Dauerlauf & Validierung: Belege vor Behauptungen

Dauerlauf, Materialermüdung und Versagensanalyse sind zentrale Entwicklungsaufgaben. Diese Seite zeigt, womit gerechnet wird, was geplant ist — und was bisher weder gemessen noch validiert ist.

Lebensdauerziel und Prüfansatz

ThemaStandStatus
Lebensdauerziel Membranmehrere hundert Millionen LastwechselZielwert
Beschleunigte Prüfungparallele Dauerläufe bei unterschiedlichen FrequenzenGeplant
Übertragbarkeit der Zeitraffungwird experimentell bestimmtOffen
Validierte Lebensdauerexistiert nichtOffen

Die Angaben beschreiben, worauf ausgelegt und geprüft werden soll — nicht, was bewiesen ist.

Was über Hunderte Millionen Zyklen halten muss

  • Membran und Membranrand
  • Antriebsmechanik, Pumpen und Lager
  • Führungen und bewegte Teile
  • Motorlager
  • Ventile
  • Schmierung und Partikelmanagement
  • Sensoren
  • Elektrische Isolation und Verkapselung

Hochzyklenfestes polymeres Membransystem für eine pulsatile Kunstherzpumpe

Eigenständiges, dokumentiertes F&E-Vorhaben in sechs Arbeitspaketen; die Pakete laufen teilweise parallel.

  1. Anforderungsanalyse und MembranauslegungLaufend

    Ermittlung von Hub-, Druck- und Bauraumanforderungen; parametrische Auslegung verschiedener Membrangeometrien.

  2. Werkstoffauswahl, Membranguss und ProbenherstellungLaufend

    Auswahl geeigneter Elastomere; Herstellung und Charakterisierung ein- und mehrlagiger Membranproben mit variierten Wandstärken, Rollradien und Vorspannungen.

  3. CAD-Konstruktion, numerische FE-Simulation und PrototypenfertigungLaufend

    Nichtlineare FE-Simulation mit hyperelastischen bzw. viskoelastischen Materialmodellen; lokale Hauptdehnungen, Spannungen und Biegeradien; iterative Prototypen.

  4. Funktionstests und iterative GeometrieanpassungLaufend

    Funktionstests der Prototypen und iterative Anpassung von Geometrie und Membraneinspannung.

  5. Entwicklung des Mehrplatz-DauerlaufprüfstandsLaufend

    Prüfstand mit definiertem Hub und Gegendruck sowie Zyklen-, Druck-, Temperatur- und Leckageüberwachung.

  6. Dauerlauf-, Frequenzvalidierungs- und VersagensanalyseLaufend

    Parallele Dauerläufe bei unterschiedlichen Frequenzen; Analyse von Rissen, Kriechen, Abrieb, Materialermüdung und Schichtversagen; Abgleich mit der Simulation.

Was gemessen ist — und was nicht

Stand am vorhandenen Kreislaufprüfstand (frühere Architekturstufe). Sämtliche Kennwerte der aktuellen Architektur sind Auslegungsgrößen, keine Messergebnisse.

GrößeStatusAnmerkung
DruckAm Prüfstand gemessen
TemperaturAm Prüfstand gemessen
Laufzeit und DauerlaufAm Prüfstand gemessen
VolumenstromOffenrechnerisch ermittelt, nicht gemessen
Förderung bei blutähnlicher ViskositätAm Prüfstand gemessenmit Modellfluid
Hämolyse und BlutverträglichkeitOffenkein Blutversuch durchgeführt
Strömungssimulation (CFD)Offennicht durchgeführt
Struktursimulation (FEM)Offenvorgesehen in Arbeitspaket 3 des Membranvorhabens
Normkonforme PrüfungOffen

Risiko, Methode und offener Nachweis

FeldRisikoMethodeOffener Nachweis
MembranlebensdauerRisse an Rand und Krümmung, Leckage.Dauerlauf mit Drucklast, Inspektion, Leckagekontrolle.Zykluslebensdauer unter realistischer Last.
AntriebsmechanikVerschleiß, Spiel, Schmierstoffalterung, Partikel.Dauerlauf, Partikelanalyse, Befundung nach Zerlegung.Verschleißverhalten über die Designreserve.
HämokompatibilitätHämolyse, Thromben, Plättchenaktivierung.Blut-/Ersatzfluidkreisläufe, Mikroskopie, Ablagerungen, Marker.Langzeitnachweis im zusammengesetzten Blutpfad.
Pulmonale PulsatilitätZu wenig Pulsatilität oder schädliche Druckspitzen.Druckwellen, Pulsvolumen, Frequenz, Compliance.Nützliche Pulsform ohne unsichere Spitzen.
Thermische SicherheitErwärmung durch Motor, Elektronik oder Energieübertragung.Thermokarten, Lastzyklen, Gewebephantome.Temperaturgrenzen im Dauerbetrieb.
SensorplausibilitätFalsche Reaktion durch Drift oder Verschmutzung.Fehlerinjektion und Quervergleich der Sensoren.Regeln für widersprüchliche Druck- und Flusssignale.

