ORTHOPEDISCH
TECHNOLOGISCH DESIGN 1
2022-2023
Zoë Verdoodt
Zoë Verdoodt
, 1. Mechanische belasting van voorwerpen
1.1 inleiding
Kracht op voorwerp => vervormen => breken indien kracht groot genoeg
Elastische vervorming : Als de krachten die een voorwerp vervormen weer worden weggenomen en
het voorwerp teruggaat naar zijn oorspronkelijke vorm
Plastische vervorming : blijvende vervorming
1.2 elastische vervorming: wanneer, waar en hoeveel vervormt een voorwerp een voorwerp ?
Spanning en rek
1.2.1 Wanneer vervormt een voorwerp
1.2.1.1 Normaalspanning
Kracht aanbrengen :
• als lokale puntkracht => grote druk + klein oppervlak
• als verdeelde kracht over groot oppervlak => kleine druk
VOORBEELD :
Met een kracht van 100N op tafel duwen via oppervlakte van een naald => tafel vervormen
Met een gewicht van 100N met brede oppervlakte op tafel leggen => tafel niet vervormen
Vervorming materiaal afhankelijk van
• grootte kracht
• verdeling kracht
- puntkracht : kracht over klein oppervlakte
- kracht over groot oppervlak
Druk : kracht per oppervlakte die extern wordt aangelegd
Spanning : kracht per oppervlakte intern, het voorwerp waar we druk op aanleggen
• normaalspanning
• tangentiële ( schuif)spanning
Normaalspanning : kracht loodrecht op de beschouwde doorsnede
Halverwege de staaf kijken : er gaat elk stukje materiaal trekken aan het stukje
materiaal dat eraan grenst
Spanning = verdeelde kracht
( N/m² of Pa )
Trekspanning : als materiaal uit elkaar wordt getrokken
Drukspanning : als het materiaal wordt samengedrukt
, 1.2.1.2 Schuifspanning
= kracht evenwijdig laten inwerken op een oppervlak dan worden de verschillende lagen materiaal
t.o.v. elkaar verschoven.
𝜏=𝐹/𝐴 ( N/m² of Pa )
1.2.2 Hoeveel vervormt een voorwerp
1.2.2.1 rek
Alle materialen ondergaan onder belasting een vervorming, niets is oneindig stijf.
Elk materiaal zal o.i.v. een trekbelasting verlengen. Grootte verlenging afhankelijk van materiaal.
∆L = verlenging materiaal
L0= oorspronkelijke lengte
eenheid : dimensieloos ( meestal uitgedrukt in % )
1.2.2.2 Wet van Hooke : het verband tussen spanning en rek
Als de spanning klein blijft, dan zal het materiaal terug gaan naar zijn oorspronkelijke
toestand wanneer de spanning wordt weggenomen. elastische vervorming
Vb. elastiek
Hoe groter de spanning, hoe meer vervorming er optreedt. R.E.
Het soort of type materiaal is de bepalende factor om te weten hoeveel een voorwerp gaat
vervormen onder een specifieke spanning.
Wet van Hooke : verhouding spanning en rek s = E. 𝜀
E = elasticiteitsmodulus of Young’s modulus ( N/m² of Pa )
geeft verband weer tussen de spanning voor een materiaal en de bijhorende rek
maat voor de stijfheid van een materiaal
Enkele waarden voor de elasticiteitsmodulus:
• LDPE (lage dichtheid polyethyleen): 500 MPa – 800MPa (0.5 – 0.8 GPa)
• HDPE (hoge dichtheid polyetheen/polyethyleen): 0.8 – 1 GPa
• PP (polypropeen/polypropyleen): 1,2-2,2 GPa
• PS (polystyreen): 2,6-3,2 GPa
• aluminium: 70 GPa
• titanium: 115 GPa
• staal (+RVS): 200 GPa
Hoe groter de elasticiteitsmodulus, hoe stijver het materiaal
1.2.3 Poisson- of dwarscontractiecoëfficiënt
Axiale uitrekking : uitrekking in de lengterichting
Als een materiaal aan trek onderhevig is, en dus een axiale uitrekking ondergaat, zal het in
oppervlakte en dus radiaal inkrimpen
eenheid : dimensieloos
Waarde meestal tussen 0,25 – 0,35
Minteken noodzakelijk omdat een positieve uitrekking axiaal een inkrimping tot gevolg heeft
Als we aan een staaf trekken en deze 3% groter wordt, hij ook 1% inkrimpt in zijn doorsnede
, 1.2.4 schuifmodulus – glijdingsmodulus
verband tussen spanning en vervorming :
G = schuifmodulus of glijdingsmodulus ( N/m² of Pa )
materiaalkundige grootheid, die aangeeft wat het effect is van het aanbrengen van een
schuifspanning op een materiaal
G-modulus vaak 2,5 à 3 keer kleiner dan de E-modulus
1.3 Plastische vervorming : blijvende vervorming en uiteindelijke breuk
Bij een grotere belasting zal een blijvende vervorming optreden plastische vervorming
Elasticiteitsgrens : de spanning vanaf wanneer er ook blijvende vervorming optreedt
Stugger : Materialen met een hogere elasticiteitsgrens
Weker : Materialen met een lagere elasticiteitsgrens
Plastische vervorming vermijden binnen de orthopedie
Elasticiteitsgrens niet gemakkelijk te bepalen.
