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Jun 10, 2023

Diese neue PTFE-Dichtung könnte Insulinpumpen und andere medizinische Geräte verbessern

26. April 2018 Von Chris Newmarker In dynamischen Anwendungen, die eine Abdichtung bei niedrigen bis mittleren Geschwindigkeiten und Drücken erfordern, ersetzen Konstrukteure leistungsschwache Elastomer-O-Ringe durch

26. April 2018 Von Chris Newmarker

In dynamischen Anwendungen, die eine Abdichtung bei niedrigen bis mittleren Geschwindigkeiten und Drücken erfordern, ersetzen Konstrukteure leistungsschwache Elastomer-O-Ringe durch federunterstützte PTFE-„C-Ring“-Dichtungen.

David Wang, Bal Seal Engineering

Wenn O-Ringe und andere herkömmliche Dichtungsmethoden versagen, entscheiden sich Entwickler von Diagnose- und Medikamentenverabreichungsgeräten für eine neue und kostengünstigere Möglichkeit, die Leistung ihrer vorhandenen Hardware-Designs zu verbessern: die federunterstützte PTFE-„C-Ring“-Dichtung.

Die C-Ring-Dichtung wurde zunächst für ein Diagnosegerät entwickelt, das einen Kolben verwendet, der in einem Wasserbad von etwa 100 °F arbeitet und sich mit einer Geschwindigkeit von 5 Fuß pro Minute hin- und herbewegt. Die Betriebsbedingungen waren mild, die Toleranzen jedoch groß. Das ursprüngliche Design erforderte einen Elastomer-O-Ring zur Abdichtung des Kolbens, doch der O-Ring konnte keine gleichmäßige Abdichtung aufrechterhalten und die Ausrüstung leckte.

Da bereits Prototypen gebaut waren, begannen die Ingenieure, nach einer Alternative zu suchen. U-Dichtungen oder Standard-Lippendichtungen, die normalerweise bei Kolbenanwendungen verwendet werden, waren aufgrund der großen radialen Toleranzen keine praktikable Option. Außerdem war es nicht praktikabel, diese über einer durchgehenden Nut zu installieren. Der Einbau würde eine zu starke Dehnung erfordern, was zu einer Verformung der Dichtung und einem vorzeitigen Ausfall führen würde.

Im Jahr 2016 schlug der Dichtungsdesigner Bal Seal Engineering aus Foothill Ranch, Kalifornien, eine experimentelle Lösung vor: eine abgeschrägte Schraubenfeder, die in einen c-förmigen PTFE-Ring gewickelt ist. Die Versiegelung funktionierte genau wie vorgesehen. Durch die Kombination der geringen Reibungseigenschaften von PTFE mit einer stromlinienförmigen Mantelgeometrie sorgte der „C-Ring“ für eine zuverlässige, gleichmäßige Abdichtung sowie einen sanfteren und leiseren Betrieb als ein O-Ring. Darüber hinaus könnte der C-Ring in der vollstufigen O-Ring-Verschraubung eingebaut werden, was bei nicht-elastomeren Materialien normalerweise nicht zu empfehlen ist. Dadurch konnte der C-Ring ohne Änderungen am ursprünglichen Hardware-Design und ohne den Einsatz von Spezialwerkzeugen installiert werden.

Diese originale C-Ring-Dichtung ist seit zwei Jahren im Einsatz. Der Einsatz des C-Rings hat zu einer verbesserten Produktleistung und einer längeren Gerätelebensdauer geführt – wodurch Ausfallzeiten und Wartungskosten reduziert wurden.

Medizinische Bildgebungsgeräte, Insulinpumpen, Beatmungsgeräte und Geräte zur Medikamentenverabreichung sind typischerweise auf O-Ringe angewiesen, um kurze axiale Räume abzudichten. Wenn jedoch eine extreme radiale Auslenkungsfähigkeit erforderlich ist, können O-Ringe dies nicht ausgleichen – was häufig zu Verschleiß, bleibender Verformung und Undichtigkeiten führt. Trotz dieser Mängel verwenden Ingenieure weiterhin O-Ringe, da andere Lösungen (z. B. U-Becher, Lippendichtungen) die Anforderungen an die radiale Ablenkung nicht bewältigen können und normalerweise mehr axialen Raum benötigen als ein O-Ring.

