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BIBEBUVABSc in Mikro- und MedizintechnikEntwicklung eines Reibungsmessgeräts – TribometerMedizintechnik / Betreuer: Prof. Dr. Jörn Justiz, Veit SchmidExperte: Dr. Roman HeubergerProjektpartner: RMS Foundation, BettlachDie RMS Foundation erforscht neue Materialien und Technologien im Bereich des menschlichen Gelenkersatzes.Bei der Herstellung dieser Endoprothesen werden hohe Anforderungen an die Materialien, auchhinsichtlich ihrer Reibung und dem Verschleiss, gestellt. Bei der Erforschung dieser tribologischen Eigenschaftenwerden sogenannte Tribometer verwendet, die die Reibungskoeffizienten von unterschiedlichenMaterialpaarungen messen. Ziel dieser Bachelorarbeit ist die Entwicklung eines neuen verbesserten Tribometers,das insbesondere die Normalkraft positionsabhängig variieren kann.Nicolas WiedmerAusgangslageBeim bestehenden Tribometer derRMS Foundation handelt es sich umein sogenanntes Linear-Tribometer,bei dem die Grundprobe (Disc) lineargegenüber der Gegenprobe (Pin)bewegt wird (Abb. 1a). Das Systemmuss am Ende der Grundprobeabbremsen und danach in die Gegenrichtunganfahren. Durch denLinearantrieb wirken sich die Beschleunigungensehr stark auf dasMesssystem aus, was Schwingungenim System verursachen kann.Aus diesem Grund wurde ein verbessertesTribometer entwickelt,welches anstelle des Linearantriebesüber einen Rotationsantriebverfügt (Abb. 1b). Zusätzlich soll dasSystem über eine winkelabhängigeSteuerung der Normalkraft (im Bereichzwischen 1 N -10 N) verfügen.Der Radius, auf dem der Pin auf dieGrundprobe einwirkt, soll ebensoverstellbar sein wie die Geschwindigkeit,mit der die Grundprobedreht. Der Vorteil der winkelabhängigenSteuerung liegt darin, dassAbbildung 1: Pin on Disc Verfahren.a) Messverfahren mit einer Linearbewegung.b) Messverfahren mit einerRotationsbewegungunterschiedliche Normalkräfte währendeiner Messung auf derselbenProbe erfasst werden können. Vorallem bei Langzeitmessung verkürztdas die Zeitdauer der gesamtenMessreihe erheblich. Zudem sinddie Druckbelastungen in denmenschlichen Gelenken nie konstant.Das neue System simuliert indieser Hinsicht die veränderlichenBelastungen.UmsetzungEin DC-Motor bringt die Grundprobezum Drehen und beinhaltet einenWinkelencoder, der die aktuelle Positionan einen Kontroller weitergibt.Da eine verkantete Probe zusätzlicheKräfte hervorrufen würde, muss diesemöglichst eben sein, deshalbwird der Halter, über den die Grundprobemit dem Motor verbunden ist,zusätzlich gelagert. Auf der anderenSeite ist die Gegenprobe mit einemVoice Coil verbunden. Durch dasAnlegen eines Gleichstromes erzeugtder Voice Coil die gewünschteNormalkraft auf den Pin. Zwischendiesem und dem Voice Coil befindetsich ein 3-Achsen Kraftsensor (DMS)zur Messung der Normalkraft in Z-Richtung sowie der ent stehendenReibkräfte in X- und Y-Richtung. DieHalterung des Voice Coils liegt aufeinem Präzisionstisch, mit dem dergewünschte Radius des Pins auf derrotierenden Disc eingestellt werdenkann. Die Ansteuerung des Motorsund des Voice Coils erfolgt über einengemeinsamen Kontroller. DerVorteil dieser Konzeption liegt darin,dass die Kraftregelung intern überden Kontroller erfolgt, sodass dieserdie Normalkraft sehr schnell winkelabhängigeinstellen kann. DieMesswerte werden über eine DAQ-Karte aufgenommen und mittelsLabVIEW ausgewertet.Ergebnisse / KonklusionDie ersten Funktionstests demonstriertendie Funktionalität des Tribometersund insbesondere auch diewinkelabhängigen Normalkraftsteuerung.Erste Trockenmessungen mitunterschiedlichen Materialpaarungenergaben Reibungskoeffizienten,die im erwarteten Bereich lagen.Auch die Reproduzierbarkeit der Ergebnissekonnte bestätigt werden.In weiteren Messungen, unter anderemin einer Proteinlösung, wird dieMessgenauigkeit charakterisiert.Das System soll dann bei der RMSFoundation in den Routineeinsatzkommen.Abbildung 2: Detailansicht des Tribometers274 ti.bfh.ch