Aufrufe
vor 2 Jahren

DER KONSTRUKTEUR 4/2016

DER KONSTRUKTEUR 4/2016

INDUSTRIE 4.0 I

INDUSTRIE 4.0 I FOKUSTHEMA Simulation pusht Produktentwicklung Softwaretools unterstützen die Konstruktion auf dem Weg zu Losgröße Eins Volkmar Schönfeld Moderne Softwaretools rücken die Individualisierung von Produkten in greifbare Nähe. Was auf diesem Weg hin zur Losgröße Eins bereits möglich ist, zeigt sehr anschaulich die Medizintechnik. Sie profitiert bei der Produktentwicklung besonders stark vom Einsatz der weiterentwickelten Simulationsprogramme. Volkmar Schönfeld, Dassault Systèmes Lange war es in der Medizintechnik üblich, Produkte an Patienten zu testen. Denn bislang fehlten der Branche geeignete Simulationswerkzeuge. Anders als ein Auto ist der menschliche Körper schließlich ein sehr individuelles und zudem hochgradig nichtlineares System, das damit schwer zu simulieren ist. Mittlerweile gibt es aber Softwarelösungen, die auch diese Komplexität meistern. Sie sind so leistungsfähig, dass sie selbst Vorgänge im Körper realitätsgetreu nachbilden können. Und auch wenn die Simulation über Nacht noch das Maß bleibt, die Ergebnisse sind bei weitem aussagekräftiger als noch vor einigen Jahren. Denn bei gleicher Rechendauer ist eine wesentlich höhere Detailgenauigkeit möglich. Diese höhere Genauigkeit hat den Stellenwert der Simulation in vielen Unternehmen verändert. Diente sie früher in erster Linie dazu, auf experimentellem Weg gewonnene Daten abzusichern oder Problemfälle zu untersuchen, wird die Simulation heute zum maßgeblichen Entwicklungstreiber. Auch in der Medizintechnik, die sehr offen auf die aktuellen Entwicklungen reagiert. 30 Der Konstrukteur 4/2016

Simulation und Konstruktion gehen Hand in Hand Die neuen, sehr leistungsfähigen Simulationsprogramme beziehen heute eine große Bandbreite an physikalischen und chemischen Vorgängen ein. Selbst das Strömungsverhalten von Blut in den Adern, wenn der Blutdruck oder die Herzfrequenz steigen, oder mechanische Verformungen des Gewebes durch Bewegungen oder die Wärmeverteilung im Gewebe lassen sich jetzt berücksichtigen. Dies macht ganz neue Produktentwicklungen möglich, wie das Beispiel eines Stents zeigt, den Experten von Dassault Systèmes in einem aktuellen Entwicklungsprojekt erstellt haben. Stents weiten verstopfte Arterien und sind durch das elastische Gewebe des Blutgefäßes und den Blutfluss hohen Die Simulation wird heute zum maßgeblichen Entwicklungstreiber mechanischen Belastungen ausgesetzt. Trotzdem sollen sie möglichst nie ausgetauscht werden. Die Projektteilnehmer hatten das Metallgeflecht eines herkömmlichen Stents im CAD-Programm Solidworks konstruiert und dann mit der Finite-Elemente-Analyse auf mechanische Belastung mit Blick auf die Lebensdauer untersucht. Vor allem an den engen Biegeradien des Metallgeflechts kam es zu hohen Belastungen, die im ungünstigen Fall im Lauf der Jahre zu Brüchen führen können. Die Elastizität des Stents und damit seine Fähigkeit, das Blutgefäß offen zu halten, wäre nicht mehr zuverlässig gegeben gewesen. In einem iterativen Prozess zwischen Konstruktion und Berechnung entwickelten die Experten schließlich einen optimalen Stent, der an den neuralgischen Stellen geringere Belastungsspitzen aufweist und dadurch haltbarer ist. Hersteller von Medizinprodukten können mit solchen Simulationsanwendungen die Funktion und Sicherheit eines Medizinprodukts deutlich steigern. Selbst der Entwurf körpereigener Bauteile wie beispielsweise Hüft- oder Kniegelenke lässt sich damit per Mausklick auf ihre korrekte Funktion im Körper hin simulieren. Deuten sich Probleme etwa bei der Stabilität an, kann die Konstruktion im CAD-Programm verändert werden. Durch diese Rückkopplung aus Konstruktion und Simulation lassen sich neue Produkte schnell und kostengünstig optimieren, noch bevor der erste Prototyp hergestellt und am Patienten getestet wurde. Mehr noch: Mit der beschriebenen Methode rückt die individualisierte Medizintechnik ein großes Stück näher. Denn weil jeder Körper anders ist und jeder Patient ein anderes Krankheitsbild hat, können so auch Medizinprodukte individuell gestaltet werden. Ein dem Patienten implantiertes Hüftgelenk wird zukünftig also nicht nur bezogen auf die Funktion optimal ausgelegt sein, es wird auch personalisiert sein und damit perfekt zum Patienten passen. Das Zahninlay, das anhand eines digitalen Abdrucks des vorhandenen Zahns in einer halben Stunde passgenau aus einem Keramikmaterial herausgefräst wird, steht für diesen Trend hin zur Individualisierung. Auch andere Implantate werden in Zukunft mehr als nur ein Ersatzteil von der Stange sein. Bilder: Dassault Systèmes www.3ds.com/de Individualisierte Medizinprodukte Volkmar Schönfeld: „Neue Entwicklungen in der Simulationstechnologie ermöglichen es Medizinern, mit einer 3D-Brille vor einem Bildschirm in ein schlagendes Herz einzutauchen. Das Projekt Living Heart von Dassault Systèmes ist keine Spielerei sondern unterstützt dabei, komplizierte Operationen zu planen“ Der Konstrukteur 4/2016 31 Goodfellow.indd 1 21.01.2014 08:51:32

AUSGABE