Wie geht es weiter mit Nitinolschläuchen?

2. Juli 2020 Von Nancy Crotti

Die einzigartigen Eigenschaften von Nitinol haben es zum Liebling der Medizingeräteindustrie gemacht. Eine neuartige Technik zur mechanischen Verbindung von Nitinol mit anderen Metallrohren könnte die Kosten senken und das Risiko mindern.

Mark Broadley, Viant

(Bild mit freundlicher Genehmigung von Viant)

Nitinol hat die Medizingeräteindustrie revolutioniert. Aufgrund seiner flexiblen Superelastizität, seines Formgedächtnisses und seiner Biokompatibilität ist Nitinol zu einem bevorzugten Material für medizinische Geräte geworden.

Doch diese Nickel-Titan-Legierung ist nicht ohne Nachteile. Erstens ist es relativ kostspielig. Ein Gerät, das ausschließlich aus Nitinol besteht, mag zwar die Leistungsanforderungen erfüllen, ist aber unter Kostengesichtspunkten möglicherweise nicht praktikabel. Daher könnten Konstrukteure medizinischer Geräte Nitinol für eine bestimmte Komponente spezifizieren, die Flexibilität erfordert, und ein anderes Material, wie zum Beispiel Edelstahl, für angrenzende Komponenten spezifizieren.

Aber das ist der zweite Nachteil: Nitinol lässt sich nur schwer löten oder schweißen, sowohl mit sich selbst als auch mit anderen Materialien. Wenn Sie Nitinol derzeit mit Edelstahl verschweißen möchten, benötigen Sie eine Zwischenkomponente aus einem alternativen Material, das mit beiden Materialien kompatibel ist. Für einfachere Produktformen wie Draht kann dies ein kostengünstiger Ansatz sein. Bei komplexeren Produktformen wie Rohren ist dieser Ansatz jedoch aufgrund der Kosten und der Vorlaufzeit für die Zwischenkomponente sowie der komplexeren Rohrschweißmethode weniger attraktiv.

Bei Viant haben wir eine neuartige Technik (zum Patent angemeldet) entwickelt, um Nitinol mechanisch mit anderen lasergeschnittenen Metallen – üblicherweise Edelstahl – zu verbinden.

Beginnen wir mit einer Analogie. Haben Sie als Kind jemals mit einem kleinen Zylinder aus buntem, geflochtenem Bambus gespielt, der „chinesische Fingerfalle“ genannt wird? Sie stecken Ihre Zeigefinger in jedes Ende des Zylinders, und wenn Sie versuchen, sie herauszuziehen, wird die Falle nur enger. (Sie entkommen der Falle, indem Sie die Enden zur Mitte hin schieben, wodurch die Enden vergrößert werden und Ihre Finger freigegeben werden.)

Das gleiche Prinzip gilt auch für die Verbindungstechnik von Rohren im Puzzle-Schnitt. Wir schneiden eine Reihe von Lappen um den Umfang des Endes des Nitinolrohrs und schneiden Lappen mit komplementärer Größe und Geometrie um das Ende des Edelstahlrohrs. Wenn wir die Nitinol-Lappen in die Zwischenräume zwischen den entsprechenden Edelstahl-Lappen schieben, federn die Nitinol-Lappen in ihre vorherige Form zurück, um das Gelenk mechanisch einzurasten und zu verriegeln, so als würden ineinandergreifende Puzzleteile verbunden oder wie die Fingerfalle Ihre Finger festhält. Der Zusammenbau ist schnell und einfach und das Einrasten ist zufriedenstellend.

Die Vorteile? Erstens sparen Sie Kosten, indem Sie den Einsatz von Nitinol in Ihrem Design auf die Komponenten beschränken, die von seinen Leistungsmerkmalen abhängen. Zweitens entfallen die Kosten für die Zwischenkomponente sowie das Laserschweißen und den damit verbundenen Überprüfungsprozess, was das Risiko mindert. Und drittens verbinden Sie Rohre aus unterschiedlichen Materialien ohne einen Sicherheitsmantel oder die Ausrichtung von Drähten. Dies ermöglicht eine Verbindung mit niedrigem Profil, die das Innenlumen nicht blockiert, sodass ein Kabel für zusätzliche Gerätefunktionen untergebracht werden kann.

