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Dimensionierung eines Traggestells mittels FEM: Statische Berechnung im Rahmen einer Designneuentwicklung des Grundgerüstes eines medizinischen Rehabilitationsgerätes mit Implementierung einer linearen Führungseinrichtung

©2012 Bachelorarbeit 58 Seiten

Zusammenfassung

Inhaltsangabe:Einleitung:
1. Einleitung
Die hier vorgelegte Bachelorarbeit befasst sich mit einer Neukonstruktion und der rechnerischen Auslegung sowie der Optimierung eines medizinischen Gerätes.
Die Aufgabe dieser Arbeit soll die Erarbeitung eines neuen Designs für den Gangtrainer II sein. Zusätzlich soll eine neuartige funktionale Linearführung in das Gestell integriert werden.
Die Wisch Engineering GmbH produziert Sonderbauteile für Schienenfahrzeuge sowie Kofferraum- und Serviceklappen für den Fahrzeugbau.
Zusätzlich werden aufwendige Blechkonstruktionen, spezielle Rohrdrehmaschinen und unter anderem seit 1999 der Gangtrainer I (GT I) firmenintern entwickelt. In enger Zusammenarbeit mit der Vertriebsfirma Reha-Stim wurden schon mehr als 150 Stück weltweit verkauft.
Andere Gangtrainer von namhaften Konkurrenten werden auf sehr hohem Niveau entwickelt und erfüllen meistens die geforderten medizinischen Erwartungen. Sie besitzen oftmals eine sehr komplizierte Motorsteuerung und aufwendige Bedienelemente. Durch diese Funktionen generieren sie einen hohen Wartungsaufwand. Die Kosten für solche medizinischen Geräte belaufen sich meist auf mehr als 100.000 Euro.
Der Gangtrainer der Wisch Engineering GmbH erfüllt im Vergleich zu den Wettbewerbern alle gewünschten Anforderungen, ist jedoch in den Anschaffungskosten weitaus günstiger. Durch diesen günstigen Preis bei einer guten Qualität erlangt die Wisch Engineering GmbH ein Quasi-Monopol auf dem Markt.
Gangtrainer werden in der Medizin als Rehabilitationsgeräte verwendet. Die Patienten leiden oft an Rückenmarkverletzungen oder Schlaganfällen. Diese Krankheiten lösen in den meisten Fällen eine Gehbehinderung oder Gehunfähigkeit aus. Der Gangtrainer simuliert mit seinem Bewegungsablauf den Gang eines Menschen. Durch eine Stimulation im Gehirn erlernt der Patient so nach und nach das Laufen wieder. Der Nutzen solcher Geräte ist seit Jahren in medizinische Studien nachgewiesen.
Gangtrainer werden in den verschiedensten Formen und Ausführungen hergestellt. Es gibt beispielsweise Gangtrainer, die zusätzlich zum normalen Gehen einen Treppengang simulieren können. Andere funktionieren mit Hilfe eines Laufbandes und verzichten völlig auf eine Fußführung. Grundlegend unterscheiden sich die Gangtrainer in ihrem medizinischen Ansatz. Einige Firmen bevorzugen den Exoskelettansatz, die Wisch Engineering GmbH arbeitet beim GT I mit dem Endeffektoransatz. Der Unterschied beider Ansatzsysteme erklärt sich […]

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis


Steffen Schulz
Dimensionierung eines Traggestells mittels FEM: Statische Berechnung im Rahmen
einer Designneuentwicklung des Grundgerüstes eines medizinischen
Rehabilitationsgerätes mit Implementierung einer linearen Führungseinrichtung
ISBN: 978-3-8428-3418-7
Herstellung: Diplomica® Verlag GmbH, Hamburg, 2012
Zugl. Fachhochschule Brandenburg, Berlin, Deutschland, Bachelorarbeit, 2012
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© Diplomica Verlag GmbH
http://www.diplomica.de, Hamburg 2012

