Konstruktionsseminar SS15 Mobile Pumpe als Ersatz für ein menschliches Herz ( in Anlehnung an ein bei Acandis laufendes Projekt mit Zahnradpumpe ) Teilnehmer: − Hicham Ettoumi − Timo Bachofer − Philipp Knüppel − Lucas Bittigkoffer − Simon Scharpf − Michel Janzen − Alexander Kerstiens − Torsten Kunert − Marcus Kurrle − Manuel Dieterle Mobile Pumpe als Ersatz für ein menschliches Herz 1. Einführung 2. Vorgehen • • Betrachtung Gesamtsystem Definition der Anforderungen 3. Motor & Getriebe • • Auslegung Konstruktion 4. Membranpumpe • • 5. 6. 2 Auslegung Konstruktion Druckverlaufsformung Fazit & Ausblick 1. Einführung – Kardiovaskuläres System Niederdrucksystem: • Blutdruck zwischen 0-15mmHg • Komponenten (z.B. Venen, rechte Herz) haben hohe Dehnbarkeit Anforderung an künstliches Herz Quantifizierung Volumenstrom > 4 l/min Temperatur < 37°C Gesamtgewicht < 1000g Geringe Turbulenzen Keine Blutgerinnung Maße 90 x 90 x 90 mm 3 Hochdrucksystem: • Blutdruck in Ruhe zwischen 70-120mmHg • linke Herzkammer und Arterien des Körperkreislaufes • Versorgung der Organe mit Blut 1. Einführung – Aufgabenstellung Motivation: • Künstliches Herz: Stand von vorherigen Seminaren Konstruktion erfüllt Vorgaben in Bezug auf: • Gewicht (783g) Temperatur (≈37°C) Volumenstrom (4,55l/min) Bauvolumen (Ø112 x 119mm) Nachbildung menschlicher Kreislauf durch Prof. Dr. Bernhard Offener Punkt: Druckverlauf bei Kolbenpumpe sehr ausgeprägt Weiterentwicklung in Richtung Druckverlaufsformung => Aufgabe Konstruktionsseminar SS15: Entwicklung einer mobilen Pumpe ( auf Basis Kolbenpumpe ) für Strömungsuntersuchungen im menschlichen Kreislauf; Möglichkeit zur Druckverlaufsformung ( Anlehnung an laufendes Projekt bei Acandis mit Zahnradpumpe und Druckverlaufsformung über Stromprofil ) 4 2. Vorgehen – Gesamtsystem • Elektromotor erzeugt Drehzahl 𝑛1 , welche über das Getriebe auf die gewünschte Drehzahl 𝑛2 (=Herzfrequenz) untersetzt wird • Rotierende Ausgangswelle erzeugt über ein Pleuel einen linearen Hub • Hub treibt Membranpumpe an, welche Durchfluss und Druck erzeugt. Membranpumpe vorteilhaft, da Blut hermetisch vom Antrieb getrennt => keine Schädigung Qzu I Motor Getriebe Hub Kurbeltrieb MembranPumpe p(t) 5 2. Vorgehen – Druckverlaufsformung Druckverlaufsformer Drucksensor • Der Druck nach der Pumpe hat unzulässige Druckspitzen • Ansatz: Druckverlaufsformer dämpft die Schwingung und reduziert somit die Druckspitzen => Druckverlaufsformung durch manuelle Einstellung 6 2. Vorgehen – Anforderungen an mobile Pumpe 7 Anforderung Quantifizierung Forderung/Wunsch Durchfluss 4 -10 l/min variabel Puls 60-80 /min Druckverlauf formbar Keine Schädigung des Blutes Membranpumpe Pumpenmembrane ± Ø80mm Hub der Membrane 30mm Abschlusspräsentation Konstruktionsseminar SS15 3. Motor & Getriebe Motor und Getriebe I Motor Anforderungen: Getriebe Volumenstrom: Drehzahl n2: 4 – 10 l/min 60 – 80 U/min Drehmoment: Leistung: 2,5 Nm 20 Watt ´ Berechnet: 9 Berechnung des erforderlichen Drehmomentes Gegeben:Blutdruck (systolisch): 120 mmHg = 0,016 N/mm² Membrandurchmesser: Ø80 mm Hub: 30 mm Berechnung: erforderliches Drehmoment mit Sicherheitsfaktor 2,5 Nm 10 Motor und Getriebe Marktrecherche Motor mit Planetengetriebe Motor mit Schneckengetriebe Nidec DCK31-405197 Wirkungsgrad mit ca. 40% sehr schlecht ca. 100 € Faulhaber 3257012CR mit 32/3S Wirkungsgrad ca. 70% ca. 300 € Fazit: Motor mit Stirnradgetriebe geeignet 11 Motorauslegung E Einfluss des Luftspalts auf die Sättigung Luftspalt 1 mm 12 Getriebeauslegung Motordaten: Spannung Drehmoment Drehzahl Leistung 12 