Dialysegeräte, Infusionspumpen oder auch Spritzenpumpen haben etwas gemeinsam: Sie sind mit Aktuatoren ausgestattet, die Bewegungsfunktionen präzise realisieren, und sollen leise arbeiten. Das liegt zum einen am Einsatz direkt am Krankenbett, aber auch daran, dass Schwingungen die Lebensdauer der Geräte verkürzen. Deswegen ist es von Vorteil, unerwünschten Geräuschen bereits in der Designphase auf den Grund zu gehen und entsprechende Grenzwerte einzuhalten, sprich: mechatronische Systeme von vornherein für längere Standzeiten optimiert zu entwickeln und zu produzieren.
Ungewollte Schwingungen treten zum Beispiel in Infusionspumpen auf, deren Antriebseinheiten das Infusionsmedium hochpräzise und automatisiert dosieren. Bis zu einem gewissen Geräuschpegel werden diese Geräusche vom Anwender oder Patienten hingenommen. Wenn der Geräuschpegel jedoch zu hoch ist, muss die Infusionspumpe getauscht und aufwendig gewartet werden.
Lassen sich die Ursachen für unerwünschte Schwingungen und Geräuschemissionen schon früh erkennen, kann der Entwickler ihnen aber entgegenwirken. Hierfür gilt es, rechtzeitig die einzelnen, im Produkt verbauten Mechatronik-Komponenten und deren Einzelteile zu betrachten: sowohl hinsichtlich ihrer konstruktiven Merkmale, als auch bezogen auf ihre Fertigungsqualität. Bereits kleinste Unebenheiten in der Oberfläche können zu einem Überschreiten der akzeptablen Grenzwerte des Gesamtsystems führen.
Mit der Körperschallanalyse lassen sich solche Fehlerquellen gut nachweisen. Korrekt angewendet, unterstützt sie den Entwickler dabei, sein mechatronisches Antriebssystem schwingungstechnisch und akustisch optimiert zu realisieren. Dazu werden die Schwingungssignaturen der betroffenen Bauteile erfasst. Bei Bedarf und Problemen mit einzelnen Komponenten lassen sich entsprechende Designanpassungen vornehmen – und Schwingungen, die die Lebensdauer der Bauteile verkürzen oder zu hohe Geräuschemissionen nach sich ziehen, werden von vornherein ausgemerzt.
Schall lässt sich tastend oder berührungslos messen
Bei der Körperschallanalyse werden physische Schwingungen und Schwingungseigenschaften eines Bauteils untersucht und bewertet. Dafür eignen sich berührende Verfahren mittels einer Tastspitze, die am Prüfling aufliegt, wie auch nicht berührende Messverfahren mittels Laservibrometer. Hier werden die Schwingungen durch Interferenzerscheinungen des reflektierten Laserstrahls erfasst.
Die Praxis hat gezeigt, dass die Analyse mittels Laservibrometer deutlich größere Abtastfrequenzen ermöglicht – und damit auch das Messen hochfrequenter Schwingungen. Die erfassten Messdaten werden über eine spezielle Messumformer-Hardware an eine Auswertungssoftware weitergeleitet und anschließend sowohl im Frequenz- als auch im Zeitbereich untersucht und bewertet.
Was das bringt, lässt sich am Beispiel aus der Praxis erläutern: In Dialysesystemen werden Sonderkonstruktionen von Planeten- und Stirnradgetrieben eingesetzt, die ein Laufgeräusch von 45dB(A)) unabhängig von der Belastung gewährleisten. Während des Designs kann mit Körperschallanalysen an Mustern – und damit einhergehenden Material- und Konstruktionsoptimierungen – gearbeitet werden, sodass das System schwingungs- und geräuschoptimiert in die Serie überführt wird. Das reduziert den Wartungsaufwand in der laufenden Anwendung deutlich.
Konsequenzen aus der Analyse am besten schon früh umsetzen
Generell empfiehlt es sich, die Körperschallanalyse in die Produktentwicklung zu integrieren, wenn noch grundlegende Änderungen – zum Beispiel an der konstruktiven Auslegung oder an der Materialauswahl – möglich sind. Dann ist „schwingungstechnische Optimum“ bei überschaubaren Kosten erreichbar.
Aber auch einem anderen Ziel kann die Körperschallanalyse dienen: Ihre Ergebnisse lassen sich beispielsweise auch nutzen, um die Standfestigkeit von Systemen zu steigern und zugleich das Gewicht und Kosten zu optimieren.
Da die Körperschallanalyse spezielle Messtechnik, Methoden und Know-how erfordert, die an den jeweiligen Anwendungsfall und die Ziele angepasst sind, ist die Nutzung des Verfahrens im eigenen Unternehmen zwar möglich, aber aufwendig. Im Einzelfall empfiehlt es sich daher, mit einem externen Spezialisten zusammenarbeiten, um zum gewünschten Ergebnis zu kommen.
Über den Anbieter
Systemtechnik Leber aus Nürnberg bietet Lösungen im Bereich Antriebstechnik, Digitalelektronik, Feldbus- und Kommunikationstechnik, Leistungselektronik und individueller Stromversorgungen sowie Leistungsstellern. Auch Hersteller von Medizintechnik gehören zu den Auftraggebern. Das fränkische Unternehmen entwickelt Konzepte sowie Elektronik, Hard- und Software und unterstützt in allen Phasen der Produktentwicklung. Die Leber GmbH & Co. KG ist ein Unternehmen der Burger Group.
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