Physik Instrumente PI Piezo Vernebler WP Pi1079
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WHITEPAPER – ANTRIEB UND TESTHELFER FÜR INHALATIONSGERÄTE Dipl.-Phys. Steffen Arnold & Dipl.-Ing. Elmar Uhlitzsch Piezoaktoren: Antrieb und Testhelfer für Inhalationsgeräte Schwingungen erzeugen – Schwingungen messen Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG_Auf der Römerstraße 1_76228 Karlsruhe Tel. +49 721 4846-0, Fax +49 721 4846-1019 E-Mail info@pi.ws, www.pi.de Seite 1 von 5 WHITEPAPER – ANTRIEB UND TESTHELFER FÜR INHALATIONSGERÄTE Dipl.-Phys. Steffen Arnold & Dipl.-Ing. Elmar Uhlitzsch Piezoelektrische Materialien wandeln elektrische Energie direkt in mechanische und umgekehrt. Dies birgt interessante Möglichkeiten: Für die Erzeugung von Schwingungen von großer Bedeutung ist beispielsweise die Bewegung, die entsteht, wenn eine elektrische Wechselspannung an ein piezoelektrisches Material angelegt wird. Aktoren, die auf dem Piezoeffekt basieren, bewegen sich mit Auflösungen im SubNanometerbereich bei hoher Dynamik und Frequenzen bis zu mehreren tausend Hertz. In der im Folgenden beschriebenen Anwendung bringt dies gleich doppelten Nutzen: In Inhalationsgeräten sorgen piezoelektrische Elemente für tenzerstäubung eine gleichmäßige und auch beim Medikamen- Funktionstest der Aerosolerzeuger sind die Piezos die treibende Kraft. Abb. 2 Ein Piezo-Element regt die Membran des Verneblers zu Ultraschallschwingungen an. Das Fluid wird durch die rund 3000 feinen Löcher der Membran gepresst und so zerstäubt (Pari Pharma) Dazu wird zunächst das Reservoir des Inhalationsgeräts mit der gewünschten Medikamentendosis befüllt. Im Vernebler (Abb. 2) wird daraus dann mit Hilfe einer gelochten Stahlmembran das Aerosol erzeugt. „Ein Piezo-Element regt diese Membran zu Ultraschallschwingungen an mit einer Frequenz von ca. 120 kHz“, erläutert Philipp Holzmann (Abb. 3), Leiter der Gruppe Entwicklung Mikrosysteme bei Pari Pharma, die Funktionsweise des Verneblers. „Durch die daraus ® Abb. 1 Das Inhalationssystem eFlow rapid arbeitet bei vergleichsweise kurzen Inhalationszeiten sehr effizient und kommt damit den Patientenbedürfnissen sehr entgegen (Pari Pharma) Schwingungen äußern sich unterschiedlich: Sie können resultierenden Druckänderungen an der Membran wird das Fluid durch Löcher in der Membran gepresst und so zerstäubt. Die rund 3000 Löcher der Membran haben einen Durchmesser von circa 2 µm. Eine definierte Tropfen-Größenverteilung ist dadurch garantiert.“ störend oder gar zerstörend wirken, z. B. bei Unwucht, Lärm, Reibung oder Stoß. Andererseits entfalten sie aber auch positive Wirkung, z. B. als Musik oder in therapeutischen Anwendungen, Atemwegserkrankungen. Beim beispielsweise Inhalieren bei müssen flüssige Medikamente in feinste Tröpfchen zerstäubt und die Atemluft möglichst homogen mit dem Medikamentennebel angereichert werden. Die Pari Pharma GmbH hat hierfür mit dem Inhalationssystem ® eFlow rapid (Abb. 1) ein innovatives Gerät entwickelt, das bei vergleichsweise kurzen Inhalationszeiten sehr effizient arbeitet. Abb. 3 Dipl.-Ing. (FH) Philipp Holzmann, Leiter der Gruppe Entwicklung Mikrosysteme bei Pari Pharma (Pari Pharma) Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG_Auf der Römerstraße 1_76228 Karlsruhe Tel. +49 721 4846-0, Fax +49 721 4846-1019 E-Mail info@pi.ws, www.pi.de Seite 2 von 5 WHITEPAPER – ANTRIEB UND TESTHELFER FÜR INHALATIONSGERÄTE Dipl.-Phys. Steffen Arnold & Dipl.