II
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
1
2. Aufgabenstellung
4
3. Grundlagen
5
3.1 Handhabung
6
3.2 Normen
7
4. Konzeptdesign für den GT II
9
4.1 Variantenuntersuchung
11
4.2 Vorzugsvariante
12
4.3 Technische Ausführung
13
4.4 Prüfung nach Lastenheft
15
5. Bemessung der technischen Ausführung 18
5.1 Statik/ Kippsicherheit
19
5.2 Kontaktbedingungen
23
5.3 Programmtechnische Bearbeitung
25
5.4 Gestellanalyse
31
5.5 Bauteilanalyse
33
5.5.1 Automatische Vernetzung 33
5.5.2 Halbautomatische Vernetzung 34
5.5.3 Manuelle Vernetzung 36
5.6 Auswertung der Berechnung
38
5.7 Bewertung
41
6. Linearführung 43
7. Fazit
48
Anhang
50

III
Glossar
FEM
Finite
Elemente
Methode
GFK
Glasfaserverstärkter
Kunststoff
CAD
Computer-aided
design
STEP CAD-Datenaustauschformat
nach
ISO
10303
Extrusion
Herausziehen
aus
einer
Form
Adaptivitätseinheit
Tool zur automatischen Verbesserung einer Vernetzung
S235
Baustahl mit einer Streckgrenze von 235 N/mm²
S355
Baustahl mit einer Streckgrenze von 355 N/mm²
AlMgSi
Aluminiumlegierung (AW 6060) mit einer Streckgrenze von
195 N/mm²
AlMgSi 1
Aluminiumlegierung (AW 6082) mit einer Streckgrenze von
240 N/mm²

IV
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1: GT I 3D Modell (Quelle: eigene Abbildung) ... 2
Abbildung 2: Entwürfe aus der Konzeptphase(Quelle: eigene Abbildung) ... 9
Abbildung 3: Designentwürfe(Quelle: eigene Abbildung) ... 11
Abbildung 4: Enddesign(Quelle: eigene Abbildung) ... 12
Abbildung 5: Rohrverbindung (Quelle: eigene Abbildung) ... 16
Abbildung 6: Prinzipskizze Lastfall (Quelle: eigene Abbildung) ... 20
Abbildung 7: Prinzipskizze Extremfall (Quelle: eigene Abbildung) ... 21
Abbildung 8: Hexaederelement einer Extrusion (Quelle: eigene Abbildung)... 26
Abbildung 9: Naht als Verrundung (Quelle: eigene Abbildung) ... 27
Abbildung 10: Naht als Netz (Quelle: eigene Abbildung) ... 27
Abbildung 11: Gestellvergleich (Quelle: eigene Abbildung) ... 31
Abbildung 12: Beulprozess (Quelle: eigene Abbildung) ... 32
Abbildung 13: Lösung mit Nutenstein (Quelle: eigene Abbildung) ... 46

V
Tabellenverzeichnis
Tabelle 1: Elementvergleich (Quelle: eigene Tabelle) ... 25
Tabelle 2: Spannungsübersicht (Quelle: eigene Tabelle) ... 38
Tabelle 3: Entscheidungstabelle (Quelle: eigene Tabelle) ... 45
Tabelle 4: Entwurfsbewertung (Quelle: eigene Tabelle) ... 50

VI
Zusammenfassung
Die Arbeit beschäftigt sich mit der Neukonstruktion eines Gerüstes für ein medizinisches
Produkt. Es wird ein funktionales Design entwickelt, das alle notwendigen technischen
Normen erfüllt.
Die statische Auslegung und Optimierung erfolgt mit dem CAD- Programm CATIA V5.
Es werden dabei verschiedene Vorgehensweisen für die reale Umsetzung von
Baugruppen erörtert. Ein Schwerpunkt liegt dabei in der Modellierung von Schweißnähten
bei Variation der Vernetzungseigenschaften.
Zusätzlich wird eine neuartige lineare Führung konstruiert und in das Gerüst
implementiert. Durch diese Führung soll ein verbesserter Komfort und eine leichtere
Handhabung generiert werden.