V 0,05 Nm 4340 U/min 22 Watt Untersetzungsverhältnis: iges= 65 3-stufig: i1= 4,5 Zahnrad Zähnezahl Breite [mm] Durchmesser [mm] Wellendurchmesser [mm] z1 25 4 12,5 8 z2 114 4 57 8 z3 25 4 12,5 8 z4 96 4 48 8 z5 25 4 12,5 8 z6 96 4 48 8 Getriebeausgang: Drehmoment: 2,5 Nm Drehzahl: 70 U/min 70 – 79 % Wirkungsgrad ηges: 13 i2= 3,8 i3= 3,8 Hersteller: Zimm Maschinenelemente Werkstoff: 11SMnPb30 geradeverzant Berechnungsgrundlagen aus Roloff/Matek Maschinenelemente Getriebe Festlager z1 z5 z4 z6 Motor z3 Loslager Fettwanne Getriebekasten 90 mm 14 z2 Abschlusspräsentation Konstruktionsseminar SS15 4. Membranpumpe Membranpumpe im Gesamtsystem • Gesamtsystem: Qzu I Motor Getriebe Kurbeltrieb Hub Membranpumpe p(t) 16 • Wandlung der Drehbewegung des Motors in Hubbewegung zur Förderung des Mediums mit periodischem Druckverlauf. • Anforderungen: 10l/min => - Hebelarm = Hub/2 = 9mm - Hubraum: 143 cm³ - Hubraum veränderbar Membranpumpe mit Kurbeltrieb Membranpumpe Kurbeltrieb 17 Membranpumpe Schnittdarstellung - Membranpumpe Ventile Entlüftung Elastomermembran Kunststoffgleitlager, trocken Kreuzkopf 18 Membranpumpe 19 Membranpumpe 20 Kurbeltrieb Anlenkung: Kugellager Pleuel Exzenter Passfeder Pressverband Obere Anbindung 21 Getriebeausgang Spannungsanalyse zum Pleuel • Last: 200 N • Werkstoff : Alu-Legierung • Streckgrenze : 250 Mpa • Max. Vergleichsspannung : 14,6 MPa Festigkeit gegeben 22 Abschlusspräsentation Konstruktionsseminar SS15 5. Druckverlaufsformer Druckverlauf in der Aorta vs. Druckverlauf Membranpumpe time [s] Druckverlauf in der Aorta 100 mmHg ≈ 0,133 bar Quelle: http://winfwiki.wi-fom.de/index.php/Bild:Systolischer_Diastolischerdruck2.jpg 24 Druckverlauf einer Membranpumpe (qualitativ) Druckverlaufsformer Weshalb wird ein Druckpulsationsdämpfer benötigt? • Zur Dämpfung der Druckspitzen der Membranpumpe • Zur Druckverlaufsformung Quelle: http://flowmatic.de/pulsationsdmpfer.html 25 Patentrecherche zu Druckpulsationsdämpfer pFluid FIG. 1 pFluid FIG. 2 pUmgebung 20 Fluidöffnung 22 Hohlraum (Fluidseite) 24 Elastische Schicht (Membran) 240 Elastomerfenster 25 Kontaktstellen Stützkörper – Membran 26 Gehäuse 28 Stützkörper 280 Stützgerüst 32 Öffnung zur Umgebung 36 Fluiddichter Randbereich der Membran Quelle: Patent DE 10 2011 087 856 A1 – Dämpfungselement und Anordnung zur Dosierung einer Flüssigkeit mit einem Dämpfungselement 26 pUmgebung Druckverlaufsformer Verdrillsicherung Balg Entlüftungsbohrung Einstellmutter „Dämpfung“ Gehäuse Kontermutter Balg 27 Verformungsanalyse zum Dämpfer • Balginnendurchmesser : 100 mm • Werkstoff : Gummi • E-Modul : 50 Mpa • Druck : 0,02 MPa • Max. Gesamtverformung : 1 mm Fazit: Bei Druckbeaufschlagung Verformung innerhalb der gegebenen Grenzen. 28 Druckverlaufsformer Balg liegt an äußerer Begrenzung an. Höherer Druck wird durch zusätzliches Überdruckventil abgebaut Druck-Verformungsdiagramm 29 Modalanalyse zum Druckverlaufsformer ∆p(t) Balg ∆Verformung(t) Eigenschwingungsform bei 7910,2 Hz Anregung im Betrieb ca 1 Hz => 1. Eigenschwingungsform unkritisch 30 Mobile Pumpe als Ersatz für ein menschliches Herz Zusammenfassung • System auf Basis „Kolbenpumpe“ ausgelegt und zeichnerisch festgelegt. • Motor- und Getriebe können als Katalogware beschafft werden • Variable Gestaltung des Druckverlaufsformer durch manuelle Einstellung Empfehlung für weiteres Vorgehen: • Erstellung eines Prototypen und Nachweis der Funktionalität • Diskussion der Ergebnisse und des weiteren Vorgehens mit Acandis und Prof. Dr. Bernhard 31
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