Simcenter Star-CCM+: Das bringt Simulation in der Medizintechnik

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Entwickelt eine bessere lebenserhaltende Pumpe für Infusionen und enterale Ernährung, lautete der Auftrag an den Engineering-Dienstleister B&W Engineering. Wie es dem Team gelang, das anspruchsvolle Projekt mithilfe der Simulationssoftware von Siemens in nur einem Konstruktionszyklus abzuschließen.

Simcenter Star-CCM+ im Einsatz für lebenserhaltende Pumpe: Die Konstruktionsprinzipien einer Schlauchpumpe mögen einfach erscheinen. Rollen komprimieren ein Rohr, was dazu führt, dass die peristaltischen Kräfte die Flüssigkeit abgeben. Für medizinische Anwendungen gibt es jedoch enge Toleranzen und regulatorische Anforderungen für die Betriebsbedingungen, die die Konstruktion schwierig machen. Die Durchflussmenge muss konstant und genau sein, wobei der Rückfluss auf akzeptable Sicherheitsmargen zu begrenzen ist.

Wichtige Einblicke möglich dank Simcenter Star-CCM+

B&W Engineering wurde beauftragt, die Konstruktion einer lebenserhaltenden Schlauchpumpe zu verbessern, die für intravenöse und parenterale Infusionen sowie für enterale Ernährung verwendet wird. Das in Stuttgart ansässige Unternehmen ist spezialisiert auf die Entwicklung kompletter Medizintechnik, einschließlich Hardware, Software, Mechanik und Systemtechnik und verfolgte bei diesem Projekt drei Ziele: Zunächst ging es darum, einen präziseren Antrieb im Vergleich zum Vorgängermodell dieser peristaltischen Schlauchpumpe zu entwickeln. Zweitens wollte es eine niedrigere Medikamentendosierung als die Konkurrenz anbieten. Dies würde die Integration eines neuen Infusionspumpensystems erfordern, das sich auf eine höhere Fördergenauigkeit konzentriert. Das dritte Ziel war es, dies schneller als bei früheren Projekten auf den Markt zu bringen.

„Mit theoretischen Ansätzen und Simulationen wollten wir dieses Projekt in nur einem Konstruktionszyklus abschließen“, sagt Joachim Schütz, Mitglied der Geschäftsleitung von B&W Engineering. Das Unternehmen nutzte die Software Simcenter Star-CCM+ und die Software NX, um wichtige Einblicke in die Pumpenkonstruktion zu erhalten und war in der Lage, die Pumpenkonstruktion und die Leistung entsprechend zu verbessern. Simcenter ist Teil der Siemens Xcelerator-Business Plattform für Software, Hardware und Services.

Maximale Innentemperatur bei 60 °C

Der Motor der Pumpe erzeugt zusammen mit anderen elektronischen Komponenten Wärme und erhöht die Temperatur im Inneren des Gerätegehäuses. Die Spezifikationen begrenzen die maximale Innentemperatur auf 60 °C, da sonst die Ladekapazität des Akkus negativ beeinflusst wird. Im Falle einer längeren Stromunterbrechung muss der Akku mindestens zwei Stunden lang aufgeladen werden, um mit voller Kapazität zu arbeiten. Daher kann die Ladekapazität der Batterien nicht beeinträchtigt werden.

„Die Validierung unserer Konstruktion bedeutete, das Worst-Case-Szenario in Betracht zu ziehen, in dem wir sicherstellen wollten, dass die Ladekapazität der Batterie selbst bei höchster Betriebsumgebungstemperatur und Leistungsverlust nicht beeinträchtigt wird“, erklärt André Gasko, Simulationsingenieur bei B&W Engineering.

Schutzart IPX4 erschwert Wärmeableitung

Das Gerät muss die Schutzart IPX4 haben, einen IP-Code (Ingress Protection), der von der Internationalen Elektrotechnischen Kommission (IEC) festgelegt wurde, dem zufolge „Wasser, das aus jeder Richtung gegen das Gehäuse gerichtet ist, keine schädlichen Wirkungen haben darf“. Dies erfordert, dass das Gehäuse von der Umgebung abgedichtet wird, was die Wärmeableitung erschwert. „Es gibt einige Herausforderungen, die Temperatur im Inneren des Gehäuses unter 60 °C zu halten, insbesondere wenn die Pumpe zur Behandlung von Patienten mit Brandverletzungen in klimatisierten Räumen verwendet wird, in denen die Temperatur auf 40 °C eingestellt ist“, sagt Gasko. Das Verständnis des Fluid- und thermischen Verhaltens war der Schlüssel zum Erreichen der verbesserten Konstruktion.

„Mit Simcenter Star-CCM+ erhielten wir alle Fluid-, Thermo- und Elektromagnetik- Analysen, die für die Simulation der Pumpe erforderlich waren“, sagt Gasko.