1. Einleitung
1
1. Einleitung
Die hier vorgelegte Bachelorarbeit befasst sich mit einer Neukonstruktion und der
rechnerischen Auslegung sowie der Optimierung eines medizinischen Gerätes.
Die Aufgabe dieser Arbeit soll die Erarbeitung eines neuen Designs für den Gangtrainer II
sein. Zusätzlich soll eine neuartige funktionale Linearführung in das Gestell integriert
werden.
Die Wisch Engineering GmbH produziert Sonderbauteile für Schienenfahrzeuge sowie
Kofferraum- und Serviceklappen für den Fahrzeugbau.
Zusätzlich werden aufwendige Blechkonstruktionen, spezielle Rohrdrehmaschinen und
unter anderem seit 1999 der Gangtrainer I (GT I) firmenintern entwickelt. In enger
Zusammenarbeit mit der Vertriebsfirma Reha-Stim wurden schon mehr als 150 Stück
weltweit verkauft.
Andere Gangtrainer von namhaften Konkurrenten werden auf sehr hohem Niveau
entwickelt und erfüllen meistens die geforderten medizinischen Erwartungen. Sie besitzen
oftmals eine sehr komplizierte Motorsteuerung und aufwendige Bedienelemente. Durch
diese Funktionen generieren sie einen hohen Wartungsaufwand. Die Kosten für solche
medizinischen Geräte belaufen sich meist auf mehr als 100.000 Euro.
Der Gangtrainer der Wisch Engineering GmbH (Abb.1) erfüllt im Vergleich zu den
Wettbewerbern alle gewünschten Anforderungen, ist jedoch in den Anschaffungskosten
weitaus günstiger. Durch diesen günstigen Preis bei einer guten Qualität erlangt die Wisch
Engineering GmbH ein Quasi-Monopol auf dem Markt.

1. Einleitung
2
Gangtrainer werden in der Medizin als Rehabilitationsgeräte verwendet. Die Patienten
leiden oft an Rückenmarkverletzungen oder Schlaganfällen. Diese Krankheiten lösen in
den meisten Fällen eine Gehbehinderung oder GehunfähQuelle: eigene Abbildung igkeit
aus. Der Gangtrainer simuliert mit seinem Bewegungsablauf den Gang eines Menschen.
Durch eine Stimulation im Gehirn erlernt der Patient so nach und nach das Laufen wieder.
Der Nutzen solcher Geräte ist seit Jahren in medizinische Studien nachgewiesen.
Abbildung 1: GT I 3D Modell (Quelle: eigene Abbildung)

1. Einleitung
3
Gangtrainer werden in den verschiedensten Formen und Ausführungen hergestellt. Es gibt
beispielsweise Gangtrainer, die zusätzlich zum normalen Gehen einen Treppengang
simulieren können. Andere funktionieren mit Hilfe eines Laufbandes und verzichten völlig
auf eine Fußführung. Grundlegend unterscheiden sich die Gangtrainer in ihrem
medizinischen Ansatz. Einige Firmen bevorzugen den Exoskelettansatz, die Wisch
Engineering GmbH arbeitet beim GT I mit dem Endeffektoransatz. Der Unterschied beider
Ansatzsysteme erklärt sich wie folgt:
,,Im ersteren Fall trägt der Patient eine Art Ritterrüstung, deren externe Gelenke mit
Antrieben ausgestattet sind, so dass die Hüft- und Kniegelenke aktiv in der
Schwungbeinphase gebeugt werden. Dieser Ansatz ist technisch anspruchsvoll, bietet
aber den Nachteil, dass eine komplexe Bewegung wie z.B. die des Kniegelenks nur
eindimensional geführt wird. In der Konsequenz ergeben sich nach wissenschaftlichen
Untersuchungen falsche Aktivierungsmuster der Beinmuskeln, und wohl dadurch bedingt
keine eindeutige Überlegenheit des Ansatzes in kontrollierten Studien. Der
Endeffektoransatz dagegen bedeutet, dass der Patient auf zwei Fußplatten steht, deren
Bewegung die Stand- und Schwungbeinphase simuliert. Die Hüft- und Kniegelenke folgen
der Bewegung der Füße."
1
1
Dr. Brandl-Hesse, Beate (2011): varia.doc, Reha-Stim