Vervangers die gemakkelijk op te meten zijn of de grens benaderen :
• vloeigrens of vloeispanning
• 0,2-rekgrens
In het plastische gebied 2 belangrijke parameters :
• materiaalsterkte of treksterkte : de max. spanning dat een materiaal kan ondergaan
bepaalt of een materiaal sterk of zwak is
• rek bij breuk of breekrek : de max. hoeveelheid rek die een materiaal kan ondergaan voor het
breekt
materiaal met een hoge breekrek noemen we taai en een lagere breekrek bros
1.4 Elastische en plastische eigenschappen van een materiaal onderzoeken : trekproef en
trekkromme
Trekproef : Gebruik gestandaardiseerde werkmethode, zodat voor elk materiaal dezelfde test, in
dezelfde omstandigheden kan uitgevoerd worden
1.4.1 De trekproef
Volgens DIN 50145 ( vastgelegde norm )
Een proefstaaf met beginlengte en begindoorsnede van het te onderzoeken materiaal wordt in een
trekbank ingeklemd. Aan de proefstaaf wordt vervolgens met een constante snelheid getrokken tot
hij breekt. Het toestel is uitgerust om bij elke verlenging de benodigde kracht te kunnen registreren.
Het resultaat van deze proef is dus een grafiek die toont hoe groot de verlenging is onder invloed van
een bepaalde kracht.
TECHNOLOGISCH DESIGN 1
2022-2023
Zoë Verdoodt
Zoë Verdoodt
, 1. Mechanische belasting van voorwerpen
1.1 inleiding
Kracht op voorwerp => vervormen => breken indien kracht groot genoeg
Elastische vervorming : Als de krachten die een voorwerp vervormen weer worden weggenomen en
het voorwerp teruggaat naar zijn oorspronkelijke vorm
Plastische vervorming : blijvende vervorming
1.2 elastische vervorming: wanneer, waar en hoeveel vervormt een voorwerp een voorwerp ?
Spanning en rek
1.2.1 Wanneer vervormt een voorwerp
1.2.1.1 Normaalspanning
Kracht aanbrengen :
• als lokale puntkracht => grote druk + klein oppervlak
• als verdeelde kracht over groot oppervlak => kleine druk
VOORBEELD :
Met een kracht van 100N op tafel duwen via oppervlakte van een naald => tafel vervormen
Met een gewicht van 100N met brede oppervlakte op tafel leggen => tafel niet vervormen
Vervorming materiaal afhankelijk van
• grootte kracht
• verdeling kracht
- puntkracht : kracht over klein oppervlakte
- kracht over groot oppervlak
Druk : kracht per oppervlakte die extern wordt aangelegd
Spanning : kracht per oppervlakte intern, het voorwerp waar we druk op aanleggen
• normaalspanning
• tangentiële ( schuif)spanning
Normaalspanning : kracht loodrecht op de beschouwde doorsnede
Halverwege de staaf kijken : er gaat elk stukje materiaal trekken aan het stukje
materiaal dat eraan grenst
Spanning = verdeelde kracht
( N/m² of Pa )
Trekspanning : als materiaal uit elkaar wordt getrokken
Drukspanning : als het materiaal wordt samengedrukt
, 1.2.1.2 Schuifspanning
= kracht evenwijdig laten inwerken op een oppervlak dan worden de verschillende lagen materiaal
t.o.v. elkaar verschoven.
𝜏=𝐹/𝐴 ( N/m² of Pa )
1.2.2 Hoeveel vervormt een voorwerp
1.2.2.1 rek
Alle materialen ondergaan onder belasting een vervorming, niets is oneindig stijf.
