Wolframkabel für chirurgische Roboter: Eine komplexe, langwierige Forschungs- und Entwicklungsaufgabe

4. August 2023 Von gesponserten Inhalten Hinterlasse einen Kommentar

Von Scott Dailey und Connor Chiuchiolo

Die chirurgische Robotik ist ein so explosiver Bereich der Wissenschaft der minimalinvasiven Chirurgie, dass selbst der Normalbürger weiß, dass sie sich schnell zu einer tragenden Säule des Gesundheitswesens entwickelt. Tatsächlich werden sich Menschen, die keinerlei medizinischen Hintergrund haben und auch nicht über die Fertigungskompetenz zur Herstellung dieser erstaunlichen Maschinen verfügen, irgendwann einem chirurgischen Eingriff mit Hilfe eines Operationsroboters unterziehen. Dass sich die chirurgische Robotik zunehmend normalisiert und heute ein völlig akzeptabler Ansatz für die Durchführung ambulanter chirurgischer Eingriffe darstellt, bedeutet, dass Versprechen wie kürzere Krankenhausaufenthalte, weniger Komplikationen nach dem Krankenhausaufenthalt und vor allem eine schnellere Wiederherstellung der Lebensqualität eingeleitet werden.

Und als Instrumente, die die Gliedmaßen des Chirurgen perfekt simulieren sollen, profitieren die Ärzte selbst von der geringeren Ermüdungsgefahr bei Manövern, die ihre Beweglichkeit über einen längeren Zeitraum erfordern. Hinzu kommt die Möglichkeit für einen chirurgischen Roboter, kleinere, engere Räume innerhalb engerer Hohlräume zu erreichen, und es ist verständlich, warum so viel Enthusiasmus und Optimismus in Bezug auf den Einsatz von chirurgischen Robotern in Gesundheitsnetzwerken auf der ganzen Welt herrscht.

Aber aus all diesen und vielen anderen Gründen darf ein Operationsroboter im Einsatz weder groß noch klein, unter keinen Umständen und für keine längere Zeit ausfallen.

Anschließend müssen die Hersteller der mechanischen Miniaturkabel aus Wolfram, die dabei helfen, die Bewegungen des Chirurgen nachzuahmen, tausende Stunden lang mit den Herstellern der chirurgischen Robotik zusammenarbeiten, um sicherzustellen, dass diese Bewegungsaktuierung einen entscheidenden Sicherheitsfaktor erreicht, der die Anforderungen der entworfenen Umgebung bei weitem übertrifft.

8×19 0,018 Zoll Ø mechanisches Wolframkabel mit einem Hypotube-Anschluss am Ende.

Wolframkabel: Überragende Festigkeit, ultrafeiner Platzbedarf

Wenn ein chirurgischer Roboter mechanische Kabel verwendet, um Nick- und Gierbewegungen in seinen Endeffektoren zu erzeugen, dann bestehen die mechanischen Kabel dieses Roboters entweder aus Edelstahl oder Wolfram. Von den beiden Kabelmaterialien ist Wolfram in letzter Zeit der klare Favorit bei der Herstellung dieser Kabel. Während sich Edelstahl neben einer Vielzahl hochentwickelter chirurgischer Instrumente seit Jahrzehnten einen hervorragenden Ruf als ideales Kabelmaterial erfreut, hat die Formbarkeit von Wolfram in Kombination mit seinen überlegenen Belastbarkeits- und Zyklenkapazitäten es zum bevorzugten mechanischen Kabelmaterial unter Herstellern chirurgischer Roboter gemacht.

Die Durchmesser der mechanischen Wolframkabel, die die Arme, Hände und Finger eines Chirurgen simulieren, variieren von Anwendung zu Anwendung. Aber die Kabel in diesen engen, kleinen, überfüllten Räumen haben möglicherweise nur einen Durchmesser von nur 0,016 Zoll oder genau die gleiche Dicke wie vier gestapelte Blätter Büropapier der Sorte Garten im Format 8,5×11.

Noch erstaunlicher ist der Durchmesser der Monofilamente, die zur Verseilung dieser komplexen mechanischen Kabel aus Wolfram (oder Edelstahl) verwendet werden. Carl Stahl Sava Industries hat beispielsweise verseilte Wolframkabel aus Drähten mit einem Durchmesser von nur 0,0007″ hergestellt, wodurch die Monofilamente 70 % so groß sind wie ein einzelnes menschliches Haar (~0,001″ Ø).

Das Erreichen des erforderlichen Sicherheitsfaktors bei gleichzeitiger Beibehaltung eines so kleinen Formfaktors ermöglicht es diesen mechanischen Wolframkabeln, sich über Rollen zu bewegen, die ungefähr den Durchmesser eines Durchgangswiderstands haben.

