PRODUKTINNOVATION
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Intelligente Miniaturpumpe
Mit einer neuartigen Mikropumpe lassen sich kleinste Mengen
Flüssigkeit – etwa Medikamente – genau und flexibel
dosieren. Aktive Verbundstoffe und eine elektronische Steuerung sorgen
dafür, dass die wartungsarme Pumpe exakt funktioniert –
vorwärts wie rückwärts.
Manchmal müssen Medikamente in extrem kleinen Mengen verabreicht werden. Schon einige Zehntel Milliliter können genügen, um den Patienten optimal zu versorgen. Mikropumpen vereinfachen die Dosierung minimaler Mengen enorm. Seit über 25 Jahren werden solche Pumpen gebaut und immer weiter optimiert. Sie finden in vielen Bereichen eine Anwendung: von der Medizintechnik bis hin zu Mikrofertigungsverfahren – überall dort, wo kleinste Volumina hochpräzise und variabel dosiert werden müssen.
Die Mikropumpsysteme sind jedoch meist nicht so flexibel wie gewünscht: Oft funktionieren sie nur in eine Richtung, Blasen in der Flüssigkeit stören ihren Betrieb, sie vertragen keine Partikel, haben eine starre Pumpleistung und besitzen Verschleißteile wie Ventile oder Zahnräder. Forscher am Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM in Freiburg haben gemeinsam mit Partnern aus Forschungsinstituten und Industrie ein neuartiges Pumpsystem entwickelt, das all diese Probleme löst: eine steuerbare peristaltische Mikropumpe. »Die peristaltische Pumpe ist ein hochkomplexes System«, erklärt Dr. Bärbel Thielicke, Projektleiterin am IWM. »Ähnlich wie die menschliche Speiseröhre zieht sie sich wellenförmig zusammen, um so die Flüssigkeit zu bewegen – sie verformt sich aus sich selbst heraus. Dafür waren eine ganze Reihe verschiedener Werkstoffe und spezieller Materialverbunde nötig.« Die Forscher verwenden Blei-Zirkonat-Titanat (PZT)-Folien, die mit Biege-Elementen aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff und einem flexiblen Schlauch verbunden sind. »PZT-Werkstoffe verformen sich, sobald man ein elektrisches Feld anlegt. Dadurch lässt sich das Pumpsystem elektronisch ansteuern«, sagt Thielicke. Zudem halten spezielle Klebstoffe die einzelnen Komponenten des Pumpsystems zusammen. Dank einer besonderen Steuerungselektronik lassen sich kleinste Mengen exakt durch das System pumpen.
Die ersten Funktionstests hat das System bereits bestanden. Nun wollen die Forscher die peristaltische Mikropumpe an die unterschiedlichen Anwendungen anpassen. »Dafür benutzen wir besondere Simulationsmodelle«, sagt Thielicke. »Wir berechnen im Voraus, wie der Aufbau der Pumpe verändert werden muss, um andere Mengen oder andere Flüssigkeiten zu dosieren. So sparen wir bei der Entwicklung Zeit und Kosten.«
Manchmal müssen Medikamente in extrem kleinen Mengen verabreicht werden. Schon einige Zehntel Milliliter können genügen, um den Patienten optimal zu versorgen. Mikropumpen vereinfachen die Dosierung minimaler Mengen enorm. Seit über 25 Jahren werden solche Pumpen gebaut und immer weiter optimiert. Sie finden in vielen Bereichen eine Anwendung: von der Medizintechnik bis hin zu Mikrofertigungsverfahren – überall dort, wo kleinste Volumina hochpräzise und variabel dosiert werden müssen.
Die Mikropumpsysteme sind jedoch meist nicht so flexibel wie gewünscht: Oft funktionieren sie nur in eine Richtung, Blasen in der Flüssigkeit stören ihren Betrieb, sie vertragen keine Partikel, haben eine starre Pumpleistung und besitzen Verschleißteile wie Ventile oder Zahnräder. Forscher am Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM in Freiburg haben gemeinsam mit Partnern aus Forschungsinstituten und Industrie ein neuartiges Pumpsystem entwickelt, das all diese Probleme löst: eine steuerbare peristaltische Mikropumpe. »Die peristaltische Pumpe ist ein hochkomplexes System«, erklärt Dr. Bärbel Thielicke, Projektleiterin am IWM. »Ähnlich wie die menschliche Speiseröhre zieht sie sich wellenförmig zusammen, um so die Flüssigkeit zu bewegen – sie verformt sich aus sich selbst heraus. Dafür waren eine ganze Reihe verschiedener Werkstoffe und spezieller Materialverbunde nötig.« Die Forscher verwenden Blei-Zirkonat-Titanat (PZT)-Folien, die mit Biege-Elementen aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff und einem flexiblen Schlauch verbunden sind. »PZT-Werkstoffe verformen sich, sobald man ein elektrisches Feld anlegt. Dadurch lässt sich das Pumpsystem elektronisch ansteuern«, sagt Thielicke. Zudem halten spezielle Klebstoffe die einzelnen Komponenten des Pumpsystems zusammen. Dank einer besonderen Steuerungselektronik lassen sich kleinste Mengen exakt durch das System pumpen.
Die ersten Funktionstests hat das System bereits bestanden. Nun wollen die Forscher die peristaltische Mikropumpe an die unterschiedlichen Anwendungen anpassen. »Dafür benutzen wir besondere Simulationsmodelle«, sagt Thielicke. »Wir berechnen im Voraus, wie der Aufbau der Pumpe verändert werden muss, um andere Mengen oder andere Flüssigkeiten zu dosieren. So sparen wir bei der Entwicklung Zeit und Kosten.«
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