Peristaltische Mikropumpe auf Basis von aktiven Verbundwerkstoffen

Das peristaltische Prinzip ist beispielsweise selbstansaugend, blasentolerant, in beiden Richtungen zu betreiben, bietet flexible Dosierbarkeit, geringes Totvolumen und hat keine Ventile. Deshalb werden geringer Verschleiß, gute Durchlässigkeit von Partikeln und Luftblasen sowie einfache Sterilisierbarkeit erwartet.

Die Entwicklung erfolgt mit Industrie- und Institutspartnern im Rahmen eines BMBF-Verbundprojektes, das dieses Jahr mit der Herstellung und Bewertung prototypischer Funktionsmuster abgeschlossen wird. Für den Einsatz im menschlichen Körper müssen mit nur 60 V Ansteuerspannung, ein Hub von mindestens 20 µm und sehr kleine, kontinuierliche Flussraten (0,2 bis 2 ml/Tag) erreicht werden, die flexibel regelbar sind.

Das Designkonzept basiert auf zwei übereinander liegenden, seitlich miteinander verbundenen, aktiven Verbundelementen. Die peristaltische Verformung wird durch sukzessive elektrische Ansteuerung von in Reihe angeordneten piezoelektrischen Biegern erzielt. Der dabei genutzte Bimorph-Biege-Effekt wird durch einen Aktoraufbau aus passivem Faserverbund-Substrat und aktiven PZT-Schichten erreicht.

Zur Entwicklung und Optimierung dieses Aktoraufbaus und Pumpendesigns wurden am Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM in Freiburg verschiedene Finite Elemente Modelle erstellt, in denen die Randbedingungen aus dem Anforderungsprofil sowie die Materialdaten von potenziell geeigneten Werkstoffen berücksichtigt sind. Wie das Institut erläutert, wurden gezielt Materialeigenschaften und –aufbau sowie Anzahl und Abmessungen der Biegeaktoren variiert, bis die geforderte Pumpen-Performance erreicht war. Das am Rechner optimierte Design wurde schließlich von den Projektpartnern als Versuchsmuster realisiert.

Das peristaltische Pumpsystem hat die ersten Funktionstests bereits erfolgreich bestanden. Es zeigte sich zudem eine sehr gute Übereinstimmung von experimentellen Ergebnissen und durch die Simulation vorher bestimmten Werten.

Mit den einzelnen Biegeelementen sowie den ersten Pumpen-Versuchsmustern wurden die vorherberechneten Biegungen erreicht und mit laseroptischen Methoden nachgewiesen. Dabei bleiben die erreichten Verformungen jeweils deutlich unterhalb der Bruchdehnungen der verwendeten Materialien und Komponenten.

Durch den Einsatz von Simulationsmodellen in der Entwicklungsphase des Projektes konnten somit Zeit und Kosten gespart werden. Nun kann die peristaltische Mikropumpe in Dosiersysteme eingebunden und für die unterschiedlichsten Anwendungen, auch für andere Dosiermengen oder Flüssigkeiten anpasst werden.

Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM, Halle 2, Stand D34