提高蠕动泵效率以缩短原型周期

为完整的医疗器械提供咨询

B&W Engineering 是一家开发完整医疗设备的咨询和服务提供商。“我们的专业知识涵盖硬件、软件和系统工程，”B&W Engineering 管理层成员约阿希姆·许茨 (Joachim Schütz) 说。“创新对我们很重要。我们的目标是推进新型技术和高效流程。把客户的需求放在首位。”

设计更好的维生泵

蠕动泵背后的设计原则可能看起来很简单。滚轮挤压软管，产生输送流体的蠕动力。医疗应用对操作条件有极其严格的容限和法规要求，使得设计具有挑战性。流速必须恒定且准确，回流应限制在可接受的安全范围内。在其近期的一个项目中，B&W Engineering 承担了一项蠕动泵设计任务，该蠕动泵用于静脉和肠外输注以及肠内营养以维持生命。

B&W Engineering 有三个目标。首先，与这款医用蠕动泵的之前型号相比，该公司着手开发更精确的驱动器。其次，该公司希望提供比竞争对手更低的给药率。这需要集成新的输液泵系统设计，以重点提高输送精度。第三个目标是比以前的项目更快地将产品推向市场。“使用理论方法和仿真论证后，我们希望只用一轮设计周期就完成这个项目，”许茨说。B&W Engineering 使用 Simcenter™ STAR-CCM+™ 软件和 NX™ 来深入分析泵设计。该公司能够相应地改进泵的设计和性能。Simcenter STAR-CCM+ 和 NX 是 Siemens Xcelerator 这一软硬件和服务业务平台的一部分。

内部电子元件的展开视图，这些元件密封在环境中以符合防水规范。

温度对电池充电的影响

泵的电机以及其他电子元件产生的热量会增加设备外壳内的温度。规范将内部温度上限限制在 60°C，否则电池充电容量将受到负面影响。
在电源长期中断的情况下，电池必须维持至少两个小时的电量才能满负荷运行。因此，电池的充电容量不能受到影响。

“验证我们的设计意味着要考虑恶劣的情况，我们希望确保电池充电容量不会受到高工作环境温度和功率损耗的影响，”B&W Engineering 的仿真工程师安德烈·加斯科说。

内部组件视图显示了与显示机构和主要电子元件相集成的蠕动装架系统。

进入防护对散热的影响

该设备需要达到 IPX4 等级，这是由国际电工委员会 (IEC) 规定的进入防护 (IP) 代码，用于确保“从任何方向溅到外壳上的水都不会产生有害影响”。这就要求外壳在周围环境中保持密封，更难以散热。“将外壳内的温度保持在 60°C 以下存在一些挑战，特别是在温度设为 40°C 的空调室内使用泵来治疗烧伤患者时，”加斯科说。
了解流体和热行为是实现设计改进的关键。

“Simcenter STAR-CCM+ 为我们提供了对泵进行仿真所需的所有流体、热和电磁分析，”加斯科说。

B&W Engineering 使用 NX 来开发外壳、显示框架、支架和内固定区域。为提高散热率，需要更改一处设计，将外壳厚度从 3 毫米 (mm) 减少到 2.5 毫米。在 Simcenter STAR-CCM+ 的帮助下，团队在复查设计时降低了整体温度。

“当我们更改属性或是优化模型时，我们节省了可观的时间，因为一切都在一个模块中，”加斯科说。“与其他软件相比，使用 Simcenter STAR-CCM+ 对我们来说是一大优势。选择一家提供全面技术支持的软件提供商对我们来说也很重要，与西门子合作无疑是正确选择。”

Simcenter Star-CCM+ 中的温度结果。电池在此工作点达到的最高温度为 57°C，低于允许的最大值。

软管仿真

当泵产生使药物流动的力时，软管在给药中起着重要作用。流固耦合仿真的一个挑战是预压阶段。在该阶段中，软管必须从其原始形状变形为蠕动泵内的最终状态。当变形结束并且软管被辊子压入装架时，时间步长必须足够小才能达到收敛。

起初，这是通过反复试错完成的。通过使用 Simcenter STAR-CCM+，该公司可以定义一个足够大的时间步长，以便软管在被完全压紧达到最高变形状态时不会引起收敛问题。在预压过程中，软管的两端必须在泵的方向向内位移，这样就不会产生拉力。
该公司还必须在开始计算之前定义位移的量。这样可以准确预测给药率，这是该项目的一个重要设计方面。

该计算的另一个挑战是，当软管受压时，流体区域内的小间隙会变形。网格必须足够细才能捕获挤压软管的辊子的曲率，同时又必须足够粗糙才能获得更高的迭代时间。

“Simcenter STAR-CCM+ 为我们提供了所有必要的工具来执行这些具有挑战性的预压过程和计算，”加斯科说。“使用 STAR-CCM+ Simcenter 可以非常稳定地计算超弹性材料的流固耦合问题和多相计算。”

蠕动泵在转速为 25 rpm 时的流固耦合仿真。封闭机构在软管内产生的间隙可造成回流。该公司在分析中考虑了封闭机构的生产公差，并在后来做了优化。

缩短原型周期

B&W Engineering 希望简化设计流程并利用仿真来加快上市时间和降低成本。但是，每个原型的成本可能达到 80,000 欧元 (€)。B&W Engineering 使用 NX 和 Simcenter STAR-CCM+ 实现了他们的目标。

“我们需要减少原型周期和供应商之间的协调，”许茨说。“我们实现了更高的精度，因为我们可以单独分析重要的公差，集中精力解决更加关键的问题。所有这些都可以降低成本并提高精度。”

“与当时市场上的其他泵相比，我们通过这一代的泵产品实现了更低的给药率，并且将输送精度提高了 3%，”加斯科说。

对医疗设备的需求正在不断增加。企业面临的挑战愈发艰巨，因为他们需要将产品加快推向市场，并同时保持较低成本和较高精度。通过使用 Simcenter Star-CCM+，B&W Engineering 可以应对这一挑战，并为未来的救生设备进行工程设计创新。

蠕动运动对滴壶的影响研究中的多相仿真。蠕动行为会影响滴壶中液滴形成的速度。这可能会导致与泵中显示的实际体积流量值不一致。