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Als Aero Innovative Research, Inc. (AIR) aus
Raumfahrt-Technologie zur Rollstuhl-Entwicklung
Der Präsident von AIR, Keith Entz, gründete 1997 eine Gesellschaft zur Herstellung von Flugzeugteilen. Um den wirtschaftliche Konjunkturabschwung in der Luftfahrtindustrie zu bekämpfen, begann Entz 2005, zusammen mit den Partnern David Kirkwood und Matt Cochran, die raumfahrttechnischen Erfahrungen von AIR in die medizintechnische Industrie einzubringen. „Wir wollten auf eine Branche abbiegen, die nicht so konjunkturabhängig ist und in der wir Originalhersteller und nicht nur Zulieferer sind“, sagte Cochran.
Dave Kirkwood ist Vize-Präsident der Gesellschaft und Flugzeugingenieur. Er überlebte eine bakterielle Meningitis, jedoch als Amputierter. Deshalb hat er direkte Erfahrung und Übung als Rollstuhlnutzer.
Stark motiviert erkannte AIR, dass die alternde Baby-Boom-Generation bessere medizinische Produkte benötigt. „Rollstühle hatten den gleichen Prozess erlebt wie Terrassenmöbel, mit geschweißten Rohren und Bespannung“, sagte Cochran. „Wir sahen die Rollstühle nach neuer Technologie schreien.“ AIR benutzte die gleiche Technologie zur Rollstuhl-Entwicklung wie sie es aus der Luftfahrttechnik kannte: ein Sandwichpaneel Rahmen aus leichtgewichtigem, zerstörungswiderstandsfähigem Material, 100 % CNC-Maschinen tauglich und Präzisionstechnik mit tieflochgebohrten Gelenken ohne Schweißungen.
Überprüfung des Entwurfs mit FEM
Materialstärke und Gewicht waren primäre Entwurfsfaktoren für AIR. „Da unser Entwurf kein Schweißen benötigte, konnten wir stärkeres Material verwenden“, sagte Cochran. „Jetzt kam die ALGOR® FEM-Software ins Spiel. Die Software erlaubte uns, Spannungspunkte zu identifizieren und zu reduzieren, um die Stärke und das Gewicht jedes teils zu optimieren. Wir konnten extreme Situationen simulieren und Teile an ihre Grenzen drücken. Wir fragten: „Wo können wir Material einsparen?“ und konnten dann alles Unnötige löschen. Durch diese Methode konnten wir schnell und dennoch genau den Entwurf überprüfen.“
Cochran arbeitete eng mit Entz zusammen, der die technische Führung übernahm. „Wir beide arbeiteten am Computer im Flugzeughangar“, sagte Cochran. Der Prozess begann damit, dass Cochran ein 3-D-Modell eines Teiles mit der CAD-Software von Alibre Design entwarf. Dann öffnete Cochran das Modell in der ALGOR® FEM-Software zum analysieren.
„Eigentlich benutzen wir zuerst ALGOR DesignCheck, das in Alibre Design enthalten ist“, erinnerte sich Cochran. AIR kontaktierte ALGOR und erkundigte sich nach Vollversionen. „Nach einem interaktiven Web Demo entschieden wir uns für das Professional Static/LM Grundmodul. Für das von uns benutzte Material benötigten wir nur lineare Spannungsanalysen.“
Cochran nahm an einem dreitägigen Schulungsseminar von ALGOR in Cedarville, Ohio, teil. Trotzdem er vorher keine FEM-Erfahrungen hatte, sagte Cochran: „Ich benötigte kein weiteres Training. Das beweist, wie einfach die Software zu lernen und zu nutzen ist.“
Cochran modellierte und analysierte jedes Einzelteil des „Flight Ultralight Wheelchair“, einschließlich Rahmen, Laufrolle, Rückenplatte, Fußplatte und Gelenkschrauben. Die Analyseziele waren das Entfernen von belanglosen Materialien und die Gewichtsreduzierung bei Beachtung der Sicherheitsfaktoren.
