Hög precision under 370 miljoner cykler: axel-/glidlagersystem i det konstgjorda hjärtat

Kort beskrivning

• Vad som behövdes: Specialglidlager och axel för drivenheten som flyttar membranen i pumpkamrarna
• Krav: Underhållsfria, kompakta, med litet spel, beständiga mot kemikalier, fukt samt upprepad torsionsbelastning och växlande tvärbelastning, livslängd över 370 miljoner cykler, låg vikt
• Bransch: medicinteknik, medicinsk utrustning
• Framgång för kunden: Med ett specialtillverkat iglidur J glidlager och en passande drylin aluminiumaxel kunde ReinHeart TAH GmbH utveckla ett precist, underhållsfritt och hållbart drivsystem som fungerar tillförlitligt trots hög belastning och minimalt utrymme och som maximerar det artificiella hjärtats effektivitet.

Det artificiella hjärtat består av en drivenhet samt två pumpkammare som fungerar som deplacementpumpar. Pumpkamrarna har ett fast hus och flexibla membran som växelvis flyttas med hjälp av en patenterad elektromekanisk linjärdrift. Genom denna rörelse skapar de konstgjorda hjärtklaffarna ett riktat, pulserande blodflöde.

Inuti drivenheten används ett axel-/glidlagersystem som med hög precision leder ställdonets spolar genom statorns magnetfält. För att uppnå högsta möjliga verkningsgrad hos drivsystemet finns det endast en minimal luftspalt mellan ställdonets spolar och magneterna. Lägesgivare på lagret övervakar axelns rörelse exakt och tillåter endast några tiondels millimeters förskjutning och några få graders vridning.

De tekniska utmaningarna är många: Systemet måste fungera underhållsfritt och garantera en varaktig precision även under växlande belastning. Glidlagret måste under en livslängd på 5 år (cirka 370 miljoner cykler) tåla upprepade torsionsbelastningar samt växlande tvärbelastningar, beroende på patientens läge och rörelser.

En kompakt storlek, låg vikt samt kemikaliebeständighet och låg fuktupptagning är ytterligare avgörande faktorer. Glidlagret är visserligen placerat inuti drivenheten, där det inte finns någon direkt kontakt med kroppens egna vätskor. På grund av plastens permeabilitet måste man dock på lång sikt räkna med att fukt tränger in i drivenheten och därmed kommer i kontakt med lagret. Dessutom får det inte finnas några potentiellt farliga rester av bortnötta metallpartiklar.

I det första försöket testades ett tvåaxligt system, men det gick trögt eftersom tillverkningstoleranserna var svåra att uppfylla, vilket till och med ledde till att en axel gick sönder. Dessutom var lösningens platsbehov betydligt större på grund av de två glidlagren.

Eftersom det inte fanns någon standardlösning som uppfyllde de omfattande kraven, konstruerade ReinHeart axel-/glidlagersystemet och realiserade det i samarbete med igus. Det ****specialtillverkade lagret består av materialet iglidur J, som tack vare sin kemiska beständighet, låga fuktupptagning och smörjfrihet är idealiskt för denna tillämpning. Eftersom det inte finns någon risk för nötningspartiklar av metall är en säker drift garanterad. Axeln är en drylin AWMP-aluminiumaxel, ett idealiskt motgående material till iglidur J, som garanterar en smidig funktion och minimal nötning under hela livslängden.

Lagret är platsbesparande, lätt och har urtag som möjliggör integrering av lägesgivare för noggrann övervakning av axelns rörelse. Lager och axel är försedda med ett vridskydd, är geometriskt anpassade till varandra och har snäva toleranser vad gäller form och läge. En central egenskap hos axel-/lagersystemet är en planerad ”inbränningsfas”: Vid den första ihopsättningen ska axeln avsiktligt sitta fast i lagret och endast kunna röra sig genom att en specifik kraft utövas. Under den första driftsfasen anpassar sig lagrets kontur efter axeln, vilket säkerställer en optimal styrning.

Kombinationen av axel, lager och sensorer uppfyller kraven på minimala luftspalter, exakt styrning och robusthet vid varierande tvär- och torsionsbelastningar. Detta resulterar i en exakt styrning som förblir underhållsfri under en användningstid på fem år.

Efter flera års utveckling finns nu den andra generationens axel-/lagersystem. För ReinHeart TAH GmbH är resultatet mycket tillfredsställande och det måste nu bevisa sin kvalitet i långtidstester. Tillsammans med igus har man utvecklat testkoncept för glidlagren, där även igus går nya vägar.