8×19 0,018 Zoll Ø mechanisches Wolframkabel mit einem Hypotube-Anschluss in der Mitte.

Die Wiederholbarkeit extrem enger Toleranzen

Die Präzision, mit der mechanische Kabelbaugruppen aus Wolfram die Bewegungen des Chirurgen ausführen, erfordert, dass auch die an den Kabeln angebrachten Anschlüsse einen strengen Sicherheitsfaktor erfüllen. Schließlich führt der Operationsroboter minimalinvasive Eingriffe an einem Menschen durch; Die Fehlerquote liegt also eindeutig bei Null.

Die Toleranzen, die die Kabelverschraubungen einhalten müssen, tragen noch zusätzlich zur Eleganz dieser faszinierend kleinen, aber dennoch herkulischen Kabel bei.Toleranz , in der Kabelherstellung lose definiert, ist die Abweichung der Größe vom erforderlichen Maß einer Armatur. Wenn also ein Anschlussstück, das auf eine mechanische Kabelbaugruppe aus Wolfram angewendet wird und einen Durchmesser von 0,200 Zoll ± 0,004 Zoll haben soll, tatsächlich einen Durchmesser von 0,205 Zoll hat, liegt das Anschlussstück außerhalb der Toleranz, da es nicht den strengen Anwendungsanforderungen für chirurgische Roboter entspricht. Und selbst wenn die ideale Toleranz für Fittings, die an mechanischen Wolframkabeln angebracht werden, beispielsweise bei ±0,004 Zoll liegt, ist es die Wiederholbarkeit des Herstellungsvorgangs, die die Herstellung dieser Kabelwunder zu einer so strengen, aber zufriedenstellenden Forschungsarbeit macht Entwicklungsbemühungen.

Diese Beschläge müssen nicht nur ± der Dicke eines einzelnen Blattes Büropapier bei 0,004 Zoll betragen, sondern die Beschläge müssen diese Toleranz auch bei jedem zuletzt zusammengebauten Teil erreichen. Wenn man bedenkt, wie dünn ein Blatt Papier ist, ist es beeindruckend, diese Herstellungsleistung nur einmal zu vollbringen. Aber tun Sie dies im Laufe eines gesamten Produktionslaufs und während der gesamten Lebensdauer eines chirurgischen Roboters? Nun wird es ziemlich deutlich, was für ein Fertigungserfolg es ist, diese Toleranzen über Millionen von mechanischen Wolframkabelbaugruppen und möglicherweise Tausende von Operationen hinweg zu reproduzieren.

Connor Chiuchiolo, Konstruktionsingenieur bei Sava, betonte die Herausforderung, die es bei der Herstellung von Wolframkabeln für chirurgische Roboter darstellt: „Die Massenproduktion von Kabelbaugruppen für chirurgische Roboter ist eine Herzensangelegenheit.“ Es ist eine technische Gratwanderung, diese Toleranzen zu erreichen. Dennoch ist es eine Belohnung, die Grenzen dessen auszuloten, was in der chirurgischen Wissenschaft möglich ist.“

Anbringen des Hypotube-Anschlussstücks an einem mechanischen Wolframkabel mit einem Durchmesser von 8×19 und einem Durchmesser von 0,018 Zoll.

Wolframkabel: DER F&E-Prozess

Wolframkabel für die chirurgische Robotik stellen einzigartige und komplexe Forschungs- und Entwicklungsanforderungen an die Maschinenbauingenieure, die mit ihrer Herstellung beauftragt sind. Aber selbst wenn die Kabelbaugruppen den Forschungs- und Entwicklungsprozess hinter sich haben, der in der chirurgischen Robotik Jahre dauern kann, hat die Arbeit erst begonnen.

Über die Vielzahl von Betriebs- und Produktionsvalidierungen hinaus, die zur Perfektionierung der Kabelbaugruppen selbst erforderlich sind, müssen Produktions-, Werkzeug- und Formenbauer sowie andere qualifizierte Bediener dann mobilisieren, um eine Fertigungsumgebung zu entwerfen, bereitzustellen und aufrechtzuerhalten, die die nahtlose und zuverlässige Entwicklung von Tausenden oder sogar Millionen von Kabelbaugruppen gewährleistet Teile – manchmal über Jahrzehnte hinweg. Selbst wenn sich die Prototypen der Wolframkabelbaugruppen in Labortests als erfolgreich erweisen, schaffen Automatisierungen sowie Kanban-, 5S- und Mobilfunkfertigungsstrategien die notwendige Infrastruktur für die Massenproduktion von Kabeln und Kabelbaugruppen, die sicherstellt, dass ein Stück zum nächsten passt nicht voneinander zu unterscheiden.

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