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode). Hiermit können geometrische und werkstoffbedingte Nichtlinearitäten berücksichtigt werden sowie Modal-Analyse oder Stabilitätsanalysen wie Knicken und Beulen durchgeführt werden.

Strukturoptimierung (aus Analogie zur Natur): Topologieoptimierung für Leichtbaudesignvorschlag, Sickenoptimierung an dünnwandigen Bauteilen, Formoptimierung zur Reduktion der Spannungsspitzen und Erhöhung der Lebensdauer

Mehrkörpersimulation des menschlichen Bewegungsapparates zur Ermittlung der inneren Kräfte bzw. Kinematik, vor allem bei sportlichen Aktivitäten und extremen Ereignissen (wie z. B. Gewichtheben)

 

 

 

Aktuelle Projekte

Sicherheit von Keramikkugeln für Hüftendoprothesen
Das laufende KTI-Projekt findet in Zusammenarbeit mit den Firmen Metoxit AG und Saphirwerk Industrieprodukte AG (SWIP) statt. Der erste Teil des Projektes setzt sich mit der Prozessoptimierung bei der Herstellung der Mischkeramik ATZ auseinander. Dafür wurden von der Empa mechanische Prüfungen sowie Gefügeuntersuchungen an Bruchstücken durchgeführt. Im zweiten Teil geht es um die Entwicklung eines Prooftestverfahrens, das defekte Kugeln bei der Produktion aussortiert. Eine erste von SWIP entworfene Spannzangen-Prooftestvariante wurde mit Hilfe der FEM angepasst, so dass eine ähnliche Spannungsverteilung und -höhe resultierte wie im in vivo-Zustand. Darüber hinaus wurde eine Gummi-Prooftestvariante, die eine genauere Spannungsübereinstimmung wie im in vivo-Zustand aufzeigt, entworfen und in der Folge gebaut und in Betrieb genommen. Anstehende DMS-Messungen sollen die FE-Berechnungen validieren. Im letzten Teil geht es um die Formoptimierung der Kugelgeometrie am Übergang Boden-Innenkonus. Erste Berechnungen haben gezeigt, dass die Spannungshöhe um 25% reduziert werden konnte. Eine weitere Senkung wird angestrebt und eine experimentelle Validierung ist vorgesehen.
Kontakt: Dipl. Ing. B.Weisse


Impact-Versuche an Pferdeknochen
Das Forschungsbeteilungsprojekt wird in Zusammenarbeit mit der Universität Zürich, Pferdeklinik der Vet.-Med. Fakultät durchgeführt. Ziel des Projektes ist, die biomechanischen Vorgänge in Pferdeknochen bei einer schlagartigen Belastung zu untersuchen. Die gewonnenen Erkenntnisse sollen die Diagnostik und Behandlung von Knochenverletzungen erleichtern sowie die Grundlage für die Entwicklung effektiveren Schutzvorrichtungen schaffen. Die Versuchsreihe an 70 Pferdeknochen, die ähnliche Materialeigenschaften und Knochenstrukturen wie menschliche Knochen aufweisen, ist bereits abgeschlossen. Neben den Impactversuchen wurden auch statische Biege- und Torsionsversuche durchgeführt sowie MikroCT-Schnittbilder im frakturierten Knochenbereichen angefertigt. Letztere sollen als Basis für FE-Berechnungen dienen, die in einem Folgeprojekt geplant sind. Die High-Speed Videoaufnahmen der Schlagversuche wurden bereits mit Video-Tracking ausgewertet. Die statistische Verarbeitung und Quervernetzung (Korrelationen) der gesammelten Daten ist Gegenstand aktueller Arbeiten.
Kontakt: Dipl. Ing. S. Michel, Dr. G. Piskoty


Entwicklung eines Wirbelsäulensimulators
In Zusammenarbeit mit dem Implantat-Hersteller Synthes Ltd. wurde das Design eines Bandscheibenersatzes mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode optimiert sowie einen vereinfachten Wirbelsäulensimulator entwickelt. Der Simulator kann verschiedene Bewegungen (Lateral- sowie Flexion/Extension) und Kräfte in der Wirbelsäule unter reellen Umgebungsbedingungen wirklichkeitsgetreu nachbilden. Bandscheibenprothesen werden bei Patienten eingesetzt, die an einer degenerativen Bandscheibe leiden. Aufgrund der berechneten mechanischen Spannungen konnte schon in der Designphase die Geometrie des Bandscheibenersatzes angepasst werden, um eine möglichst hohe Sicherheit gegen Versagen zu gewährleisten. Mit dem gebauten Simulator konnten an Prototypen eine Lebensdauer von etwa 20 Jahren (15 Mio Bewegungszyklen) nachgewiesen werden. Der Versuch dauerte drei Monate inklusive regelmässiger Unterbrüche zum Wiegen der Implantate. Dadurch liess sich die Abriebmenge ermitteln. Gegenstand weiterer Untersuchungen ist die Anwendung von harten, langzeitstabilen Oberflächenschichten (wie amorphe C-Schichten), um den Verschleiss zu verringern.
Kontakt: Dipl. Ing. B. Weisse 


Fatigue strength of augmented vertebral trabecular bone
Elderly people often suffer from increasing porosity of bone’s fabric. Osteoporotic vertebrae may fracture due to normal loading conditions in the spine, which results in severe pain for the patient and general worsening of his/her quality of life. Vertebroplasty is a minimally invasive procedure that aims to strengthen and stabilize the fractured vertebrae by percutaneous injection of in-situ curing cement into the trabecular bone space. Polymethylmethacrylate (PMMA) is currently used as state of the art cement for Vertebroplasty; however, several are the drawbacks associated with its use that need to be improved by new generation materials. Kuros Biosurgery AG, a company based in Zürich, is developing a new injectable material for Vertebroplasty designed to overcome PMMA’s disadvantages. There are several characteristics that a novel material must possess for use in Vertebroplasty; among all, particular importance have its mechanical properties, as compressive strength and stiffness. Moreover, an essential requirement is the long term resistance to loading conditions similar to those that the human spine has to undergo during the daily life of a human being. Compressive fatigue tests have been carried out at Empa on specimens of human vertebral trabecular bone, vertebral trabecular bone augmented with Kuros’ material as well as on bulk Kuros’ material. Loading and environmental conditions have been reproduced close to the actual situation in the spine by means of a testing setup developed by Empa on behalf of Kuros.
Kontakt: Dipl. Ing. R. Koller


Biomechanical simulation of the human musculoskeletal system
The aim of this PhD project is to provide basic information about the loads and the motions within the human musculoskeletal system. LifeMod/Adams has been recognized as powerful biomechanic modeling tool and will be used to generate a full human model. An important objective of the work is to point out the influence of the body motions, of the size of the human body and of the support of soft tissues on the transferred load, motion trajectory and pivot point of vertebras in the lumbar spine region. In order to get patient related results of the kinematics and kinetics within the human body, it is intended to use a geometrically parameterized model. The task will be performed in collaboration with the MEM-Research Center (Institute for Surgical Technology and Biomechanics) of the University of Berne. Motion capture and validation tests will be realised at their facilities.
Kontakt: Dipl. Ing. B. Weisse
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