Offene Validierungsfragen im Einzelnen

Jeder Cluster ist ein eigenes Validierungsproblem mit einem offenen Nachweis.

Hämokompatibilität

Blutkontakt ist das zentrale biologische Risiko. Membranoberfläche, Kammer, Ventilpfade und der Pfad der Dauerflusspumpe müssen als zusammengesetzter hydraulischer Pfad geprüft werden, nicht nur als Einzelmaterialien. Der Antrieb ist nicht blutberührt.

Offener Nachweis: Marker, Kreislaufbedingungen, Expositionszeit und Grenzwerte definieren, bevor Blutverträglichkeit behauptet wird.

Scherkräfte

Scherung ist kein Einzelwert. Sie hängt von Rotorspalten, Ventiljets, Membranverformung und Querschnittssprüngen ab. Kurze hohe Scherimpulse und längere moderate Belastung sind beide relevant.

Offener Nachweis: Simulierte Scherzonen mit gemessener Hämolyse und Druck-Fluss-Daten verbinden.

Verweilzeit und Stagnation

Risikozonen sind Kammerkanten, Membranrandbereiche und Ventiltaschen. Guter Durchschnittsfluss kann Stagnation verstecken; PIV- oder Farbstofftests sollen zeigen, ob jeder Zyklus das Kammervolumen erneuert.

Offener Nachweis: Auswaschverhalten für Normal- und Pulsbetrieb zeigen.

Thromboserisiko

Thromboserisiko entsteht aus Oberfläche, Scherhistorie, Stagnation und Fremdkörperreaktion und lässt sich nicht durch eine einzelne Materialwahl erledigen.

Offener Nachweis: Ablagerungsorte kartieren und mit Geometrie und Flusszustand verknüpfen.

Pulmonale Pulsatilität

Die Dauerflusspumpe liefert kontinuierlichen Grundfluss, die Pulskammer ergänzt Druck- und Flussimpulse. Entscheidend ist nicht, dass Pulse entstehen, sondern welcher Pulsbereich nützlich und nicht schädlich ist.

Offener Nachweis: sichere Bereiche für Pulsamplitude, Frequenz und Volumen definieren.

Membranermüdung

Die Membran wird bei jedem Herzschlag verformt. Ermüdung kann an geklemmten Rändern, hoher Krümmung oder wiederholten Kontaktzonen starten.

Offener Nachweis: Zykluslebensdauer unter realistischen Drucklasten zeigen.

Ventillebensdauer und Timing

Einlass- und Auslassventile bestimmen Füllung, Auswurf und Rückfluss. Kleine Timingfehler können Rückfluss, hohe Scherung oder unvollständige Entleerung erzeugen.

Offener Nachweis: Ventiltiming und Leckage nach Dauerzyklen verifizieren.

Rotor und Lager der Dauerflusspumpe

Rotor- und Lagerverhalten entscheiden über Wärme, Vibration, Hämolyse und Zuverlässigkeit. Ein normales Drehzahlsignal beweist keinen normalen Fluss.

Offener Nachweis: sicheres Verhalten zeigen, wenn Drehzahl und gemessener Fluss widersprechen.

Partikelmanagement

Antriebsmechanik, Lager und Führungen können Partikel erzeugen. Blutpfad und geschmierter Antriebsbereich müssen getrennt bleiben; Filter bleiben Konzept, bis Partikelgröße, Material und Abscheidegrad gemessen sind.

Offener Nachweis: Partikelentstehung und Rückhaltung nach mechanischer Dauerprüfung messen.

Thermische Sicherheit

Wärme kann aus Motor, Elektronik, Akku und Energieübertragung kommen. In einem implantierbaren Gehäuse ist die Wärmeabgabe begrenzt.

Offener Nachweis: Temperaturkarten bei kombiniertem Betrieb und Laden erstellen.

Simulation und Strömungsvisualisierung

CFD hilft, mögliche Hochscher-, Rezirkulations- und Druckverlustzonen zu finden, ist aber kein Endbeweis. PIV, Farbstofftests oder transparente Modelle machen Toträume und Jets sichtbar, die Durchschnittssensoren übersehen.

Offener Nachweis: Simulationsvorhersagen mit Messdaten verbinden, nicht als Beweis behandeln.

Prüfstandstests und Akzeptanzkriterien

Prüfstände müssen Druck, Fluss, Compliance, Widerstand, Temperatur, Ventilzustand, Partikel und Hämolysemarker koppeln. Ein freundlicher Einzelbetriebspunkt reicht nicht.

Offener Nachweis: Pass/fail-Kriterien vor den Validierungstests festlegen.

Regulatorischer Nachweispfad

Der Weg zu irgendeiner Medizinprodukte-Aussage würde Materialvalidierung, Sterilisationsstrategie, Biokompatibilität, Hämokompatibilität, elektrische Sicherheit, Softwarevalidierung, Risikomanagement und Langzeitdaten verlangen. Nichts davon existiert bisher.

Offener Nachweis: Nachvollziehbarkeit von Gefahr zu Maßnahme zu Verifikationsnachweis halten.