2. Aufgabenstellung
4
2. Aufgabenstellung
Die Vertriebsfirma Reha-Stim möchte eine Überarbeitung des derzeit bestehenden
Gangtrainers I. Im Vordergrund steht die Erarbeitung eines neueren Designs. Der
weiterentwickelte Gangtrainer soll dem derzeitigen medizinischen Gerätestandard
entsprechen und leicht bedienbar sein. Gegebene Maße, die aus dem alten
Gangtrainergerüst resultieren, dürfen nur geringfügig geändert werden. Die
Gangsimulation soll mit der Mechanik des ersten Modells realisiert werden. Für eine gute
Handhabung und Funktionalität sollen andere Anwendungen so gut wie möglich
übernommen oder weiterentwickelt werden.
Durch die zusätzliche Implementierung neuer elektronischer Bauelemente entstehen
vermutlich weitere Kosten.
Zur Sicherstellung einer insgesamt wirtschaftlichen Lösung müssen im Rahmen der
Neukonstruktion die Fertigungs- und Materialkosten gesenkt werden. Ein großes
Einsparungspotenzial liegt in der Bearbeitungszeit des Materials und der Montagezeit.
Der Klappmechanismus, welcher benutzt wird, um den Patienten auf die Fußpedale zu
stellen, soll durch eine Linearführung ersetzt werden. Der vorhandene Flaschenzug soll
beibehalten werden.
Für die Problemlösung werden folgende Arbeitsschritte ausgeführt:
¾ Problemanalyse (Ist-Situation)
¾ Klärung der Randbedingungen für das neue Modell
¾ Entwicklung eines neuen Designs
¾ Überprüfung des Designs auf die technische Machbarkeit
¾ Erfüllung der Kriterien gemäß Lastenheft
¾ Nachweis der Statik und mechanischen Umsetzung
¾ Bewertung der Lösung unter Berücksichtigung wirtschaftlicher, technischer und
berechnungsspezifischer Aspekte

3. Grundlagen
5
3. Grundlagen
Der Gangtrainer I basiert auf einem Baukastenprinzip und besteht aus drei Teilen:
x
Antriebsgehäuse
x
Untergestell
x
Obergestell
Das Antriebsgehäuse enthält die gesamte elektronische Steuereinheit. Diese ist in einem
kleinen Schaltschrank untergebracht. Zusätzlich zur Steuereinheit findet die gesamte
Mechanik des Gangtrainers im Antriebsgehäuse Platz. Sie funktioniert über eine gut
aufeinander abgestimmte und robuste Mechanik, welche von einem Elektromotor
angetrieben wird. Die Gangsimulation erfolgt über eine Getriebemechanik im hinteren
Bereich. Sie steuert sowohl die Schrittgeschwindigkeit und Gangentlastung als auch die
seitliche Hüftführung für den Patienten. Die Gangentlastung wird durch einen Exzenter im
Motorbereich hergestellt. Durch mehrere Umlenkrollen kommt die Bewegung am Gurt als
geringe Auf- und Abbewegung an. Sie ist nach dem Gangablauf eine der wichtigsten
Funktionen am Gangtrainer.
Das Untergestell ist ein einfaches Gerüst, welches aus Vierkantprofilen
zusammengeschweißt wird. Die Geschwindigkeitssteuerung für den Gangablauf erfolgt
über ein schwenkbares Bedienelement. Am Einstieg des Gerüstes sind Griffstangen zum
Festhalten montiert. Zusätzlich kann vor dem Patienten eine weitere Griffstange befestigt
werden. Im unteren Bereich des Gestells finden zwei Fußpedale ihren Platz. In ihnen wird
der Patient mit den Füßen fixiert damit der Gangablauf durchgeführt werden kann.
Das Obergestell ist wie das Untergestell aus Profilen zusammengeschweißt.
Die Patientenbeförderung erfolgt über einen Kragarm. An ihm hängt ein Flaschenzug, der
es ermöglicht, die Befestigungsgurte in der Höhe zu verstellen. In der Mitte befinden sich
eine Gesäßstütze und ein Klappsitz.
Alle drei Baugruppen werden mit Schrauben und Stiften fest miteinander verbunden.

