COSMOS-Software bei Dräger

Jedem Ansatz aber einen echten Prototypen zu widmen, kostet viel Zeit und Geld. Deshalb setzt das Unternehmen Dräger Medical in Lübeck zur konstruktionsbegleitenden Analyse die Software-Pakete COSMOSWorks und COSMOSFloWorks ein. Vollständig in das 3DCAD-System SolidWorks integriert, ermöglichen sie vielfältige und schnelle Simulationsrechnungen für virtuelle Prototypen. Als weltweit führendes Unternehmen für Anästhesie- und Intensivmedizingeräte stellt Dräger Medical einen hohen Anspruch an die Qualität seiner Produkte. Die Beatmungsgeräte der Lübecker retten schließlich Menschenleben. Weiterhin ermöglichen ihre komfortablen Anästhesiearbeitsplätze den Ärzten, sich mit voller Aufmerksamkeit dem Patienten zu widmen (Bild 1). Damit die Geräte laufend dem aktuellen Stand neuester Beatmungstherapien und Bedienkonzepte entsprechen, passen die Konstrukteure von Dräger häufig deren Formen und Funktionen an. Die Entwicklungszeit für neue Geräte liegt derzeit bei etwa vier Jahren, soll aber laut Vorstandsvorgabe bald auf zwei Jahre halbiert werden. Bild 1: Dräger Medical stellt hohe Ansprüche an die Qualität seiner Produkte, hier der Anästhesie-Arbeitsplatz Primus. Bild: Dräger Medical Zeit spielt demnach eine wichtige Rolle bei der Arbeit von Karsten Hoffmann und Uwe Schmid. Die beiden Ingenieure sind für die Konstruktion und Entwicklung von Intensivmedizinsystemen und Anästhesiegeräten zuständig und verwenden hierfür SolidWorks sowie COSMOSWorks und COSMOSFloWorks. Erheblicher Zeitgewinn durch integrierte Berechnung Ein Schlüsselerlebnis während der Arbeit an einer neuen Atemsystemversion gab bei Karsten Hoffmann den Ausschlag für COSMOSWorks. Das Atemsystem eines Anästhesiegerätes versorgt den zu narkotisierenden Patienten mit Sauerstoff und Anästhesiegas. Weiterhin absorbiert es das ausgeatmete Kohlendioxid mittels Atemkalk und führt dem Patienten das mit Sauerstoff angereicherte Kreislaufgas erneut zu. Kosten- und Qualitätsgründe sprachen nun dafür, das Atemsystem nicht mehr aus Aluminium, sondern aus Kunststoff zu fertigen. Das neue Atemsystem sollte im Wesentlichen aus dem Atemgasblock, einer Ventilplatte und einem Deckel bestehen (Bild 3). Die die Gaskanäle gegeneinander abdichtende Silikondichtlippe war in der Lage, eine Verformung von 0,3mm auszugleichen. Jedoch barg das neue Kunststoffmaterial zusammen mit den Spannverschlüssen, welche den Deckel gegen die Dichtung drückten, die Gefahr, dass sich der Deckel stärker durchbiegen und daher nicht mehr die Dichtigkeit des Systems gewährleisten würde. Die exakte FEM-Berechnung der Durchbiegung bei einer externen Firma brachte Gewissheit. Das Problem war jedoch, dass die Berechnung inklusive Umkonstruktion in mehreren Iterationsschritten drei Monate dauerte, 40.000 DM kostete und in einer neuen Lösung resultierte, die den Verschluss an eine andere Stelle setzte. Beim nachfolgenden Projekt führten Hoffmann und sein Team die gleiche Berechnung mit COSMOSWorks durch, wobei allerdings keine Umkonstruktion erforderlich war. Dafür benötigten sie lediglich zwei Nachmittage. Karsten Hoffmann erläutert den Vorteil: »COSMOSWorks ermöglicht uns, während einer Konstruktion unkompliziert und schnell verschiedene Lösungsansätze zu berechnen und miteinander zu vergleichen. Ansonsten würden wir diese Berechnungen entweder extern vergeben oder zur exakten Vermessung echte Muster bauen müssen. Beides ist teuer und zeitaufwändig. Daher hätten wir bei vielen möglichen Ansätzen wohl darauf verzichtet und nur unserer Erfahrung vertraut.