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Elastische Hydraulikaktoren in der minimal invasiven Chirurgie

 
: Spindler, Christian

:
Fulltext ()

Magdeburg, 2019, VII, 116 pp., XII
Magdeburg, Univ., Diss., 2019
URN: urn:nbn:de:gbv:ma9:1-1981185920-142686
German
Dissertation, Electronic Publication
Fraunhofer IPA ()
Hydraulik; Medizintechnik

Abstract
In dieser Arbeit wurde ein Modell zur Gestaltung eines hydraulischen Balgaktors erstellt, um die Frage zu klären, ob ein Balgaktor ein laparoskopisches Instrument antreiben kann. Die dabei ermittelten Parameter wurden für die Anwendung zum Antrieb eines laparoskopischen Instruments optimiert. Der Aktor wurde zunächst mit Solid Works designt, dann mit dem entsprechenden Materialmodell in Ansys integriert und anschließend vereinfacht. Zur Auswahl eines geeigneten Werkstoffes wurde eine Materialstudie mit der Formgedächtnislegierung Nitinol und verschiedenen Polymeren durchgeführt. Es wurden Simulationen zur Längenänderung des Aktors bei Druckbeaufschlagung und eine Direkte Optimierung der Parameter mit Ansys durchgeführt. Um genauere Materialdaten für die Simulationen zur Verfügung zu stellen, wurden Zugversuche mit eigens dafür hergestellten Zugproben durchgeführt. Zur Validierung des Modells wurde für die untersuchten Materialien ein Herstellungsprozess erarbeitet. Als Prozess zur Herstellung eines Aktors aus Nitinol wurde das selektive Laser Schmelzen gewählt. Dieser Herstellungsprozess wurde auf die Anwendung zur Fertigung des Balgaktors über mehrere Funktionsmuster und Iterationsstufen angepasst. Die Hauptpunkte dabei sind die Pulverherstellung, die miniaturisierte Fertigung, die Wärmebehandlung und die Oberflächenbehandlung der hergestellten Prototypen. Zur Validierung der Aktoreigenschaften in Bezug auf den Antrieb eines laparoskopischen Instruments wurden die Balgaktoren in Verformungsversuchen und in Kraftversuchen untersucht. Dazu wurde ein Versuchsstand konzipiert, aufgebaut, evaluiert und weiterentwickelt. Um die Formgedächtniseigenschaften der durch selektives Laser Schmelzen hergestellten Balgaktoren nachzuweisen und zu analysieren, wurde eine Dynamische Differenzkalorimetrie (DSC-Analyse) durchgeführt. In der vorliegenden wissenschaftlichen Abhandlung wurde gezeigt, dass die Fertigung eines Balgaktors durch selektives Laser Schmelzen möglich ist. Ein solcher Balgaktor mit einem Außendurch-messer von 5 mm kann für den Antrieb eines laparoskopischen Instruments verwendet werden. Diese Balgaktoren zeigen Undichtigkeiten, welche jedoch durch die Iterationsstufen minimiert wurden. Somit konnten für elastische Hydraulikaktoren Druckfestigkeiten von 1,6 MPa erreicht werden. Die erreichten Betätigungskräfte von 24 N für elastische Hydraulikaktoren wurden bei 5,5 MPa erreicht. Die maximalen Verformungen betragen 2,48 % der Gesamtlänge des Aktors und wurden bei einem Druck von 4,41 MPa erreicht. Durch die DSC-Messungen wurde nachgewiesen, dass die in dieser Arbeit mittels SLM hergestellten Bauteile die für die Formgedächtniseffekte grundlegende martensitische Umwandlung zeigen. Die Enthalpien der Proben aus dem Abschlussbereich liegen mit 15 bis 20 J/g in Bereichen, die mit konventionell hergestellten Formgedächtnisbauteilen vergleichbar sind. Bei der Probe aus dem Anschlussbereich ist im Gegensatz zu den Proben aus dem Verformungsbereich eine deutlichere Phasenumwandlung nachweisbar. Die Phasenumwandlungen erfolgen über einen relativ breiten Temperaturbereich und sind im Anschlussbereich zweistufig und im Verformungsbereich einstufig. Die jeweiligen Start- und Finish-Temperaturen der verschiedenen Proben aus dem Anschluss- und Verformungsbereich weisen sichtbare Unterschiede auf. Die Verschiebung der Umwandlungs-peaks ist bei allen Proben deutlich größer als angenommen. Die Af Temperatur des durch selektives Laser Schmelzen hergestellten Balgaktors liegt mit 64,7°C um mindestens 63,7 K höher als die Af Temperatur beim verwendeten Halbzeug (-11°C bis +1°C). Die Erfüllung aller Anforderungen an einen Aktor zum Antrieb eines laparoskopischen Instruments konnte in dieser Arbeit noch nicht erreicht werden. Jedoch wird durch die Simulationen deutlich, dass die Anforderungen mit Nitinol im Prinzip erfüllt werden können. Dazu muss jedoch der Herstellungsprozess für einen Balgaktor aus Nitinol noch verbessert werden. Des Weiteren muss das Vorhandensein der Formgedächtniseigenschaften bei einer geringen Wanddicke von 0,5 mm, welche laut der durchgeführten DSC-Analyse nahezu nicht vorhanden sind, untersucht werden. Die erzielten Ergebnisse stellen eine Basis für die SLM-Verarbeitung von Nitinol dar. Vor allem für die Nutzung der superelastischen Formgedächtniseigenschaften sind die Erkenntnisse essentiell. Die erreichten Kennwerte des Aktors übertreffen die aus dem Stand der Technik bekannten Aktoren, in Größenordnungen von 5 mm Außendurchmesser, bei weitem. Ein Aktor, mit großartigem Zukunftspotenzial im Vergleich zu konventionellen hydraulischen Aktoren für den Einsatz in der minimal invasiven Chirurgie ist entstanden.

: http://publica.fraunhofer.de/documents/N-593148.html