B&W Engineering nutzte NX für die Entwicklung des Gehäuses, des Displayrahmens, der Halterung und der inneren Befestigungsbereiche. Eine Konstruktionsänderung zur Verbesserung der Wärmeableitungsrate bestand darin, die Gehäusedicke von 3 auf 2,5 Millimeter zu reduzieren. Der Einsatz von Simcenter Star-CCM+ half dem Team, die Gesamttemperatur bei einer erneuten Untersuchung zu senken.

„Wir haben viel Zeit gespart, wenn wir Eigenschaften ändern oder eine Optimierung an unserem Modell vornehmen mussten, da sich alles in einem Modul befindet“, sagt Gasko. „Im Vergleich zu anderer Software war die Verwendung von Simcenter Star-CCM+ ein großer Vorteil für uns. Auch die Wahl eines Softwareanbieters mit umfassendem technischem Support war für uns wichtig, und die Partnerschaft mit Siemens war die richtige Wahl.“

Simcenter Star-CCM+: Simulation der Schlauchleitungen

Während die Pumpe die Kräfte erzeugt, um sie zum Fließen zu bringen, spielt der Schlauch eine wichtige Rolle bei der Abgabe des Arzneimittels. Eine Herausforderung der Fluid-Struktur-Interaktionssimulation ist die Vorbelastungsphase, in der der Schlauch von seiner ursprünglichen Form in den Endzustand innerhalb der Schlauchpumpe verformt werden muss. Am Ende der Verformung, wenn der Schlauch von den Rollen in die Halterung gedrückt wird, muss der Zeitschritt klein genug sein, um Konvergenz zu erreichen.

Im Allgemeinen geschieht dies durch Versuch und Irrtum. Die Verwendung von Simcenter Star-CCM+ ermöglichte es dem Unternehmen, einen Zeitschritt zu definieren, der groß genug war, um den höchsten Verformungszustand zu erreichen, wenn der Schlauch vollständig verpresst wurde, ohne Konvergenzprobleme zu verursachen. Beide Schlauchenden mussten bei der Vorspannung nach innen in Richtung der Pumpe verschoben werden, damit keine Zugspannung entsteht. Das Unternehmen musste auch die Größe des Hubraums definieren, bevor es mit der Berechnung beginnen konnte. Dies ermöglichte eine genaue Vorhersage der Arzneimittelabgaberate, was ein wichtiger Konstruktionsaspekt dieses Projekts war.

Eine weitere Herausforderung bei dieser Berechnung ist die Verformung des kleinen Spaltes innerhalb des Fluidbereichs beim Pressen des Schlauches. Das Netz musste fein genug sein, um die Krümmung der Walzen zu erfassen, die auf den Schlauch drücken, aber immer noch grob genug, um eine höhere Iterationszeit zu induzieren. „Durch den Einsatz von Simcenter Star-CCM+ erhielten wir alle notwendigen Werkzeuge, um diese anspruchsvollen Vorladeprozesse und Berechnungen durchzuführen“, sagte Gasko. „Die Verwendung von Simcenter Star-CCM+ hat sich als sehr stabil erwiesen, um Probleme der Fluid-Struktur-Wechselwirkung mit hyperplastischen Materialien zu berechnen und Mehrphasenberechnungen durchzuführen.“

Verkürzung der Prototypenzyklen

B&W Engineering wollte den Konstruktionsprozess optimieren und Simulationen nutzen, um die Time-to-Market zu verkürzen und die Kosten zu senken. Jeder Prototyp kann mehr als 80.000 Euro kosten. Der Einsatz von NX und Simcenter Star-CCM+ ermöglichte es B&W Engineering, dies zu tun. „Wir brauchten weniger Prototypenzyklen und Abstimmungen zwischen den Zulieferern“, sagt Schütz. „Es gab eine höhere Präzision, da wir wichtige Toleranzen separat analysieren konnten, sodass wir uns stärker auf die relevantesten Themen konzentrierten. All dies führt zu einer Kostensenkung und einer Erhöhung der Präzision.“ Und Gasko ergänzt: „Mit dieser Pumpengeneration haben wir im Vergleich zu anderen Pumpen auf dem Markt die niedrigste Arzneimittelabgaberate erreicht und die Abgabegenauigkeit um 3 Prozent verbessert.“

Fazit

Die Nachfrage nach Medizintechnik steigt kontinuierlich. Sie schneller auf den Markt zu bringen, die Kosten niedrig zu halten und zudem die Genauigkeit zu erhöhen, macht die Herausforderung noch schwieriger. Durch den Einsatz von Simcenter Star-CCM+ kann B&W Engineering diese Herausforderung meistern und lebensrettende Medizintechnik von morgen entwickeln.

Die Autorin Tanja Böttcher ist Marketing Coordinator bei Siemens Digital Industries Software.

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