Individuelle Antriebslösungen für Prothesen

Mit dem richtigen Motor sorgt eine Miniaturmembran-Vakuumpumpe für den festen Sitz der Beinprothese – ganz ohne Riemen und Gurte. Das macht das Leben für Anwender:innen einfacher und stressfreier.

Dynaflo, Inc. konstruiert und fertigt OEM-Membran-Vakuumpumpen und Kompressoren. Das Unternehmen bietet seit langem kundenspezifische Lösungen, um die Bedürfnisse hochspezifischer Anwendungen zu erfüllen. Jede Herausforderung wird bewältigt, indem zunächst eine Reihe von Elementen wie Grösse, Leistung, Stromverbrauch, Materialbedarf und alles, was sonst noch wichtig ist, analysiert wird. So findet Dynaflo die sinnvollste Lösung für die Anwender:innen.

Als das Unternehmen eine neue Anwendung entwickelte, mit der Prothesen – vor allem Beinprothesen – befestigt werden sollten, wurde zunächst geprüft, ob sich eine der vorhandenen Vakuumpumpenplattformen eignet. Häufig können existierende Konstruktionen leicht angepasst werden, um das aktuelle Problem zu lösen. Bei dieser Anwendung entwarf Dynaflo jedoch ein neues Design: die Vakuumpumpe der Serie 2000, die die höchsten Vakuumniveaus bietet, die derzeit für eine Membranpumpe dieser Grösse verfügbar sind (siehe Abbildung 1).

Generell sind Dynaflo Produkte so konzipiert, dass sie bei maximalem Wirkungsgrad bis zu 60 Prozent weniger Strom verbrauchen als Produkte führende Wettbewerber. Dies wird zum einen erreicht, indem verschleissarme Bauteile, wie zum Beispiel hochwertige Lager verwendet werden, dazu speziell formulierte und verarbeitete Materialien sowie standardmässige und teilweise angepasste bürstenlose DC-Motoren, die eine extrem hohe Leistung für lange Lebenszyklen bieten.

Da die vom Unternehmen entwickelten Pumpen ölfrei sind, besteht beim Betrieb der Geräte keine Verschmutzungsgefahr. Das einmalige Design der Pumpen selbst zeichnet sich durch einen besonderen Ansatz des Unternehmens aus, bei dem die Membran gebogen und nicht gedehnt wird. So wird weniger Kraft benötigt, um die Membran zu bewegen, der Wirkungsgrad voll ausgenutzt und der nötige Betriebsstrom reduziert. Diese Vorteile in Kombination eigneten sich ideal für die Befestigung von prothetischen Gliedmassen.

Abbildung 2: Die Dynaflo Pumpe, mit der Prothesen mit Vakuum anstelle von Riemen und Gurten befestigt werden, muss unter Last starten.

Obwohl einige Prothesen mit einem Verbindungsstift und einem Prothesenstrumpf oder -kissen ausgestattet sind, müssen viele weiterhin umständlich mit Riemen und Gurten befestigt werden und verrutschen mit der Zeit. Ausserdem verursachen die verwendeten Materialien häufig Schürfwunden am Bein. Die Lösung: ein Befestigungssystem mit Vakuum. Da Dynaflo kein Gerät im Sortiment hatte, das dem Anforderungsprofil der Anwendung auch nur annähernd entsprach, entschied sich das Ingenieursteam, ein ganz neues Produkt zu entwerfen. Die resultierende Konstruktion der Miniaturmembran-Vakuumpumpe musste eine Reihe von wichtigen Vorgaben erfüllen, um richtig zu funktionieren (siehe Abbildung 2).

Ein Hauptanliegen des Teams war es, die Prothese ohne jeglichen Vakuumverlust am Körperteil zu halten. Denn sonst könnte sich die Prothese unerwartet lösen und der Patient bzw. die Patientin womöglich zu Schaden kommen. Dem Team war deshalb klar, dass die Pumpe bereits unter Last starten musste. Dafür wurde ein Pumpenmotor benötigt, der jederzeit ein sehr hohes Drehmoment liefern konnte. Auch die Pumpe musste in der Lage sein, innerhalb weniger Sekunden -27 Hg zu erreichen. Hinzu kam, dass die Pumpe mit einer Dicke von weniger als einem halben Zoll sehr klein sein musste, und damit waren die endgültigen Konstruktionsparameter sehr spezifisch und schwer umzusetzen.

Der richtige Motor

Das Ingenieursteam von Dynaflo entschied sich für den maxon RE 16 Motor für seine Pumpe (siehe Abbildung 3). RE-Motoren sind bürstenbehaftete Präzisions-DC-Motoren mit eisenloser Wicklung und Edelmetallkommutation sowie Seltene-Erden-Magneten, die eine sehr genaue Steuerung möglich machen. Die Stromaufnahme ist dabei proportional zu den Drehmomentanforderungen der Anwendung. Die Motorlösung für die Pumpe lieferte einen Wirkungsgrad von mehr als 90 Prozent und bot gleichzeitig die feine Drehbewegung, die für einen ordnungsgemässen Betrieb notwendig war.

Die Motoren verwenden Graphitbürsten mit einer Leistung von 2.5 Watt. Der RE 13 mit einem Durchmesser von 13 mm und einem Nennmoment von 1.44 mNm kann mit Drehzahlen bis zu 10600 U/min betrieben werden. maxon Motoren der Serie RE waren buchstäblich die einzigen verfügbaren Motoren, die derart sensible und wichtige Anforderungen erfüllen konnten. Der Verbau des Motors in das Dynaflo Design gestaltete sich relativ problemlos und der RE war zudem eine geräuscharme Lösung.

Abbildung 3: Der von maxon entwickelte und hergestellte RE 16 bot das nötige Drehmoment, um die Vakuumpumpe unter Last zu starten.

Weil maxon das notwendige Know-how besass und die Konstruktions- und Fertigungsdetails genau beachtete, konnten die Motoren für eine lange Lebensdauer der Pumpenanwendung sorgen. Das war ganz besonders vorteilhaft, denn das Unternehmen benötigte einen Pumpenmotor, der auf lange Sicht wartungsfreundlich ist. Da der Motor den Grossteil der Pumpenkosten ausmachte, legte Dynaflo Wert darauf, dass der Motor wiederverwendbar ist, wenn Pumpen überholt werden. Dank der langen Lebensdauer des maxon Motors konnte das Unternehmen Tausende von Pumpen mit einem neuen Kopf und einem neuen Ventil nachrüsten und mit demselben Motor wieder in Betrieb nehmen.

Fazit

Die für die Befestigung der Beinprothese verwendete Pumpe kann ihren Zweck nur mit dem richtigen Motor erfüllen. Weil hier Unterdruck in unmittelbarer Nähe zum menschlichen Körper erzeugt wird, kann bei unsachgemässer Herangehensweise eine potentiell gefährliche Situation entstehen. Das Ingenieursteam von Dynaflo wählte die Komponenten mit viel Sorgfalt aus und schaffte so eine Vakuumpumpe, die auf Jahre hin sicher und wartungsfreundlich bleibt. Das Ergebnis war ein benutzerfreundliches Produkt, das Endverbraucher:innen das Leben erleichtert.