Aangepaste aandrijfoplossingen voor protheses

Met behulp van de juiste motor houdt een miniatuurmembraanpomp kunstbenen op hun plaats, waardoor riemen en banden overbodig zijn. Dankzij de pomp is het leven voor de gebruiker gemakkelijker en minder belastend geworden.

Dynaflo, Inc., ontwerper en fabrikant van OEM-membraanpompen en compressoren, heeft een reputatie als aanbieder van oplossingen op maat voor zeer specifieke toepassingen. Het bedrijf pakt elke uitdaging aan door steeds een aantal factoren onder de loep te nemen en te analyseren, waaronder grootte, output, stroomverbruik, materiaalbehoeften en wat er nog meer voor de oplossing belangrijk is. Het doel is dat de gebruiker er zoveel mogelijk van profiteert.

Toen men in het bedrijf aan een nieuwe toepassing begon te werken waarbij het erom ging prothetische ledematen te ondersteunen (voornamelijk voor de bevestiging van de benen), keek men eerst of een van de bestaande vacuümpompen er geschikt voor zou zijn. Vaak hoeft alleen maar een eerder ontwerp aangepast te worden om een probleem op te lossen. Voor deze toepassing creëerde het bedrijf een nieuw ontwerp, de 2000-serie vacuümpomp, die de hoogste vacuümniveaus biedt die momenteel voor een membraanpomp van deze omvang beschikbaar zijn (zie afbeelding 1).

Over het algemeen zijn de producten van Dynaflo ontworpen om de efficiëntie te maximaliseren. Men streeft ernaar pompen te bouwen die tot 60 procent minder vermogen nodig hebben dan toonaangevende concurrenten. Dit wordt gerealiseerd door de toepassing van een gepatenteerde aanpak. Deze houdt onder meer het gebruik van slijtarme componenten in zoals hoogwaardige lagers, speciaal geformuleerde en verwerkte materialen en standaard en semi-conventionele borstelloze DC-motoren die extreem hoge prestaties leveren bij een lange levensduur.

Aangezien de pompen die door het bedrijf ontworpen worden olievrij zijn, werken de apparaten zonder risico op verontreiniging. Het unieke ontwerp van de pompen is gebaseerd op een unieke producteigenschap waarbij het membraan wordt gebogen in plaats van uitgerekt. Deze strategie minimaliseert de kracht die nodig is om het membraan te verplaatsen, maximaliseert zijn efficiëntie en vermindert het vermogen dat voor de werking vereist is. Deze combinatie van voordelen was ideaal voor de bevestiging van een prothese.

Afbeelding 2: De Dynaflo-pomp, die onder belasting moet opstarten, houdt protheses op hun plaats met behulp van vacuüm in plaats van riemen en banden

Hoewel sommige protheses worden bevestigd met een vastzetpen en een prothesekous of -kussen, hebben veel protheses nog steeds riemen en banden, die lastig te bevestigen zijn en na verloop van tijd niet blijven zitten. Bovendien veroorzaken de gebruikte materialen vaak schaafwonden en wrijving aan de ledematen. De oplossing was een op zuigkracht gebaseerd bevestigingssysteem. Aangezien Dynaflo niet over een kant-en-klare unit beschikte die aan de toepassingsvereisten beantwoordde, besloot men een volledig nieuw product vanaf nul te creëren. Het ontwerp van de miniatuurmembraanpomp dat het ingenieursteam van het bedrijf bedacht, moest voor een accurate werking aan een aantal belangrijke specificaties voldoen (zie afbeelding 2).

Een belangrijk punt van zorg voor het team was dat tijdens het dragen van de prothese geen vacuüm verloren mocht gaan, zelfs niet een klein beetje. Dit zou er namelijk toe kunnen leiden dat de ledemaat onverwachts loskomt en de gebruiker mogelijk letsel oploopt. Om dit probleem op te lossen moest de pomp onder belasting kunnen opstarten. Daartoe moest de pompmotor zo nodig zeer hoge koppels kunnen leveren. Men wilde ervoor zorgen dat de pomp binnen enkele seconden -27 Hg kon bereiken. Voeg daarbij dat de pomp klein moest zijn, minder dan een halve centimeter dik. Het is duidelijk dat de uiteindelijke ontwerpvereisten en -parameters zeer specifiek en moeilijk haalbaar waren.

De juiste motor

Het ingenieursteam van Dynaflo koos de maxon RE16 motor om de pomp aan te drijven (zie afbeelding 3). RE-motoren zijn precisiemotoren oftewel geborstelde gelijkstroommotoren met ijzerloze wikkelingen en commutatie van edelmetaal en zeldzame-aardemagneten. Dit alles is ten behoeve van een nauwkeurige regeling waarbij de stroomafname evenredig is met de koppelvereisten van de toepassing. De motoroplossing voor de pomp leverde meer dan 90 procent rendement op en zorgde tegelijkertijd voor de fijne draaibeweging die nodig was voor een goede werking.

De motoren gebruiken grafietborstels met een vermogen van 2,5 W. De RE13 heeft een diameter van 13 mm en een nominaal koppel van 1,44 mNm en werkt bij snelheden tot 10.600 rpm. De RE-motorserie van maxon was letterlijk de enige beschikbare motor voor zo’n gevoelige en belangrijke toepassing. Dynaflo kon de motor relatief eenvoudig in het ontwerp integreren. Bovendien was de RE-motor een geluidsarme oplossing.

Afbeelding 3: De door maxon ontworpen en geproduceerde RE16 bood het koppel dat nodig was om de vacuümpomp onder belasting te starten.

Dankzij de technische expertise van maxon en de aandacht voor ontwerp- en productiedetails heeft de pomptoepassing een lange levensduur gekregen. Dit was vooral voordelig omdat het bedrijf een motor nodig had die de pomp op lange termijn moest onderhouden. Aangezien het grootste deel van de kosten van de pomp in de motor zat, was het essentieel dat de pomp opgeknapt kon worden en dat de motor nog een keer gebruikt kon worden. Dankzij de lange levensduur van de maxon motor kon Dynaflo duizenden pompen herstellen en met een nieuwe kop en klep uitrusten, zodat de pompen met dezelfde motor weer in gebruik genomen konden worden.

Conclusie

De pomp die in de toepassing voor de prothesebevestiging werd geïmplementeerd had de juiste motor nodig. Of de toepassing functioneerde, hing van die motor af. Het creëren van een vacuüm in de nabijheid van een menselijk lichaam kan een potentieel gevaarlijke situatie veroorzaken als dit niet goed gebeurt. Het ingenieursteam van Dynaflo koos zorgvuldig de juiste componenten uit. Zo is een veilige en onderhoudbare vacuümpomp tot stand gekomen die jarenlang meegaat. Het resultaat is een product dat gemakkelijk te gebruiken is en dat eenvoudiger door de eindgebruiker geïmplementeerd kan worden.