« Ein anderes Beispiel beweist die Fähigkeiten von COSMOSWorks im temperaturanalytischen Bereich. Das feuchte Atemgas des Patienten kann an Wänden des Atemsystems kondensieren, so dass der Arzt die Ventile nicht mehr sieht oder die Funktion eingeschränkt werden kann. Um die Kondensation zu verhindern, müssen die Konstrukteure das Atemsystem heizen. Die Vorgängerversion sah hierfür eine von außen angebrachte Heizkontaktplatte vor, die beim neuen Gerät am gegenüberliegenden Ende der Ventilplatte aber nicht die gewünschte Temperatur von 40 Grad erreichte. Höhere Temperaturen der Heizplatte hätten wiederum gesetzlichen Bestimmungen widersprochen, nach denen berührbare Kunststoffteile nicht heißer als 70 Grad werden dürfen. Das alte Verfahren erwies sich demnach als völlig inakzeptabel. Hoffmann und sein Team entwickelten nun mehrere Lösungsansätze, die beispielsweise die Dicke der Ventilplatte erhöhten, durch die Gestaltung mehr Material als Wärmebrücke vorsahen oder die Ventilplatte aus Kupfer anstatt aus Aluminium ausführten. COSMOSWorks erwies sich in dieser Phase des Ausprobierens als sehr vorteilhaft. Für jede Idee ein Muster zu fertigen, wäre äußerst umständlich und zeitaufwändig gewesen. Die Software berechnete dagegen jeden Ansatz und zeigte, dass für alle Ansätze die erforderliche Temperatur der Kontaktplatte zu hoch lag. Die endgültige Lösung bestand dann in einer unkonventionellen Idee, bei der die Heizung nicht außen angebracht, sondern als Heizfläche in die Ventilplatte integriert wurde (Bild 2). Bild 2: Bei der endgültigen Lösung wurde die Heizfläche in die Ventilplatte integriert. Bild: Dräger Medical Der digitale Daumen erleichtert Entscheidungen »Bei der Suche nach Verbesserungen geht es nicht darum, Ergebnisse bis auf Nachkommastellen exakt zu berechnen, sondern nur mit dem ‘digitalen Daumen’ festzustellen, welche von zwei Lösungen die bessere ist und den richtigen Weg weist. Dafür brauchen wir keine speziellen Expertensysteme. Integrierte Werkzeuge wie COSMOSWorks reichen vollauf«, betont Karsten Hoffmann. Außerdem kommt bei den Lübeckern die strömungsanalytische Anwendung COSMOSFloWorks zum Einsatz. Deren Wert stuft Karsten Hoffmann als sehr hoch ein, denn selbst ein erfahrener Konstrukteur kann sich im Bereich der Strömungsmechanik erheblich verschätzen. »Einmal berechneten wir, wie die vom Markt gewünschten 45-Grad-Tüllen die Ausprägung eines Gasstroms gegenüber gerade geformten Tüllen verändern würden. COSMOSFloWorks zeigte, dass auf diese Weise das Gas eher an der Leitungswand entlang strömte anstatt in der Kanalmitte, wo die Hitzedrähte der Gasstrommessung angebracht waren«, erläutert er. Dadurch verfälschten sich jedoch die Messergebnisse und implizierten, dass dem Patienten nicht genug Gas zugeführt wurde. Geeignete Widerstandskörper in der Leitung sollten den Gasstrom also hinter der gewinkelten Tülle wieder in die Kanalmitte lenken. »Hierbei hätte ich Haus und Hof verwettet, dass der von COSMOSFloWorks berechnete Druckabfall von lediglich 0,2 mbar bei 60 Litern aufgrund eines kegelförmigen Widerstandskörpers nicht stimmen kann. Ich hatte 2 mbar erwartet, aber ein Musterbau bewies, dass die Software recht hatte.