3. Grundlagen
6
3.1 Handhabung
Die Vorteile des Gangtrainers finden sich maßgeblich in seiner Funktionalität, welche auf
der einfachen Konstruktion beruht. Er ist sehr einfach bedienbar und benötigt somit keine
aufwendigen Einweisungen. Auch der Wartungsaufwand hält sich durch die robuste
Verarbeitung in Grenzen. Diese einfache Konstruktion lässt zudem noch einen niedrigen
Herstellungspreis zu. Diese Vorteile soll der neue Gangtrainer fortführen.
Schwierigkeiten gibt es beim Einfahren des Patienten in den Gangtrainer. Dies erfolgt sehr
nahe am Gerüst. Oftmals musste der Gurt sehr weit weg gezogen werden, da der
Kragarm kaum über einen herangefahrenen Rollstuhl reicht. In der Hubphase musste der
Patient vom Pflegepersonal geführt werden. Ohne Führung würde er gegen das
Außengerüst geraten. Diese Problematik soll künftig durch eine lineare
Führungseinrichtung beseitigt werden. Eine einfachere Führung wird es dem Personal
ermöglichen, mit geringem Kraftaufwand den Patienten in den Gangtrainer hinein zu
befördern. Auch der Bereich, aus dem der Patient aufgenommen wird, vergrößert sich
wesentlich.
Weitere Probleme bestehen bei den Fußaufnahmen und dem Podest. Sie sind sehr
unförmig und bieten geringe Möglichkeiten zur Einstellung. Das Podest, welches sich vor
dem Gangtrainer befindet, wurde oft vom bedienenden Personal nicht oder falsch benutzt.
Des Weiteren werden für den Aufbau des Gangtrainers vier Personen benötigt.
Kompliziert ist dabei das Hochheben des Obergestells auf das Untergestell. Durch das
Gewicht dieser Baugruppe kommt es oftmals zu Komplikationen beim Aufbau.
Technische Daten zum Gangtrainer I:
Abmaß:
Höhe: 2830
mm
Breite: 950 mm
Tiefe: 2550
mm
maximaler Überhang nach vorn: 369 mm
Gesamtgewicht:
409 kg
Anschluss:
230 VAC, 50 Hz, 10 A

3. Grundlagen
7
Antriebsleistung: 750
W
3.2 Normen
Für die Entwicklung von neuen Geräten müssen in der EU klare Richtlinien und
Vorschriften eingehalten werden. Für den Gangtrainer I werden diese Normen bei der
Produktion eingehalten. Bei jeder Fertigstellung ist ein Prüfprotokoll anzufertigen. Danach
wird eine Funktionsprüfung des gesamten Gerätes durchgeführt. Diese Normen gelten
analog für den neuen GT II und müssen bedingungslos beibehalten werden.
Folgende zusätzliche Normen sind bei der Entwicklung des Gangtrainers II noch
einzuhalten:
Maschinenrichtlinie 2006/42/EG
¾
regelt die Bereitstellung von Produkten auf dem europäischen Markt.
Medizinrichtlinie 93/42/EWG
¾
eines der wichtigsten Regelungsinstrumente für die Sicherheit von
Medizinprodukten.
DIN EN 980 (wurde beim GT I schon verwendet)
¾
regelt Symbole zur Kennzeichnung von Medizinprodukten
DIN EN 1041(wurde beim GT I schon verwendet)
¾
regelt Bereitstellung von Informationen durch den Hersteller von Medizinprodukten
DIN EN 62353
¾
Prüfungen von medizinischen elektrischen Geräten oder medizinischen elektrischen
Systemen oder von Teilen derartiger Geräte oder Systeme
DIN EN 62366
¾
Anwendung der Gebrauchstauglichkeit auf Medizinprodukte
DIN EN ISO 13485
¾
ähnlich wie die ISO 9001; bezieht sich auf das Qualitätsmanagement
DIN EN ISO 14971
¾
regelt die Anwendung des Risikomanagements auf Medizinprodukte
Zusätzlich zu den technischen Normen sind weitere allgemeine Normen bei der
Konstruktion zu beachten.

Details

Seiten
Erscheinungsform
Originalausgabe
Jahr
2012
ISBN (eBook)
9783842834187
DOI
10.3239/9783842834187
Dateigröße
2.7 MB
Sprache
Deutsch
Institution / Hochschule
Fachhochschule Brandenburg – Mechatronik
Erscheinungsdatum
2012 (Juli)
Note
1,7
Schlagworte
catia berechnung konstruktion gangtrainer
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Titel: Dimensionierung eines Traggestells mittels FEM: Statische Berechnung im Rahmen einer Designneuentwicklung des Grundgerüstes eines medizinischen Rehabilitationsgerätes mit Implementierung einer linearen Führungseinrichtung
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