Elk materiaal zal o.i.v. een trekbelasting verlengen. Grootte verlenging afhankelijk van materiaal.
∆L = verlenging materiaal
L0= oorspronkelijke lengte
eenheid : dimensieloos ( meestal uitgedrukt in % )
1.2.2.2 Wet van Hooke : het verband tussen spanning en rek
Als de spanning klein blijft, dan zal het materiaal terug gaan naar zijn oorspronkelijke
toestand wanneer de spanning wordt weggenomen. elastische vervorming
Vb. elastiek
Hoe groter de spanning, hoe meer vervorming er optreedt. R.E.
Het soort of type materiaal is de bepalende factor om te weten hoeveel een voorwerp gaat
vervormen onder een specifieke spanning.
Wet van Hooke : verhouding spanning en rek s = E. 𝜀
E = elasticiteitsmodulus of Young’s modulus ( N/m² of Pa )
geeft verband weer tussen de spanning voor een materiaal en de bijhorende rek
maat voor de stijfheid van een materiaal
Enkele waarden voor de elasticiteitsmodulus:
• LDPE (lage dichtheid polyethyleen): 500 MPa – 800MPa (0.5 – 0.8 GPa)
• HDPE (hoge dichtheid polyetheen/polyethyleen): 0.8 – 1 GPa
• PP (polypropeen/polypropyleen): 1,2-2,2 GPa
• PS (polystyreen): 2,6-3,2 GPa
• aluminium: 70 GPa
• titanium: 115 GPa
• staal (+RVS): 200 GPa
Hoe groter de elasticiteitsmodulus, hoe stijver het materiaal
1.2.3 Poisson- of dwarscontractiecoëfficiënt
Axiale uitrekking : uitrekking in de lengterichting
Als een materiaal aan trek onderhevig is, en dus een axiale uitrekking ondergaat, zal het in
oppervlakte en dus radiaal inkrimpen
eenheid : dimensieloos
Waarde meestal tussen 0,25 – 0,35
Minteken noodzakelijk omdat een positieve uitrekking axiaal een inkrimping tot gevolg heeft
Als we aan een staaf trekken en deze 3% groter wordt, hij ook 1% inkrimpt in zijn doorsnede
, 1.2.4 schuifmodulus – glijdingsmodulus
verband tussen spanning en vervorming :
G = schuifmodulus of glijdingsmodulus ( N/m² of Pa )
materiaalkundige grootheid, die aangeeft wat het effect is van het aanbrengen van een
schuifspanning op een materiaal
G-modulus vaak 2,5 à 3 keer kleiner dan de E-modulus
1.3 Plastische vervorming : blijvende vervorming en uiteindelijke breuk
Bij een grotere belasting zal een blijvende vervorming optreden plastische vervorming
Elasticiteitsgrens : de spanning vanaf wanneer er ook blijvende vervorming optreedt
Stugger : Materialen met een hogere elasticiteitsgrens
Weker : Materialen met een lagere elasticiteitsgrens
Plastische vervorming vermijden binnen de orthopedie
Elasticiteitsgrens niet gemakkelijk te bepalen.
Vervangers die gemakkelijk op te meten zijn of de grens benaderen :
• vloeigrens of vloeispanning
• 0,2-rekgrens
In het plastische gebied 2 belangrijke parameters :
• materiaalsterkte of treksterkte : de max. spanning dat een materiaal kan ondergaan
bepaalt of een materiaal sterk of zwak is
• rek bij breuk of breekrek : de max. hoeveelheid rek die een materiaal kan ondergaan voor het
breekt
materiaal met een hoge breekrek noemen we taai en een lagere breekrek bros
1.4 Elastische en plastische eigenschappen van een materiaal onderzoeken : trekproef en
trekkromme
Trekproef : Gebruik gestandaardiseerde werkmethode, zodat voor elk materiaal dezelfde test, in
dezelfde omstandigheden kan uitgevoerd worden
1.4.1 De trekproef
Volgens DIN 50145 ( vastgelegde norm )
Een proefstaaf met beginlengte en begindoorsnede van het te onderzoeken materiaal wordt in een
trekbank ingeklemd. Aan de proefstaaf wordt vervolgens met een constante snelheid getrokken tot
hij breekt. Het toestel is uitgerust om bij elke verlenging de benodigde kracht te kunnen registreren.
Het resultaat van deze proef is dus een grafiek die toont hoe groot de verlenging is onder invloed van
een bepaalde kracht.