« Dräger nutzt Strömungssimulationen mit der Software auch für Zweiphasenmodelle. Beispielsweise werden in der Intensivmedizin Patienten mit erhöhten Sauerstoffkonzentrationen beatmet, die zwischen 30 und 100 Prozent liegen können. Messungen mit der Software zeigten den Konstrukteuren dabei, dass Luft und Sauerstoff sich bei einer bestimmten konstruktiven Gestaltung einer Mischkammer nicht mischten, sondern vielmehr nebeneinander zum Ausgang strömten (Bild 4). Da die Öffnung für die Konzentrationsmessung genau in der Grenzschicht lag, kam es zu starken Schwankungen der Meßwerte. Deshalb wurden Umlenkungsrippen in der Mischkammer erforderlich, deren Wirkungen sich mit COSMOSFloWorks sehr gut berechnen und visualisieren ließen. Bild 4: Die Software zeigte, dass Luft und Sauerstoff nebeneinander zum Ausgang strömten. Bild: Dräger Medical Uwe Schmid, Experte für Strömungslehre bei Dräger, setzt die Analyseanwendung schließlich noch für Wärmeübergänge ein, wobei er unter anderem klärt, inwiefern Gasströme die umgebenden Trennwände aufheizen. »Leider bietet COSMOSFloWorks noch keine Berechnungen für Phasenumwandlungen wie Verdampfung und Kondensation an, aber bei allen anderen analytischen Fragestellungen setze ich das System ein«, zeigt sich Uwe Schmid zufrieden. Kein Expertenwissen, nur Grundkenntnisse erforderlich Den entscheidenden Vorteil bieten COSMOSWorks und COSMOSFloWorks durch ihre Einbettung in SolidWorks. Die Konstrukteure können daher relativ komplizierte FEM-Berechnungen und Strömungssimulationen schnell durchführen, ohne hierfür Systeme oder den Arbeitsplatz zu wechseln. Die gesparte Zeit erlaubt ihnen somit auch unkonventionelle Lösungsansätze durchzuspielen. Weiterhin vermeidet die integrative Lösung Probleme mit Schnittstellen und unsauber eingelesenen Daten. Und schließlich würden separate Expertensysteme wie die konventionellen CFD-Systeme (Computational Fluid Dynamics) eine wesentlich aufwändigere Bedienung und Einarbeitung erfordern. Bild 5: Uwe Schmid (li.) und Karsten Hoffmann sind für die Konstruktion und Entwicklung von Intensivmedizinsystemen und Anästhesiegeräten zuständig. Bild: Dräger Medical Demgegenüber ermöglicht COSMOSFloWorks Ingenieuren, Strömungen zu berechnen, ohne selbst CFD-Experte zu sein. Trotzdem ersetzt die einfache Bedienung keine strömungsmechanischen Grundkenntnisse. Uwe Schmid rät grundsätzlich: »Konstrukteure sollten immer prüfen, ob sich der eigene Modellansatz überhaupt für die Berechnung in einer bestimmten Anwendung eignet.« Hierfür empfiehlt er generell, Anwendungen anhand ähnlicher Fragestellungen mit bekannten Beispielen und Experimenten zu bewerten und die ermittelten Ergebnisse auf Plausibilität zu prüfen. Insgesamt waren beide COSMOS-Anwendungen einfach erlernbar. Nur zwei oder drei Nutzer nahmen eine ausführliche Schulung in Anspruch. Alle anderen lernten es entweder per Eigenstudium oder durch kurze Hilfen von Kollegen. Etwa fünfzehn Anwender setzen die COSMOS-Anwendungen derzeit ein. Als sehr hilfreich bei der Bedienung beurteilt Uwe Schmid den so genannten Wizard, mit dem Nutzer interaktive Eingaben vornehmen können. Er verhindert lästige Recherchen für Stoffwerte und vereinfacht die Eingabe von Randbedingungen. »Die erste und oft schon ausreichende Modellgenerierung führe ich immer mit dem Wizard durch«, erklärt Uwe Schmid. Aus übergeordneter Sicht steigern die schnellen und einfachen Analysen integrierter Anwendungen schließlich auch die Kreativität eines Konstrukteurs. Denn Ideen und Innovationen fließen eher in Produkte ein, wenn ihre Tauglichkeit leicht nachweisbar ist. Somit spart der Einsatz von COSMOSWorks und COSMOSFloWorks nicht nur Zeit und Kosten für den Bau zahlreicher Prototypen, sondern trägt erheblich zur Qualität der lebenserhaltenden Geräte von Dräger Medical bei.