„Der Hauptnutzen der ALGOR® FEM-Software war die Schnelligkeit des Entwicklungsprozesses“, sagte Cochran. „Wir waren ein Jungunternehmen mit begrenzten Finanzmitteln und es war wichtig, jeden Tag Fortschritte zu machen. ALGOR® FEM-Software erlaubte uns, schnelle Entwürfe und virtuelle Tests durchzuführen, bis wir das Ergebnis hatten, was wir wollten.“
Analysierung des Laufrollen-Flansches
Ein Teil des „Flight Ultralight Wheelchair“, den AIR mit der ALGOR® FEM-Software analysierte, war der Befestigungsflansch der vorderen Laufrollen der Radbaugruppe. „In anderen Rollstuhlkonstruktionen können die Räder flattern und seitwärts drehen, wie es von Einkaufswagen bekannt ist“, sagte Cochran. „Aber unser Entwurf benutzt einen Delrin® Buchse, welche als Dämpfer wirkt und das Radflattern verhindert.“
Cochran modellierte den Laufrollen-Flansch in Alibre Design und öffnete das Modell für die lineare Spannungsanalysen mit der ALGOR® FEM-Software. Er definierte eine maximale Belastung von 735 kg um zu simulierten, dass der Stuhl mit einem ca. 115 kg schweren Benutzer 90 cm tief auf eine Rolle fällt. „Dies ist eine Last, bei der wir nicht erwarten, dass der Rohrstuhl eines Mitbewerbers überleben würde. Wir testeten unseren Laufrollenflansch mit dieser überdimensionierten Last, um Dauerhaftigkeit sicherzustellen.“
Die FEM-Ergebnisse zeigten die Notwendigkeit, den ursprünglichen Entwurf zu überarbeiten. „Wir fanden eine hohe Spannungskonzentration“, sagte Cochran. „So wurde ein Flügel zur Lastverteilung hinzugefügt, was dazu führte, dass das Teil stärker und ca. 15 % leichter wurde als der Originalentwurf.“
Labortests für FDA-Zulassung
Nach den FEM-Simulationen brachte AIR den „Flight Ultralight Wheelchair“ für physikalische Tests in ein Labor nach Pittsburgh, Pennsylvania. Rollstühle müssen Testreihen entsprechend ANSI (American National Standards Institute) und RESNA (Rehabilitation Engineering and Assistive Technology Society of North America) bestehen, bevor sie von der FDA (United States Food and Drug Administration) zugelassen werden.
Der Stuhl wurde von automatischen Geräten getestet, einschließlich Doppeltrommeltester, Bordstein-Falltester und Erschütterungstester. Diese Tests simulieren den Missbrauch während der Lebensdauer des Rollstuhls. Der härteste dieser Tests beinhaltet 200.000 mal Doppeltrommel testen und 6.667 mal Bordsteinstürze.
Nach mehr als vier Monaten intensiven Prüfungen, bestand der Rollstuhl alle Tests im ersten Versuch, ohne dass sich eine einzige Schraube gelockert hätte. Deshalb erhielt der Stuhl die FDA-Zulassung, sodass Patienten, die sich den Stuhl anschaffen, Rückzahlungen von Medicare, Medicaid oder privaten Versicherungen erhalten.
AIR-Vizepräsident Dave Kirkwood benutzt den Stuhl, der die Lebensdauertests überdauert hatte. „Er ist noch wie neu“, sagte Cochran.
Zukunftspläne mit ALGOR® FEM-Software
Nach der markteinführung des „Flight Ultralight Wheelchair“ hatte AIR die FEM-Software auf die ALGOR® Mechanical Event Simulation (MES) verbessert. MES bietet nichtlineare Mehrfachkörperdynamik mit großzügiger Bewegung, große Deformation und große Dehnung mit Körper-zu-Körper Kontakt und erlaubt Ingenieuren Bewegungen mit ihren Resultaten zu sehen, z. B. Stoss, Knickung und Dauerdeformation. „Wir haben mit MES eine Laufrollengabel und Federgabel studiert“, sagte Cochran. „Wir benutzen die ALGOR-Software zur Verbesserung des Rollstuhls und zur Entwicklung von Zubehör, das bei den Mitanbieter-Rollstühlen verwendet werden kann.
Matt Cochran, AIR Produktionsmanager
Für weitere Informationen über Aero Innovative Research, Inc. und dem „Flight Ultralight Wheelchair“ besuchen Sie www.airwheelchair.com.
Delrin® ist ein registrierter Markenname von E. I. du Pont de Nemours and Company oder seinen Tochterunternehmen.
© 2007 ALGOR, Inc./e4e engineers for engineers GmbH
