Strömungssimulation für innovative medizintechnische Anwendungen

Man kennt sich – seit vielen Jahren. Bernd Kaiser, Inhaber von Kaiser Ingenieurbüro GmbH (KIB), und Klaus-Dieter Beller, Geschäftsführer von Med & Tec (1,2). Beide verbindet die Strömungssimulation im Zielgebiet einer nachhaltigen Medizintechnik. „Dr. Beller kam auf mich mit der Idee zu, eine Art Dritte-Welt-Inhaler zu entwickeln, mit möglichst wenig Bauteilen, möglichst in Spritzguss gefertigt“, erklärt Kaiser im Gespräch mit der Redaktion. Inhalatoren („Inhaler“) sind medizintechnische Geräte zur Erzeugung von Aerosolen und Dämpfen, die von Patienten eingeatmet werden können. Insbesondere bei der Behandlung von Atemwegserkrankungen wie Asthma oder COPD (chronisch obstruktive Lungenerkrankung) werden sie eingesetzt. Beller erklärt: „Unsere Lunge ist eine fantastische Resorbtionsoberfläche für Wirkstoffe. Ich wollte Inhaler entwickeln, die einfach in der Bauweise und damit kostengünstig sind, so dass sie sich auch für die Schmerztherapie, zur Bekämpfung von Depressionen oder Hormonbehandlungen eignen“, für Anwendungen also in Nischenmärkten. Denn, was über die Lunge verabreicht wird, gelangt direkt über die Venen ins Herz. „Das war für uns der Grund, verschiedene Inhaler-Typen zu entwickeln. In einer Variante haben wir es sogar auf die Spitze getrieben, weil er nur noch aus einem Bauteil besteht.“

KIB vertraut auf Solidworks

Kaiser Ingenieurbüro wurde 1984 von Bernd Kaiser gegründet und kann folglich auf mehr als 30 Jahre Erfahrung als Dienstleister und auf mehr als 15 Jahre Erfahrung im produzierenden Gewerbe zurückgreifen. Das Unternehmen beschäftigt momentan 26 Arbeitnehmer und vier Auszubildende, zwölf sind in der Entwicklung tätig.

Steht das Konzept, geht es ums eigentliche Engineering. Hierbei kommt für die 3D-Konstruktion Solidworks von Dassault Systèmes (Vélizy-Villacoublay bei Paris) beim KIB zum Einsatz – und das bereits seit 15 Jahren.

Mit CFD neuen Anwendungsfeldern auf der Spur

Seit über einem Jahr nutzen die Experten zur Analyse von Inhaler-Designs Strömungssimulation durch Solidworks Flow Simulation. Dank der intuitiven Computational-Fluid-Dynamics-(CFD-)Lösung, vollständig integriert in die 3D-CAD-Umgebung von Solidworks, lassen sich unter realen Bedingungen Was-wäre-wenn-Szenarien studieren.

Zunächst unternahm Werkstudent David Jehl erste Gehversuche in Hinsicht auf CFD mit einem ziemlich „kryptischen“ Tool, wie Kaiser meint, das Jehl von der Universität Straßburg für seine Masterarbeitet freigeschaltet wurde. Dann kamen KIB-Mitarbeiter auf Kaiser zu, doch CFD direkt in Solidworks durchzuführen. Wolfgang Müller vom CAE Competence Center CAE der DPS Software GmbH (Leinfelden-Echterdingen), die KIB als DS-Händler betreut, hat dann eine erste Simulation durchgeführt – Kaiser: „Das hatte uns überzeugt.“

Beller erklärt den Einsatz von Solidworks Flow Simulation wie folgt: „Die Lunge ist für Wirkstoffe nur resorptionsfähig, wenn die Partikel eine Größe zwischen 3 und 5 µm haben. Man macht sich in der Galenik einen Mechanismus zunutze, der vom Tennisspielen bekannt ist: Ein mit roten Sand benetzter Tennisball trifft auf den Schläger oder auf eine Wand und verliert den Sand. In der Galenik wurden Trägermaterialen mit verschiedenen adhäsive Eigenschaften entwickelt, um den Wirkstoff auf dem Trägermaterial halten. Durch bestimmte CFD-Eigenschaften des Inhalers, wie Abbremsungen und Beschleunigungen durch Engstellen, Zyklone oder Schikanen und dem Ausnutzen des Bernoulli-Prinzips werden Verwirbelungen um das Pulverbett erzeugt, so dass sich der Wirkstoff in der angesaugten Luft verteilt.“ Und Kaiser fügt hinzu: „Es müssen die Strömungsgeschwindigkeit geändert und Turbulenzen erzeugt werden. Dies können wir mit Solidworks Flow Simulation exakt nachbilden.“ Reicht aber die Genauigkeit von Solidworks Flow Simulation wirklich aus, diesen Mechanismus realistisch abzubilden? „An einem transparenten Prototyp wurde ein physischer Versuch durchgeführt und mit einem Smartphone gefilmt. In der Tat, die Zeitlupenaufnahmen zeigen genau das Strömungsverhalten, was auch die Rechnung von Solidworks vorgibt“, sagt Kaiser.

Bunter Strauß an Möglichkeiten

Es gibt sehr viele Varianten von Inhaler und Wege, das Pulver zu verabreichen, zum Beispiel in Form von Kapseln oder Blister (zweiseitige Folienverpackung). Ein Blister-Inhaler („BlistAir“), den Kaiser und Beller gemeinsam entwickelt haben, wird derzeit industrialisiert. Für die Großserienfertigung wollte ein Dienstleister, der auch die komplette Blister-Verpackungslinie dazu entwirft, diesen Inhaler-Typ in Hinsicht aufs Tiefziehen optimieren. „Zum Glück hat man uns das modifizierte Design nochmals zur Begutachtung vorgelegt. Geringfügige Änderungen am Design, wie das Ändern eines Radius auf der Einlaufseite, haben zu einem völlig veränderten strömungstechnischen Verhalten geführt“, sagt Kaiser kopfschüttelnd und fügt hinzu: „Ohne die Simulation mit Solidworks Flow Simulation hätten wir das modifizierte Design möglicherweise freigegeben, obwohl es nicht mehr funktionierte.“ Minimale, aber notwendige Änderungen am Design führten schließlich zum Ziel: produktionstechnische Optimierung und Erfüllung der Funktion (bv).

(1) kaisernet.de

(2) med-tec-beller.de

Weitere Informationen zu den vielfältigen Einsatzmöglichkeiten von Solidworks Flow Simulation unter

www.dps-software.de/cae/solidworks-flow-simulation