Dimensionierung eines Traggestells mittels FEM: Statische Berechnung im Rahmen einer Designneuentwicklung des Grundgerüstes eines medizinischen Rehabilitationsgerätes mit Implementierung einer linearen Führungseinrichtung

Bachelorarbeit von Steffen Schulz

Einleitung:

1. Einleitung Die hier vorgelegte Bachelorarbeit befasst sich mit einer Neukonstruktion und der rechnerischen Auslegung sowie der Optimierung eines medizinischen Gerätes.

Die Aufgabe dieser Arbeit soll die Erarbeitung eines neuen Designs für den Gangtrainer II sein. Zusätzlich soll eine neuartige funktionale Linearführung in das Gestell integriert werden.

Die Wisch Engineering GmbH produziert Sonderbauteile für Schienenfahrzeuge sowie Kofferraum- und Serviceklappen für den Fahrzeugbau.

Zusätzlich werden aufwendige Blechkonstruktionen, spezielle Rohrdrehmaschinen und unter anderem seit 1999 der Gangtrainer I (GT I) firmenintern entwickelt. In enger Zusammenarbeit mit der Vertriebsfirma Reha-Stim wurden schon mehr als 150 Stück weltweit verkauft.

Andere Gangtrainer von namhaften Konkurrenten werden auf sehr hohem Niveau entwickelt und erfüllen meistens die geforderten medizinischen Erwartungen. Sie besitzen oftmals eine sehr komplizierte Motorsteuerung und aufwendige Bedienelemente. Durch diese Funktionen generieren sie einen hohen Wartungsaufwand. Die Kosten für solche medizinischen Geräte belaufen sich meist auf mehr als 100.000 Euro.

Der Gangtrainer der Wisch Engineering GmbH erfüllt im Vergleich zu den Wettbewerbern alle gewünschten Anforderungen, ist jedoch in den Anschaffungskosten weitaus günstiger. Durch diesen günstigen Preis bei einer guten Qualität erlangt die Wisch Engineering GmbH ein Quasi-Monopol auf dem Markt.

Gangtrainer werden in der Medizin als Rehabilitationsgeräte verwendet. Die Patienten leiden oft an Rückenmarkverletzungen oder Schlaganfällen. Diese Krankheiten lösen in den meisten Fällen eine Gehbehinderung oder Gehunfähigkeit aus. Der Gangtrainer simuliert mit seinem Bewegungsablauf den Gang eines Menschen. Durch eine Stimulation im Gehirn erlernt der Patient so nach und nach das Laufen wieder. Der Nutzen solcher Geräte ist seit Jahren in medizinische Studien nachgewiesen.

Gangtrainer werden in den verschiedensten Formen und Ausführungen hergestellt. Es gibt beispielsweise Gangtrainer, die zusätzlich zum normalen Gehen einen Treppengang simulieren können. Andere funktionieren mit Hilfe eines Laufbandes und verzichten völlig auf eine Fußführung. Grundlegend unterscheiden sich die Gangtrainer in ihrem medizinischen Ansatz. Einige Firmen bevorzugen den Exoskelettansatz, die Wisch Engineering GmbH arbeitet beim GT I mit dem Endeffektoransatz. Der Unterschied beider Ansatzsysteme erklärt sich wie folgt:

‘Im ersteren Fall trägt der Patient eine Art Ritterrüstung, deren externe Gelenke mit Antrieben ausgestattet sind, so dass die Hüft- und Kniegelenke aktiv in der Schwungbeinphase gebeugt werden. Dieser Ansatz ist technisch anspruchsvoll, bietet aber den Nachteil, dass eine komplexe Bewegung wie z.B. die des Kniegelenks nur eindimensional geführt wird. In der Konsequenz ergeben sich nach wissenschaftlichen Untersuchungen falsche Aktivierungsmuster der Beinmuskeln, und wohl dadurch bedingt keine eindeutige Überlegenheit des Ansatzes in kontrollierten Studien. Der Endeffektoransatz dagegen bedeutet, dass der Patient auf zwei Fußplatten steht, deren Bewegung die Stand- und Schwungbeinphase simuliert. Die Hüft- und Kniegelenke folgen der Bewegung der Füße’.