Der C-Ring ist anders, da er in den kleinen axialen Raum passt, der normalerweise für O-Ringe zur Verfügung steht, während dies bei Standard-Dichtungskonfigurationen nicht möglich ist. Darüber hinaus lässt sich der C-Ring vollständig an die Anforderungen der Anwendung anpassen. Es kann mit ultradünnen und flexiblen Lippen für kryogene Anwendungen oder mit einer dicken Lippe für dynamische Anwendungen konfiguriert werden, bei denen die Dichtung eine höhere Verschleißfestigkeit erfordert.

Da der C-Ring Dreh- und Hin- und Herbewegungen ermöglicht, handelt es sich um eine vielseitige Lösung, die möglicherweise für eine Vielzahl von Produkten nützlich ist, die eine Abdichtung mit langsamer bis mittlerer Geschwindigkeit erfordern – darunter medizinische Roboter, tragbare medizinische Geräte und Sonden-/Schlauchanschlüsse. Der C-Ring kann ein ungewöhnlich großes Maß an radialer Toleranz aufnehmen – mindestens fünfmal so viel wie eine Standarddichtungskonfiguration mit ähnlichem Querschnitt. Die Toleranzbereiche hängen vom Umgebungsdruck, der Art des Mediums und den Bedingungen der Oberflächenbeschaffenheit ab. Der C-Ring funktioniert auch gut bei statischen Anwendungen, bei denen Komponenten vor Umweltschadstoffen geschützt werden müssen.

Durch die Entfernung von PTFE-Material aus dem ursprünglichen Manteldesign des C-Rings konnten die Ingenieure dessen Elastizität und Biegsamkeit verbessern. Dadurch erwies sich der C-Ring als dehnbarer und flexibler als ursprünglich erwartet, was ihn für unrunde Anwendungen nützlich macht. Der C-Ring kommt bereits in einer Medikamentenpumpe mit ovalem Kolben zum Einsatz. Und da der Dichtungsmantel aus reinem oder gefülltem PTFE bestehen kann, ist der C-Ring eine äußerst vielseitige Dichtung, die mit Hardware aus häufig verwendeten Metallen und Kunststoffen kompatibel ist.

Der ursprüngliche C-Ring, der für die Verwendung in dem wasserbasierten Diagnosegerät entwickelt wurde, enthielt eine abgeschrägte Schraubenfeder im Inneren des PTFE-Mantels. Ein C-Ring kann aber auch mit einer Spiralbandfeder als Energiequelle hergestellt werden. Durch den Ersatz der Schrägschraubenfeder durch eine Spiralbandfeder kann der C-Ring einen sehr hohen Dichtungskontaktdruck erzeugen, was ihn ideal für den Einsatz in kryogenen oder statischen Anwendungen macht.

Bal Seal Engineering bezeichnete seinen C-Ring als „die perfekte Dichtung für eine unvollkommene Welt“ und verwies auf seine Fähigkeit, eine längere Lebensdauer bei Anwendungen zu bieten, bei denen Spielräume, Oberflächenbeschaffenheiten und andere Konstruktionsmerkmale stark variieren. Obwohl keine Dichtung perfekt ist, machen die Vielseitigkeit und Anpassbarkeit des C-Rings ihn sicherlich zu einer interessanten und potenziell vorteilhaften Option für bestimmte medizinische und diagnostische Geräte. Es handelt sich um eine relativ leichte Dichtung, die sich ideal für den Einsatz in Anwendungen mit niedrigem Druck (<500 psi) und niedriger Geschwindigkeit (<100 ft/min) eignet, die eine geringe Reibung erfordern. In solchen Umgebungen kann sich ein C-Ring als bessere Dichtungslösung als ein Elastomer-O-Ring oder ein anderer Standarddichtungstyp erweisen und Entwicklern die Möglichkeit bieten, ohne kostspielige Hardwaremodifikationen eine längere Lebensdauer und einen leiseren Betrieb zu erreichen.

David Wang ist globaler Marktmanager für das Medizingerätegeschäft von Bal Seal Engineering. Als Ingenieur mit mehr als 10 Jahren Designerfahrung arbeitet er mit OEMs und Zulieferern zusammen, um Dichtungs-, Verbindungs-, Leitungs- und EMI-Abschirmungslösungen zu entwickeln, die dabei helfen, neue Maßstäbe für die Geräteleistung zu setzen.

Die in diesem Blogbeitrag geäußerten Meinungen sind ausschließlich die des Autors und spiegeln nicht unbedingt die von MedicalDesignandOutsourcing.com oder seinen Mitarbeitern wider.