KEM Konstruktion 01-02.2019

AUTOMATISIERUNG
MESSTECHNIK & SENSOREN
Untersuchung der Auslösekräfte und Dosiermomente von Pen-Injektoren
Kraftänderungen exakt erfassen
Um die Auslösekraft eines Pens für die Injektion zu optimieren, muss der Einfluss einzelner Bauteile,
ihre Materialien und mögliche Schmiermittel bestimmt und gemessen werden. Dazu setzt das Schweizer
Medizintechnik-Unternehmen Ypsomed eine Prüfmaschine von Zwick Roell ein, die dank hoher Messwertauflösung
auch kleinste Kraftänderungen erkennt und den Bediener von der Vorbereitung der Messung
über deren Durchführung bis hin zur Analyse unterstützt.
Dr. Peter Stipp, Awikom GmbH, Bensheim
Bild: Zwick Roell
Einweg-Pens und wiederverwendbare Pen-Injektoren werden
zur Selbstverabreichung von Medikamenten eingesetzt. Der
große Vorteil für Patienten ist, dass auf Knopfdruck eine genau definierte
Menge des Medikaments abgegeben wird. Ob das Handling
des Pens als angenehm empfunden wird, hängt nicht nur von Größe,
Form und einer einfachen Dosierungseinstellung ab, sondern
auch von der benötigen Auslösekraft. Das Schweizer Medizintechnik-Unternehmen
Ypsomed hat untersucht, welche Komponenten
diese Kräfte verursachen und wie sie am besten gemessen werden
können. Dazu wurde eine Prüfmaschine von Zwick Roell eingesetzt.
Die bei Ypsomed zur Prüfung
von Uno-Pens eingesetzte Prüfmaschine
Zwicki Line Z 2.5 von
Zwick Roell ist für Kräfte bis
2,5 kN ausgelegt
Kraft und Reibungswiderstand
Pens sind aus einer Vielzahl von Einzelteilen aufgebaut. Eine Studie
des Unternehmens hat gezeigt, dass die Kraft, die beim Auslösen
auf die Kartusche übertragen wird, hauptsächlich auf dem Reibungswiderstand
zwischen Gewindehülse und -stange beruht: Dieser Parameter
hängt neben Adhäsion, Rauigkeit sowie lokalen Deformationen
davon ab, aus welcher Werkstoffkombination beide bestehen.
Ein weiterer Einflussfaktor ist die Schmierung dieser Teile. Dies
bezieht sich sowohl auf externe Schmiermittel wie Silikonöl, als
auch auf „interne“, wie den Polymeren zugesetzte Additive. Gemessen
wurde das Drehmoment bei insgesamt 15 Drehungen vor und
zurück über einen Bereich von 450° mit 90° pro Sekunde. Zusätzlich
wurde eine axiale Belastung von 10 N aufgebracht. Die Umwandlung
von Kraft und Drehmoment in den gesuchten Reibungskoeffizienten
erfolgte über ein einfaches physikalisches Modell.
Materialkombination und Schmierung
Die bei Ypsomed zur Messung eingesetzte Prüfmaschine Zwicki Line
Z 2.5 des Ulmer Prüfspezialisten ist für Kräfte bis 2,5 kN ausgelegt.
Um die Zug- oder Druckbelastungen mit einer Torsion zu kombinieren,
steht ein Torsionsantrieb in den Abstufungen 2 oder 20 Nm
zur Verfügung. Ein sehr steifes Lastrahmenprofil der Prüfmaschine
reduziert den Neigungswinkel der Traverse unter Last, so dass eine
präzise Ausrichtung und Krafteinleitung in die Probe möglich ist.
Kombiniert mit einer hohen 24 Bit-Messwertauflösung der Mess-,
Steuer- und Regelungstechnik Test Control II, lassen sich so auch
kleinste Kraftänderungen an den Proben noch exakt erfassen und
darstellen. Zur Prüfung der beiden Kunststoffbauteile wird die Gewindehülse
im oberen rotierenden Teil der Maschine, die Gewindestange
im unteren Teil fixiert. Wie erwartet zeigen sich je nach Werkstoff
sehr unterschiedliche Werte für die berechneten Koeffizienten.
Bei einigen Kombinationen sind beispielsweise typische Einlaufeffekte
(höherer Widerstand am Beginn) zu sehen oder deutlich unterschiedliche
Werte bei einer Wiederholung der Drehbewegung. Darüber
hinaus zeigten die Ergebnisse, dass einige Kombinationen
trotz Schmierung zum Selbstblockieren neigen. Eine Reduzierung
der notwendigen Kraft ist daher nur über ein gezieltes Zusammenspiel
zwischen bestimmten Materialien und Schmierungen zu erreichen.
Die gewonnenen Messdaten wurden dazu genutzt, die idealen
Werkstoffe für die Anwendung im Pen zu identifizieren. Auch
lässt sich mit der beschriebenen Methodik die Krafteffizienz des Gesamtsystems
bestimmen.
44 K|E|M Konstruktion 01-02 2019