Textprobe:

Kapitel 4.3, Technische Ausführung:

Das Gerüst wird in fünf voneinander trennbare Baugruppen unterteilt:

-Unterteil.

-Oberteil.

-Mittelsäule.

-Rohrbogen.

-Griffstangen (6 Stk.).

Als Basis für den Gangtrainer dient das Unterteil. Die Baugruppe besteht aus insgesamt 3 Rechteckprofilen (140 mm x 70 mm). Sie bietet gute Stabilität und stellt die Hauptauflagefläche für das Gerüst dar. Die Profile haben jeweils einen Abstand von 415 mm voneinander. An ihnen werden die Mittelsäule, Griffstangen und Rohrbögen angeschraubt.

Die Rohrbögen werden am hinteren Ende des Unterteils mit einem Flansch angebracht und sind mit einem Querschnitt von 76 mm geplant. Der Rohrquerschnitt ergibt sich aus der DIN 2448 Reihe 1 für Stahlrohre. Der Flansch ist mit einem Langloch versehen, damit die Bögen in z-Richtung noch verschiebbar sind. Diese Option muss gegeben sein, da es nicht möglich ist, die Rohrbögen exakt wie in dem 3D Modell herzustellen und nach den geplanten Winkeln zu biegen.

Die Mittelsäule stellt die Verbindung zwischen Ober- und Unterteil her. Sie wird in der Mitte mit zwei Bolzen verschraubt und an den Seiten mit Winkeln am Unterteil befestigt. Zusätzlich verbindet sie die Rohrbögen mit Hilfe von Rohradaptern mit dem Oberteil. Der Hauptkörper der Mittelsäule besteht aus einem Rechteckprofil (180 mm x 80 mm). An ihm sind zwei Standfüße und oben ein weiteres Profil angeschweißt. Das obere Profil bietet Anbindungsmöglichkeiten für die Rohradapter und einen Flansch vom Oberteil.

Das Oberteil besteht aus zusammengeschweißten Rohren. Durch den Schweißingenieur wurde eine Schweißnahtdicke von 3 mm festgelegt. Für das Zusammenschweißen von zwei Rohren aus dem Werkstoff S235 wird als Schweißmaterial W3Si1 benutzt.

Ein mittig angebrachtes Führungsrohr mit dem Durchmesser 60,3 mm bildet die Anschlussmöglichkeit für eine Linearführung. Zur Verstärkung werden vier Rohre, mit einem geplanten Querschnitt von 42,4 mm senkrecht zu den äußeren Rohrbögen eingesetzt. An der Front befindet sich ein Abdeckblech, welches ggf. mit einem Schriftzug belegt werden kann. Die Griffstangen werden am Ende der Rechteckprofile vom Unterteil eingeschoben. Zur weiteren Befestigung werden sie mit einem Abdeckblech verschraubt. Am oberen Ende werden die Stangen mit einem Verbindungsteil eingespannt. Die seitlichen Griffstangen werden mit T-Verbindern an den vorderen Griffstangen befestigt. Sie sind durch diese Anbindung in der Höhe variabel.

Die Verbindung zwischen den hinteren Rohrbögen und dem Oberteil erfordert viel Aufmerksamkeit. Da durch den Fertigungsprozess eine Herstellung ohne Toleranzen sehr schwierig oder sogar unmöglich ist, muss eine Abweichung konstruktiv abgefangen werden. Unbedingt notwendig für die Verbindung ist ein gerader Abschluss an beiden zueinander stehenden Enden der Rohre, damit der Mechanismus überhaupt funktioniert. Die Verbindung der beiden Rohre erfolgt mit einem Dorn, der an den Rohren des Oberteils fest geschweißt wird. Am oberen Ende der hinteren Rohre wird im Inneren eine Hülse verbaut. Diese werden bei der Montage einfach ineinander gesteckt und stellen somit eine feste Verbindung dar. Die Verbindung zur Mittelsäule erfolgt über ein abgekantetes Blech. Dieses ist zusätzlich in der Höhe (y-Achse) verschiebbar. Durch die Variabilität der beiden Baugruppen in z-Richtung kann das Gerüst bei Abweichungen, die durch den Fertigungsprozess entstanden sind, montiert werden.