-Ing. Elmar Uhlitzsch Überzeugende Argumente für das Piezo-Element „Außerdem bei der Aerosolerzeugung sprachen gleich mehrere Gründe. So ist die Erzeugung von Vibrationen eine geradezu klassische Piezo-Anwendung, denn beim einer Wechselspannung beginnt wir mit PI Ceramic, einer Tochtergesellschaft der in Karlsruhe ansässigen Firma Für die Wahl eines Piezo-Elements als treibende Kraft Anlegen haben das Physik Instrumente (PI), einen etablierten und kompetenten Hersteller gefunden (Abb. 5), der die Piezoelemente speziell im Hinblick auf unsere Applikationsgegebenheiten modifiziert und produziert“, ergänzt Holzmann. Piezoelement zu schwingen. Da der ringförmige Piezo (Abb. 4) direkt mit dem Metallring der Membran verklebt ist, schwingt die Membran mit. Die Amplitude liegt dabei im Bereich weniger µm. „Die vom Piezoelement erzeugte Schwingung passt also sowohl in der Frequenz als auch in der Auslenkung perfekt für die Anwendung“, freut sich Holzmann. Die kurzen Ansprechzeiten der Piezos und die hohe Dynamik der Bewegung kommen der Anwendung als Membran-Antrieb natürlich ebenfalls entgegen. Abb. 5 Bei Piezoelementen sind unterschiedliche Varianten realisierbar, die die Anpassung an die jeweilige Anwendung ermöglichen: z. B. Piezorohre, Scheiben, Bieger, Scherer oder Translatoren Qualitätssicherung der Membranen direkt im Fertigungsprozess Wichtige Voraussetzung für den Patientennutzen des neuen Inhalationssystems ist die fehlerfreie Funktion des Verneblersystems. Deshalb setzt der Hersteller hier auf Abb. 4 Der ringförmige Piezo ist direkt mit dem Metallring der Membran verklebt. Beim Anlegen der Wechselspannung schwingt das Piezoelement mit einer Frequenz von 120 kHz (Pari Pharma/PI) Es gibt jedoch noch weitere Argumente, die für den Piezo-Einsatz im Aerosol-Vernebler sprechen: Da die Bewegung auf kristallinen Festkörpereffekten beruht, ist Abnutzung bei dieser Technik nicht zu befürchten; es gibt auch keine Zahnräder, Lager oder andere verschleißanfällige Mechanik. Piezos erzeugen keine Magnetfelder und werden auch nicht von solchen beeinflusst. Sich ändernde Umgebungstemperaturen beeinträchtigen den Piezoeffekt ebenfalls nicht. eine 100-Prozent-Prüfung. „Hierfür wäre prinzipiell auch eine elektrische Impedanzprüfung infrage gekommen, mit der sich bestimmte Schwingungseigenschaften des Bauteils (Abb. 6) erfassen lassen,“ fährt Holzmann fort. „Letztendlich hielten wir diese Methode jedoch nicht für genau und zuverlässig genug. Da das Schwingverhalten bereits in der Entwicklungsphase mit einem ScanningVibrometer optimiert wurde, konnten wir aus den gewonnenen Erkenntnissen ermitteln, bei die solche Messpunkte Schwingungsmessungen in der Fertigung qualitätsrelevante Ergebnisse liefern. Wir entschieden uns also auch bei der Qualitätskontrolle für den Einsatz eines Laser-Vibrometers.“ Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG_Auf der Römerstraße 1_76228 Karlsruhe Tel. +49 721 4846-0, Fax +49 721 4846-1019 E-Mail info@pi.ws, www.pi.de Seite 3 von 5 WHITEPAPER – ANTRIEB UND TESTHELFER FÜR INHALATIONSGERÄTE Dipl.-Phys. Steffen Arnold & Dipl.-Ing. Elmar Uhlitzsch Abweichungen der Membranqualität, z. B. durch Verformungen bei der Montage oder Fehler beim Klebeprozess, lassen sich anhand der optischen Schwingungsanalyse zuverlässig aufspüren. Abb. 7 Qualitätskontrolle mit dem Laser-Vibrometer: Exemplarisches Frequenzspektrum einer Membran (Pari Pharma) „Als Bewertung für die Güte einer Messung wird Abb. 6 Blick auf die Prüflinge (Pari Pharma) Für die Qualitätskontrolle in der Fertigung wurde ein zusätzlich das Signal-/Rauschverhältnis berechnet.“ halbautomatisierter Messplatz entwickelt. Kernstück ist Um sicherzustellen, dass der Laser bei jedem Prüfling ein Laser-Vibrometer aus dem Produktprogramm von auf eine ebene Stelle zwischen den Löchern der Polytec, das aus Membran einer Steuereinheit und einem trifft, wird die Messung anhand der Lichtleiterkabel Lichtintensität des rückgestreuten Lichts bewertet. Bei zu besteht. Im Rahmen der Qualitätskontrolle wird nun an niedriger Laserintensität wird der Messpunkt mit einer jedem Aerosolerzeuger das Schwingungsverhalten der Ablenkeinheit um wenige Mikrometer verfahren, bis die Membran volle Intensität erreicht ist (Bild 8). kompakten Messkopf mit berührungslos Membran das flexiblem gemessen Frequenzspektrum und für jede ermittelt. Die maßgeblichen Messpunkte hierfür wurden bereits in der Entwicklungsphase mit Hilfe des Scanning-Vibrometers gewonnen. Piezo als treibende Kraft beim Test Auch beim Funktionstest übernimmt der Piezo als treibende Kraft eine Schlüsselrolle: Er wird elektrisch in einem Frequenzspektrum zwischen 30 und 300 kHz