Aus technischen Gründen ist es von entscheidender Bedeutung, dass die Nitinolschläuche eine gleichmäßige Wandstärke haben, um ein „Auspeitschen“ beim Drehen im gebogenen Zustand zu vermeiden. Wir führen eine 100-prozentige Ultraschallprüfung von Nitinolrohren durch, um eine gleichmäßige Wandstärke am Umfang sicherzustellen. Darüber hinaus werden geschweißte Edelstahlrohre während des Herstellungsprozesses kaltverformt und geglüht, um am Umfang homogene Maß- und mechanische Eigenschaften zu gewährleisten.

Auch die Materialstärke ist ein Designaspekt. Wenn eine Verbindung für Zugbelastung ausgelegt ist, ist es wichtig, dass das Rohr über genügend Festigkeit verfügt, um der Belastung sowohl der Nitinol- als auch der Edelstahl-Lappen standzuhalten. Dies kann durch die Durchführung einer FEA-Analyse an einer entworfenen Komponente bewertet und durch Funktionstests des Geräts bestätigt werden, um sicherzustellen, dass es die mechanischen Anforderungen erfüllt.

Als wir diese Technologie entwickelten, arbeiteten wir mit einem Kunden an einem robotergestützten endoskopischen Gerät mit Handgelenk. Das Design umfasste einen Nitinol-Aktuator, der Bewegungen von einem Robotergerät über das Handgelenk auf die zur Bedienung verwendeten Werkzeuge überträgt. Als wir ein Nitinol-Betätigungssystem auspreisten, waren die Kosten aufgrund der hohen Kosten des langen Nitinol-Betätigungsrohrs unerschwinglich. Deshalb dachten wir, dass wir Kosten sparen könnten, wenn wir Nitinol mit einem anderen, kostengünstigeren Material wie Edelstahl verbinden könnten, während das Nitinol nur am Handgelenk verbleibt. Wir schätzen, dass die Verwendung dieser Puzzle-Cut-Verbindungstechnik die Kosten des Geräts um 30 % gesenkt hätte.

Diese Technik könnte auch für Geräte verwendet werden, die eine Biegung erfordern, aber auch eine Zug- oder Torsionsbetätigung über eine Biegestelle benötigen, für orthopädische Antriebe, die das Umfahren von Ecken erfordern, oder für einen flexiblen Antrieb, der Drehmoment übertragen kann. Eine weitere Anwendung sind katheterbasierte Produkte, die über einen flexiblen Abschnitt verfügen, der es dem Benutzer ermöglicht, sich in einer Biegung oder Kurve zu bewegen. Durch die Beschränkung von Nitinol auf den Abschnitt, der Flexibilität erfordert, anstatt es für die gesamte Länge des Geräts zu verwenden, werden Kosten gespart.

Unsere anfängliche Entwicklung dieser mechanischen Verbindung konzentrierte sich auf ein grundlegendes symmetrisches Lappendesign, das einer zusammensteckbaren Montagemethode entspricht und in dünnwandige Rohre geschnitten wurde. Alternative Nockendesigns mit neigbaren Nockengeometrien, die einer Push-and-Twist-Anordnung entsprechen, können es dem Gelenk ermöglichen, mehr Drehmoment in eine bevorzugte Richtung zu übertragen. Alternative Rohrkonstruktionen mit dickeren Wänden erhöhen die Festigkeit der Verbindung unter Spannung und Drehmoment sowie unter Kräften, die zu einer Fehlausrichtung der Verbindung führen würden.

Mark Broadley ist Produktlösungsdirektor bei Viant. Er bietet technische Unterstützung für Unternehmensabläufe und Vertriebsteams bei Metall- und Rohranwendungen.

Die in diesem Blogbeitrag geäußerten Meinungen sind ausschließlich die des Autors und spiegeln nicht unbedingt die von Medical Design and Outsourcing oder seinen Mitarbeitern wider.