Neue Bandscheiben im digitalen Materiallabor entwickeln

Medicrea, Hersteller von Wirbelsäulenimplantaten, nutzt Software Digimat für Werkstoffmodellierung und Vorhersage des Materialverhaltens

e-Xstream engineering, ein Unternehmen von MSC Software und Entwickler der Software Digimat , gab heute bekannt, dass einer der Top-Innovatoren in dem noch jungen Gebiet der Entwicklung von Wirbelsäulenimplantaten ab sofort Digimat einsetzt. Das Unternehmen möchte mit der Software die mechanischen Eigenschaften der Werkstoffe vorhersagen, aus denen Bandscheibenersatz gefertigt wird. Als Plattform für die nichtlineare multiskalare Material- und Strukturmodellierung kann Digimat das Verhalten von Werkstoffen auf Grundlage ihrer Mikrostruktur analysieren.

Digimat unterstützt den europäischen Anbieter von Orthopädieprodukten Medicrea bei der Entwicklung von Wirbelsäulenimplantaten aus glasfaserverstärkten Verbundkunststoffen. Diese kommen als Ersatz für verletzte oder beschädigte menschliche Wirbel zum Einsatz. Im Gegensatz zu den meisten anderen Simulationslösungen, bei denen jeder Werkstoff als Metall behandelt wird, kann Digimat mikromechanisches Material simulieren und dabei die Variabilität von Verbundwerkstoffen, sogenannten Composites, in die Berechnung des mechanischen Verhaltens mit einbeziehen. Mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode (FEM) und den Analysedaten von Spritzgussformen lässt sich die Materialsteifigkeit an jedem Punkt im Wirbelsäulenimplantat präzise anpassen.

Dank Digimat sind die Ingenieure von Medicrea nunmehr in der Lage, viel genauere Vorhersagen über das Implantatverhalten als mit früheren Simulationslösungen zu treffen. Während frühere Lösungen die Steifigkeit von Implantaten oft um bis zu 170 Prozent überschätzten, stimmten die Materialmodelle von Digimat nahezu perfekt mit den Ergebnissen der physikalischen Prüfungen überein.

„Mit den Simulationen von Digimat können wir sowohl unsere Produktionsprozesse als auch den mechanischen Wirkungsgrad von Implantaten optimieren“, so Thomas Mosnier, Leiter für Forschung und Entwicklung bei Medicrea. „Mit Hilfe der Simulationen wird der Entwicklungsaufwand für eine ganze Reihe bereits geplanter Erweiterungsprodukte gesenkt.“

Implantate aus Composites sind eine relativ neue Erfindung. In vielen Fällen haben sie die Verwendung von Metall, das schwieriger zu implantieren ist und nicht die gleiche Flexibilität aufweist, als Bandscheibenersatz verdrängt. Eine langfristige Vorhersage der Leistungsfähigkeit von Composites ist jedoch weitaus schwieriger als bei Metallen, da die Verhaltensweisen je nach Form und Herstellungsverfahren des Implantats erheblich variieren können. Durch Form und Herstellung kann sich die Faserausrichtung von Composites ändern. Dies wiederum kann zu einer unbeabsichtigten Verstärkung oder Verringerung der Steifigkeit und damit zur Beeinträchtigung der Leistungsfähigkeit des Implantats führen. Im Gegensatz dazu ist die Steifigkeit von Metallen in jedem Bereich der Teileform gleich.

„Die Flexibilität von Composites eröffnet Ingenieuren eine Vielzahl neuer Möglichkeiten bei der Entwicklung medizinischer Implantate“, so Roger Assaker, CEO von e-Xstream engineering und Chefstratege im Bereich Werkstoffe bei MSC Software. „Digimat liefert das fehlende Know-how über das Verhalten der Materialien, das erforderlich ist, um größtmöglichen Nutzen aus den besonderen Eigenschaften zu ziehen und optimal funktionierende Produkte zu entwickeln, mit denen sich die Lebensqualität der Patienten verbessert.“

MSC entwickelt Computer Aided Engineering (CAE) Software für Simulation und virtuelle Produktentwicklung. Das Unternehmen mit Zentrale im kalifornischen Santa Ana wurde 1963 gegründet und hat heute weltweit Niederlassungen in 20 Ländern. Die Lösungen von MSC erlauben es Unternehmen der unterschiedlichsten Branchen, Ihre Produkte in einer virtuellen Welt zu entwickeln und zu testen – von den ersten Konzeptentwürfen über die Erstellung des digitalen Modells bis hin zur Analyse an virtuellen Prototypen.

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