angeregt. Messungen der Schwingungsamplituden innerhalb dieses Frequenzbandes und die Lage der Resonanzen lassen dann Rückschlüsse auf die Membranqualität zu (Abb. 7). Die Auswertung übernimmt die Prüfsoftware QuickCheck von Polytec, die sich sehr gut an unsere Anforderungen anpassen ließ und Gut- und Schlechtteile zuverlässig trennt“, ergänzt Holzmann. Abb. 8 Integration des Laser-Vibrometers in den Prüfstand (Foto: Pari Pharma/Polytec) Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG_Auf der Römerstraße 1_76228 Karlsruhe Tel. +49 721 4846-0, Fax +49 721 4846-1019 E-Mail info@pi.ws, www.pi.de Seite 4 von 5 WHITEPAPER – ANTRIEB UND TESTHELFER FÜR INHALATIONSGERÄTE Dipl.-Phys. Steffen Arnold & Dipl.-Ing. Elmar Uhlitzsch Die 100-Prozent-Prüfung mit dem Laser-Vibrometer stellt damit sicher, dass die Inhalationssysteme im praktischen Einsatz beim Patienten zuverlässig funktionieren. Wesentlich dazu tragen aber auch die eingesetzten Piezoelemente bei, die sowohl bei der Aerosolerzeugung als auch bei der Schwingungsprüfung die treibende Kraft sind. Über Polytec Als innovatives Hochtechnologie-Unternehmen entwickelt, produziert und vertreibt Polytec seit über 40 Jahren laserbasierte Messtechnik-Lösungen für Forschung und Industrie. Aufbauend auf dem Erfolg im Distributionsgeschäft begann Polytec bereits in den 70er Jahren mit der Entwicklung und der Fertigung eigener, laserbasierter Autoren Messgeräte. Heute nimmt das Unternehmen mit Stammsitz in Waldbronn bei Karlsruhe Dipl.-Phys. Steffen Arnold, Leiter „Markt und Produkte“ im Bereich der optischen Schwingungsmessung mit bei Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG, Dipl.-Ing. Laservibrometern eine weltweit führende Position ein. Elmar Uhlitzsch, Produktmanager Vibrometer bei der Systeme Polytec GmbH analytische Messtechnik sowie Geschwindigkeits- und für die Oberflächenmesstechnik, die Längenmessung gehören ebenfalls zur mittlerweile breit Über die PI Gruppe gefächerten Palette innovativer Eigenprodukte. In den letzten vier Jahrzehnten hat sich Physik Instrumente (PI) mit Stammsitz in Karlsruhe zum führenden Hersteller von Positioniersystemen mit Über Pari Pharma Seit über 100 Jahren hat sich PARI einen Namen als Genauigkeiten im Nanometerbereich entwickelt. Das weltweit anerkannter Spezialist in der Atemwegstherapie privat geführte Unternehmen ist mit vier Sitzen in gemacht. Heute werden in der PARI Pharma GmbH Deutschland und zehn ausländischen Vertriebs- und moderne Geräte zur Inhalationstherapie entwickelt. Mit Serviceniederlassungen international vertreten. Über eigener Forschung und Produktion gelingt es dem 700 hochqualifizierte Mitarbeiter rund um die Welt Unternehmen immer wieder, in der Aerosoltechnologie versetzen die PI Gruppe in die Lage, fast jede international Standards zu setzen. Sorgfältige Auswahl Anforderung der Materialien, die Produktion in unseren eigenen aus dem Bereich Präzisionspositioniertechnik erfüllen. Alle eigenen Haus garantieren die Zuverlässigkeit der Produkte, deren Sinn entwickelt. Dadurch kann jede Phase vom Design bis hin es ist, den Menschen, die an Atemwegserkrankungen zur leiden, und denen, die sich um sie kümmern, das Leben Schlüsseltechnologien Auslieferung zu innovativer werden im kontrolliert werden: die Präzisionsmechanik und Elektronik ebenso wie die Positionssensorik. Die piezokeramischen Elemente dafür Fertigungsstätten und strengste zu erleichtern. benötigten werden bei der Tochterfirma PI Ceramic in Lederhose gefertigt, einem der weltweit führenden Unternehmen auf dem Gebiet aktorischer PI miCos und GmbH spezialisiert auf sensorischer in Piezoprodukte. Eschbach flexible Freiburg Positioniersysteme Ultrahochvakuum-Anwendungen kinematische bei sowie Positioniersysteme Die mit ist für parallelsechs Freiheitsgraden und Sonderanfertigungen. Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG_Auf der Römerstraße 1_76228 Karlsruhe Tel. +49 721 4846-0, Fax +49 721 4846-1019 E-Mail info@pi.ws, www.pi.de Seite 5 von 5 Qualitätskontrollen
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