Innovatives Entwicklungswerkzeug in der Medizintechnik: Echtzeitfähige Simulation von Kabelbewegungen in der Röntgentechnik
Die NAFEMS Regionalkonferenz bietet ein einzigartiges, neutrales und umfassendes Informationsangebot im Bereich der numerischen Simulationsmethoden sowie eine Plattform, auf der neue Techniken und Tools präsentiert werden. Für die Teilnehmer besteht die Möglichkeit, auf breiter Basis erfolgreiche Anwendungen und Trends mit Spezialisten aus der Forschung und im besonderen Maße aus der Industrie zu diskutieren.
Im Rahmen der 3. Fachkonferenz stellte Prof. Dr. Franz Magerl (Fakultät Wirtschaftsingenieurwesen) eine Echtzeitsimulation zur Analyse, Bewertung und Optimierung von Kabel- und Schlauchbewegungen in der Medizintechnik basierend auf einem nichtlinearen Cosserat-Balkenmodell vor.
Die Differenzierung zur klassischen Finite-Elemente-Methode mit Balken- und Volumenkörpern und zur Mehrkörpersimulation mit flexiblen eindimensionalen Körpern wurde im Rahmen seines Vortrages diskutiert und bewertet.
In der Medizintechnik werden diagnostische Röntgensysteme mit Röntgenquellen, Detektoren und anderem Equipment ausgestattet. Diese Komponenten müssen flexibel zum ruhenden Patienten positioniert werden. Die Halterung der Komponenten sind in der Regel mehrachsige mechatronisches Gebilde, wie z. B. 6-Achs-Industrieroboter oder mehrachsige C-Bogenstative. Die Komponenten sind mit einem stationären Zentralsystem über Datenleitungen, Energieleitungen und Kühlleitungen verbunden. Diese Leitungen sind zu einem Bündel zusammengefasst und werden in einem Schutzschlauch am Stativ geführt. Die Entwicklung der Schlauchführung mit entsprechenden Stützstellen und Speichermöglichkeiten wurde bis heute dominierend experimentell durchgeführt. Um die Entwicklungszeiten zu verkürzen, alternative Lösungen zu konzipieren und die Entwicklungsqualität zu verbessern ist es notwendig, spezifische Simulationsverfahren zu entwickeln und einzusetzen, mit denen die flexiblen Systeme in Echtzeit modelliert und am Computer optimiert werden können.
Als Eingangsparameter für die Simulation sind die Biege-, Zug- und Torsionssteifigkeiten und die Materialdichte notwendig. Zur Bestimmung der Steifigkeiten und zur exemplarischen Verifikation wurde an der OTH Amberg-Weiden ein spezifischer Prüfstand entwickelt, da für die Simulation die Materialcharakterisierung eine dominierende Rolle spielt. Die wichtigsten Funktionalitäten der verfügbaren Simulationsergebnisse, die im Rahmen des Vortrages diskutiert wurden, sind nachfolgend dargestellt:
Durch die Simulation können vor allem die Kabel- bzw. Schlauchlängen optimiert und damit Kosten und Ressourcen eingespart werden. In einem nächsten Schritt wird durch Entfernen oder Hinzufügen von Clips und Verzweigungen eine ideale Kabelverlegung generiert. Hierfür ist die Darstellung kritischer Beanspruchungen mit Hinweisen auf die Grenzwertüberschreitung ein hilfreiches Feature. Durch die berechneten Reaktionskräfte und -momente können Rückschlüsse auf die Lebensdauer bzw. die Ausfallwahrscheinlichkeit getroffen werden. Das Hüllvolumen beim Bewegungsvorgang zeigt den notwendigen Freiraum für die Kabelbewegungen an. Ist dieser Freiraum nicht gegeben, kann über eine Kollisionsdetektion dargestellt werden, an welchen Stellen Kontakt zu anderen Bauteilen oder Eigenkontakt zum Schlauchpaket auftritt.
Es besteht die Möglichkeit auch Aufgabenstellungen mit synchronen Bewegungsabläufen zu simulieren. Hierbei können mehrere unterschiedliche Kabel- und Leitungspakete bei gleichzeitiger Bewegung um mehrere Achsen analysiert werden. Dazu ist es nicht notwendig, sich nur auf Dreh- und Längsbewegungen zu beschränken, sondern es gibt die Möglichkeit willkürliche Bewegungspfade zu importieren und für die Simulation zu verwenden.
Der größte Vorteil ist jedoch, dass diese Ergebnisse durch interaktive Manipulation in Echtzeit ermittelt werden können. Somit kann eine komplexe Entwicklungsaufgabe in der Medizintechnik zuverlässig gelöst werden.