Die Medizintechnik benötigt Austragssysteme zum Mischen, Dosieren und Austragen mehrerer Komponenten. Sulzer Mixpac erreicht mit der Berechnung numerischer Strömungssimulationen reproduzierbare Resultate – und spart dabei teure Tests und senkt den hohen Verbrauch der Einweg-Systeme.
Die Sulzer Mixpac AG, Tochter des internationalen Sulzer-Konzerns, hat ihre Entwicklung, Produktion und Distribution rund um Misch-, Dosier- und Austragssysteme im schweizerischen Rheintal. Das Unternehmen fertigt 2-Komponenten-Mischsysteme, die unter anderem bei der Verarbeitung zähflüssiger Stoffe in Orthopädie, Gefäßchirurgie, Wundbehandlung oder dem Dentalbereich Anwendung finden. Bei seiner Produktentwicklung profitiert Sulzer Mixpac vom Know-how des Mutterkonzerns. Dieser verfügt über 175 Jahre Erfahrung im Bereich des Strömungsverhaltens von Stoffen.
„Durch das Gesamtangebot des Sulzer-Konzerns ist es uns möglich, auch unser eigenes Leistungsportfolio zu erweitern“, erklärtDietmar Salzgeber, verantwortlich für Medizin-Produkte bei Sulzer Mixpac. Die enge Verzahnung von Produkt und Dienstleistung in der Medizintechnik erhöht die Anforderungen an die eingesetzten Materialien. Von ihnen ist abhängig, ob der Endverbraucher seine Dienstleistung zur Behandlung des Patienten optimal ausführen kann. Dafür ist es notwendig, die Zusammensetzung und das Verhalten der verschiedenen Komponenten genau zu kennen sowie im Einzelfall den Aufbau der Mischer anzupassen. Um die Anwendung der jeweiligen Massen für Mediziner sowie die Beschaffenheit der Geräte zu verbessern, setzt Sulzer auf ein in der Medizintechnik völlig neues Berechnungssystem.
CFD-Simulation (Computational Fluid Dynamics), zu Deutsch numerische Strömungssimulationen, sind bisher vor allem in den Branchen Automotive- und Aerospace üblich, in der Medizintechnik aber noch weitgehend unbekannt. Sulzer Mixpac verfügt aufgrund jahrelanger Forschungen in diesem Bereich über einen großen Erfahrungsschatz und möchte seinen Kunden bei der Entwicklung innovativer Produkte sein Know-how zur Verfügung stellen. Das Unternehmen ist nach eigenen Angaben weltweit das einzige, welches die Technologie für Mehrkomponenten-Mischungen nutzt, die in der Medizintechnik eingesetzt werden.
Anwendung finden CFD-Simulationen vor allem bei der Optimierung bestehender Produkte und bei Produktneuentwicklungen der Hersteller von Mehrkomponenten-Massen für Endverbraucher wie Zahnärzte oder Zahntechniker. Die Herausforderung bei der Mischung mehrerer Stoffe liegt darin, verlässliche Informationen dazu zu erhalten, wie aus diesen eine homogene Masse, die jederzeit reproduziert werden kann, entsteht. Dieser Anforderung stehen Medizintechniker beispielsweise beim Anfertigen von Zahnabdrücken gegenüber.
Dietmar Salzgeber erklärt dazu: „Bisher herrscht hier vor allem die ‚Trial and Error‘-Methode vor, das heißt Zahnärzte, Medizintechniker oder Anbieter der Massen mischen die jeweiligen Komponenten per Hand. Oft wissen die Anbieter erst durch eine große Anzahl an Tests, ob und wie zwei Komponenten aufeinander reagieren – warum und welche chemischen Reaktionen dahinter stecken, bleibt ein Geheimnis. Zum einen kann durch diese Vorgehensweise nie zwei Mal dasselbe Ergebnis entstehen – vor allem bei farblich ähnlichen Komponenten ist die Mischqualität schwer festzustellen. Zum anderen ist bei Produktneuentwicklungen die Time-to-Market um ein Vielfaches länger und kostenintensiver. Mit Hilfe von CFD können dagegen nicht nur optimale Mischverhältnisse eruiert und so reproduzierbare Mischergebnisse garantiert werden, sondern der gesamte Entwicklungsprozess wird erheblich verkürzt.“
Ziel der Simulation ist, ein optimales Mischverhältnis mehrerer Komponenten zu erreichen. So haben beispielsweise Faktoren wie Viskosität, Druckverhältnisse und Dichte oder Oberflächenspannung eine Wirkung auf die Strömung eines Stoffes. Die Experten bei Sulzer Mixpac simulieren, basierend auf der Mischgeometrie und den Materialeigenschaften der Komponenten, das bestmögliche Austragsystem, um eine hohe Mischgüte beziehungsweise Homogenität zu erzeugen.
