Physik Instrumente PI Piezo Vernebler WP Pi1079

PI_Piezo_Vernebler_WP_pi1079 Whitepapers & Success Stories

User Manual: Physik Instrumente Whitepapers & Success Stories

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WHITEPAPER – ANTRIEB UND TESTHELFER FÜR INHALATIONSGERÄTE
Dipl.-Phys. Steffen Arnold & Dipl.-Ing. Elmar Uhlitzsch
Seite 1 von 5
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
Piezoaktoren: Antrieb und Testhelfer für Inhalationsgeräte
Schwingungen erzeugen – Schwingungen messen
WHITEPAPER – ANTRIEB UND TESTHELFER FÜR INHALATIONSGERÄTE
Dipl.-Phys. Steffen Arnold & Dipl.-Ing. Elmar Uhlitzsch
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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 Sub-
Nanometerbereich 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 eine gleichmäßige Medikamen-
tenzerstäubung und auch beim Funktionstest der
Aerosolerzeuger sind die Piezos die treibende Kraft.
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
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, beispielsweise bei
Atemwegserkrankungen. Beim Inhalieren 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. 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
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.“
Abb. 3 Dipl.-Ing. (FH) Philipp Holzmann, Leiter der
Gruppe Entwicklung Mikrosysteme bei Pari Pharma (Pari
Pharma)
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Überzeugende Argumente für das
Piezo-Element
Für die Wahl eines Piezo-Elements als treibende Kraft
bei der Aerosolerzeugung sprachen gleich mehrere
Gründe. So ist die Erzeugung von Vibrationen eine
geradezu klassische Piezo-Anwendung, denn beim
Anlegen einer Wechselspannung beginnt das
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. 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.
„Außerdem haben wir mit PI Ceramic, einer
Tochtergesellschaft der in Karlsruhe ansässigen Firma
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.
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
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 Scanning-
Vibrometer optimiert wurde, konnten wir aus den
gewonnenen Erkenntnissen solche Messpunkte
ermitteln, die bei Schwingungsmessungen in der
Fertigung qualitätsrelevante Ergebnisse liefern. Wir
entschieden uns also auch bei der Qualitätskontrolle für
den Einsatz eines Laser-Vibrometers.“
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Abweichungen der Membranqualität, z. B. durch
Verformungen bei der Montage oder Fehler beim
Klebeprozess, lassen sich anhand der optischen
Schwingungsanalyse zuverlässig aufspüren.
Abb. 6 Blick auf die Prüflinge (Pari Pharma)
Für die Qualitätskontrolle in der Fertigung wurde ein
halbautomatisierter Messplatz entwickelt. Kernstück ist
ein Laser-Vibrometer aus dem Produktprogramm von
Polytec, das aus einer Steuereinheit und einem
kompakten Messkopf mit flexiblem Lichtleiterkabel
besteht. Im Rahmen der Qualitätskontrolle wird nun an
jedem Aerosolerzeuger das Schwingungsverhalten der
Membran berührungslos gemessen und für jede
Membran das Frequenzspektrum 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. 7 Qualitätskontrolle mit dem Laser-Vibrometer:
Exemplarisches Frequenzspektrum einer Membran (Pari
Pharma)
„Als Bewertung für die Güte einer Messung wird
zusätzlich das Signal-/Rauschverhältnis berechnet.“
Um sicherzustellen, dass der Laser bei jedem Prüfling
auf eine ebene Stelle zwischen den Löchern der
Membran trifft, wird die Messung anhand der
Lichtintensität des rückgestreuten Lichts bewertet. Bei zu
niedriger Laserintensität wird der Messpunkt mit einer
Ablenkeinheit um wenige Mikrometer verfahren, bis die
volle Intensität erreicht ist (Bild 8).
Abb. 8 Integration des Laser-Vibrometers in den
Prüfstand (Foto: Pari Pharma/Polytec)
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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.
Autoren
Dipl.-Phys. Steffen Arnold, Leiter „Markt und Produkte“
bei Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG, Dipl.-Ing.
Elmar Uhlitzsch, Produktmanager Vibrometer bei der
Polytec GmbH
Über die PI Gruppe
In den letzten vier Jahrzehnten hat sich Physik
Instrumente (PI) mit Stammsitz in Karlsruhe zum
führenden Hersteller von Positioniersystemen mit
Genauigkeiten im Nanometerbereich entwickelt. Das
privat geführte Unternehmen ist mit vier Sitzen in
Deutschland und zehn ausländischen Vertriebs- und
Serviceniederlassungen international vertreten. Über
700 hochqualifizierte Mitarbeiter rund um die Welt
versetzen die PI Gruppe in die Lage, fast jede
Anforderung aus dem Bereich innovativer
Präzisionspositioniertechnik zu erfüllen. Alle
Schlüsseltechnologien werden im eigenen Haus
entwickelt. Dadurch kann jede Phase vom Design bis hin
zur Auslieferung kontrolliert werden: die
Präzisionsmechanik und Elektronik ebenso wie die
Positionssensorik. Die dafür benötigten
piezokeramischen Elemente werden bei der
Tochterfirma PI Ceramic in Lederhose gefertigt, einem
der weltweit führenden Unternehmen auf dem Gebiet
aktorischer und sensorischer Piezoprodukte. Die
PI miCos GmbH in Eschbach bei Freiburg ist
spezialisiert auf flexible Positioniersysteme für
Ultrahochvakuum-Anwendungen sowie parallel-
kinematische Positioniersysteme mit sechs
Freiheitsgraden und Sonderanfertigungen.
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 Messgeräte. Heute nimmt das
Unternehmen mit Stammsitz in Waldbronn bei Karlsruhe
im Bereich der optischen Schwingungsmessung mit
Laservibrometern eine weltweit führende Position ein.
Systeme für die Oberflächenmesstechnik, die
analytische Messtechnik sowie Geschwindigkeits- und
Längenmessung gehören ebenfalls zur mittlerweile breit
gefächerten Palette innovativer Eigenprodukte.
Über Pari Pharma
Seit über 100 Jahren hat sich PARI einen Namen als
weltweit anerkannter Spezialist in der Atemwegstherapie
gemacht. Heute werden in der PARI Pharma GmbH
moderne Geräte zur Inhalationstherapie entwickelt. Mit
eigener Forschung und Produktion gelingt es dem
Unternehmen immer wieder, in der Aerosoltechnologie
international Standards zu setzen. Sorgfältige Auswahl
der Materialien, die Produktion in unseren eigenen
Fertigungsstätten und strengste Qualitätskontrollen
garantieren die Zuverlässigkeit der Produkte, deren Sinn
es ist, den Menschen, die an Atemwegserkrankungen
leiden, und denen, die sich um sie kümmern, das Leben
zu erleichtern.

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