Systemzuverlässigkeit und Optimierung von Beatmungsgeräten

Beatmungsgerät, Systemzuverlässigkeit, Medizintechnik

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Weltweit ist die Corona-Krise noch nicht überwunden. Die Situation in den Krankenhäusern erfordert viel Einsatz und Leistungsbereitschaft vom Personal. In solchen Ausnahmesituationen ist es für die Menschen wichtiger denn je, dass sie sich auf das Material und die Geräte verlassen können. Das Fraunhofer LBF untersucht Komponenten für kostengünstige Beatmungsgeräte auf ihre Systemzuverlässigkeit und zeigt Möglichkeiten zur Optimierung. Damit unterstützen die Forschenden den medizinischen Fortschritt. Die erhöhte Systemzuverlässigkeit der Geräte trägt zur Ressourcenschonung bei.

Initiiert durch Hackathlons gegen die Corona-Krise arbeiten weltweit Entwicklerteams an einfachen Alternativen für hochkomplexe Beatmungsgeräte. Diese sollen sich schnell und kostengünstig fertigen lassen und nicht nur für den Notfallbetrieb geeignet sein. Trotz ihrer Einfachheit müssen diese Beatmungsgeräte zuverlässig sein, da ein Ausfall tödliche Folgen haben kann. In einem aktuellen Projekt hat das LBF 3D-gedruckte Komponenten für kostengünstige Beatmungsgeräte von den Gewinnern der »Give a Breath-Challenge«, eine gemeinsame Initiative der Fraunhofer-Gesellschaft und der Munich RE, auf ihre Systemzuverlässigkeit untersucht und Möglichkeiten zur Optimierung aufgezeigt.

Experimentelle Untersuchung der Systemzuverlässigkeit eines PEEP-Ventils für Beatmungsgeräte
Lebensdaueruntersuchung eines 3D-gedruckten Turbinengehäuses für Beatmungsgeräte
Zugversuch eines 3D-gedruckten Fixierungsbands einer Maske

PEEP-Ventile für Beatmungsgeräte

PEEP-Ventile werden durch das manuelle Aufschieben und Abziehen von Schlauchenden durch eine Axialkraft, eine Querkraft und ein Torsionsmoment mechanisch beansprucht. Zur Untersuchung der Systemzuverlässigkeit wurden 3D-gedruckte PEEP-Ventile des Smart CPAP Teams in einen servohydraulischen Prüfstand eingespannt und mit einem speziellen Prüfzyklus belastet. Bei diesem Prüfzyklus wird ein Schlauchende mit einer axial-rotatorischen Bewegung auf das PEEP-Ventil so aufgeschoben wie es auch ein Mensch macht. Weil bei diesem Vorgang Querkräfte nicht ausgeschlossen werden können, wurden diese auch beim Prüfzyklus berücksichtigt. Nach einer Haltezeit zur Erhöhung der Haftungskräfte wird das Schlauchende wieder mit einer axial-rotatorischen Bewegung vom PEEP-Ventil abgezogen und nach einer weiteren Haltezeit zur Relaxation des Schlauchendes der Prüfzyklus wiederholt. Mit dieser zeitlich gerafften Untersuchung konnte die Schwachstelle der PEEP-Ventile schon nach wenigen Tagen aufgedeckt werden, welche sich sonst erst nach mehreren Monaten im Betrieb gezeigt hätte. Die Untersuchungen wurden ebenfalls bei erhöhter Temperatur durchgeführt, weil auch ein Einsatz von kostengünstigen Beatmungsgeräten unter härteren Bedingungen nicht ausgeschlossen werden kann.

Turbinengehäuse für Beatmungsgeräte

Turbinengehäuse werden durch eine Unwucht der Turbine dynamisch beansprucht. Die mit verschiedenen 3D-Drucktechniken hergestellten Turbinengehäuse des Vivid Breath Teams wurden in einer Klimakammer bei verschiedenen Temperaturen und Luftfeuchtigkeiten hinsichtlich ihrer Systemzuverlässigkeit untersucht. Zur Gewährleistung der Vergleichbarkeit wurde die Turbine durch eine Masse mit einer definierten Unwucht ersetzt. Mit den vom Motor und der Unwucht erzeugten Vibrationen wurde die Betriebsfestigkeit des Turbinengehäuses und die Haltbarkeit der Anbindung des Motors an das Gehäuse geprüft und optimiert.

Fixierungsbänder für Masken

Fixierungsbänder werden beim Aufsetzen einer Maske gedehnt. Die mechanischen Eigenschaften der 3D-gedruckten Fixierungsbänder des Soteria Teams wurden bei Zugversuchen ermittelt. Weil der Platz auf dem Druckbett bei vielen 3D-Druckern sehr gegrenzt ist bietet es sich aus Zeitgründen an, Fixierungsbänder aufrecht in „eingerollter“ Position statt liegend zu drucken. Bei den Zugversuchen mit gelochten und ungelochten Fixierungsbändern wurde untersucht, welchen Einfluss die Fertigung auf die mechanischen Eigenschaften hat.

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