Anhand der CFD-Simulationen kann die optimale Verweilzeit eines Stoffes im Mischer berechnet werden. Diese darf beispielsweise nicht zu lang sein, so dass die Komponenten schon reagieren, ohne den Mischer verlassen zu haben. Kontraproduktiv wäre beispielsweise auch, wenn der aufzubringende Druck, um die Masse aus dem Mischer ausdrücken zu können, so hoch ist, dass dieser die Handkraft eines Anwenders übersteigt. Mit Hilfe numerischer Strömungssimulationen kann sichergestellt werden, dass zwei Stoffe zum richtigen Zeitpunkt aufeinandertreffen, das heißt, dass sich diese gleich lang im Mischer befinden.
Da in der Medizintechnik vorwiegend zähflüssige Materialien verwendet werden, liegt auch der Schwerpunkt von Sulzer Mixpac im Strömungsverhalten hochviskoser Stoffe. Die Komponenten bewegen sich hierbei laminar, das heißt in Schichten ohne sichtbare Turbulenzen. Bekommt Sulzer von seinen Kunden Daten hinsichtlich der Materialeigenschaften, können die Ingenieure direkt die Berechnung starten. Liegen jene Eigenschaften, etwa die Viskositätskurven (Rheologie) der Materialien, nicht vor, kann Sulzer diese ermitteln.
„In unseren Applikationslaboren führen wir Materialtests für die Auswahl der Produktkonfiguration durch“, so Salzgeber. Die Simulationen werden in einem extra dafür eingerichteten Rechenzentrum bestehend aus einem Cluster mit über 200 High-Performance-Prozessoren durchgeführt. Zeigt dort die Berechnung ein optimales Ergebnis an, ist der nächste Schritt die ‚echte‘ Mischung der Komponenten. Vergleichsbilder demonstrieren, dass die Simulationen mit den tatsächlich gemessenen Mischverhältnissen sehr gut übereinstimmen. Hier gilt: Je genauer die Randbedingungen der Berechnung, desto genauer das Ergebnis.
„Bisher haben wir CFD-Simulationen vor allem intern genutzt und dabei unter anderem unseren T-Mischer, eine völlig neue Mischtechnologie, entwickelt, der bei bestimmten Komponenten ein deutlich besseres Ergebnis liefern. Unser ursprünglicher Grund für die Einbindung von CFD war, die Entwicklung unserer Mischsysteme zu optimieren. Davon können ab sofort auch unsere Kunden profitieren“, erklärt Salzgeber. Das Unternehmen testet alle Komponentenmischsysteme, wie sie später auch bei den Abnehmern eingesetzt werden. „Bis ein perfektes Mischverhältnis entsteht, fällt ein enormer Abfall an Einwegmischern an. In Zeiten steigenden Umweltbewusstseins und wachsender Rohstoffpreise bedeutet das, unnötigen Verlust an Mischern und Material zu produzieren. Und das ohne ein garantiert qualitatives Ergebnis“, so Salzgeber weiter.
Dank der Erfahrungswerte des Großkonzerns kann sich Sulzer Mixpac durch gezielten Know-how-Einsatz als Technologieführer im Bereich CFD für Mehrkomponenten-Mischsysteme positionieren. Der Vorteil für die Kunden liegt auf der Hand: Sie profitieren durch Zeitersparnis beim Time-to-Market und Kostensenkung beim verminderten Verbrauch von Einweg-Austragssystemen für Testzwecke. „Wir freuen uns schon sehr darauf, auf der Compamed im November erstmals unser neues Angebot zu präsentieren“, so Salzgeber abschließend.
Jennifer Appel Journalistin in München
CFD-Simulation verbessert Mischsysteme durch reproduzierbare Ergebnisse
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