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Untersuchungen zur Auslegung elektromagnetischer Linearaktoren für den intrakutanen Wirkstoffeintrag

Mönnich, Oliver

FG Elektromechanische Konstruktionen

Seit mehreren Jahren ist ein enormer Zuwachs der kosmetischen und medizinischen Hautbehandlungen zu verzeichnen. Auf der einen Seite erfreuen sich Tattoo und Permanent-Make-up in breiten Bevölkerungsschichten wachsender Beliebtheit, auf der anderen Seite sind neuartige medizinische Therapieformen wie das Microneedling entstanden, bei denen der Haut mikroskopisch kleine Verletzungen zugefügt werden, um körpereigene Heilungsprozesse in Gang zu setzen. Charakteristisch für diese Anwendungen ist, dass Nadeln oder Nadelpakete die menschliche Haut mit einer Frequenz von etwa 100 Hz punktieren. Hierfür kommen hauptsächlich Stechgeräte zum Einsatz, welche die Rotationsbewegung eines Gleichstrommotors über einen Kurbeltrieb in eine Linearbewegung umwandeln. Dadurch ist die Schwingungsamplitude der Nadeln kinematisch festgelegt und konstant. Bestimmte Arbeitsgänge wie das Zeichnen von Schattierungen lassen sich damit allerdings nur eingeschränkt durchführen. Für diese ist es vielmehr förderlich, wenn die Schwingungsamplitude bei einer Belastung durch das Einstechen in die Haut abnimmt. Ein solches Stechverhalten wird von den Anwendern als „Give“ bezeichnet und geschätzt. In dieser Arbeit werden verschiedene Ansätze vorgestellt, um die beschriebene Nadelbewegung durch ein Stechgerät zu erzeugen, welches auf einem elektromagnetischen Lineardirektantrieb basiert. Damit geht der außerordentliche Vorteil einher, dass sich sowohl die Nadelamplitude als auch der Give elektronisch frei einstellen und somit ein breites Spektrum an Arbeitstechniken mit einem einzigen Gerät abdecken lassen. Bei der Entwicklung steht das Erreichen eines effizienten Betriebs sowie die Begrenzung der Gehäusevibration im Vordergrund. Dies wird durch verschiedene Maßnahmen, darunter ein gezielter, toolgestützter mechanischer und elektromagnetischer Entwurf, der Einsatz spezieller hart- und weichmagnetischer Werkstoffe sowie die Optimierung des zeitlichen Verlaufs der ansteuernden Spannung erreicht. Für den sicheren und zuverlässigen Betrieb eines solchen Stechgeräts ist es weiterhin unumgänglich, die Schwingungsamplitude durch geeignete Regelungsstrukturen zu beeinflussen. Hierfür ist die messtechnische Erfassung der Läuferposition in hoher zeitlicher Auflösung erforderlich, die bei den Lineardirektantrieben durch ein spezifisch für die vorliegende Anwendung entwickeltes, miniaturisiertes und in das Stechgerät integrierbares Sensormodul verwirklicht wird. Zur robusten Erfassung der Schwingungsamplitude aus dem zeitlichen Verlauf der Läuferschwingung kommt ein Taylor-Kalman-Filter zum Einsatz. Das entstandene mechatronische Gesamtsystem hat seine Eignung bereits in Anwendungstests unter Beweis gestellt. Aufgrund der inhärenten Vorteile, die ein Lineardirektantrieb gegenüber den aktuell am Markt erhältlichen gleichstrombetriebenen Motoren bietet, sowie den im Rahmen dieser Arbeit geleisteten Neuentwicklungen zur Durchführung eines effizienten und durch die Regelung zuverlässigen und präzisen Betriebs, ergibt sich für das entwickelte System ein immenses Marktpotential.
In recent years, there has been an enormous increase in cosmetic and medical skin treatments. On the one hand, applications like tattooing and permanent make-up are becoming increasingly popular among broad sections of the population. On the other hand, novel medical treatments such as microneedling have emerged, in which microscopic injuries are inflicted on the skin in order to trigger the body’s own healing processes. A characteristic feature of these applications is the puncturing of the human skin with needles at a frequency of about 100 Hz. For this purpose, handheld devices are commonly used, which convert the rotary motion of a DC motor into a linear motion via crank drives. This means that the oscillation amplitude is kinematically fixed and constant. However, certain working techniques such as the drawing of shading or color gradients can only be carried out to a limited extent. For these, it is much more beneficial if the oscillation amplitude decreases when the skin is pierced. Such a piercing behaviour is called „Give“ and very much appreciated by the users. In the present thesis, different approaches are presented to generate the described needle motion with a handheld device based on an electromagnetic linear direct drive. This achieves the extraordinary advantage that both the needle amplitude and the „Give“ can be freely adjusted electronically and thus a wide range of working techniques can be covered with a single device. During development, the focus is on achieving energy efficient operation as well as limiting housing vibration. This is achieved through various measures, including a tool-supported mechanical and electromagnetic design, the use of special hard and soft magnetic materials, and the optimization of the time-dependent characteristics of the applied voltage. In order to achieve safe and reliable operation of the handheld device, it is furthermore indispensable to influence the oscillation amplitude by means of suitable control structures. This requires the measurement of the mover position in high temporal resolution, which is achieved by means of a custom miniaturized sensor module, developed specifically for the application at hand, which can be integrated into the device. A Taylor-Kalman filter is used for robust detection of the current oscillation amplitude from the measured mover position. The resulting mechatronic system has already proven its suitability in application tests. Due to the inherent advantages offered by a linear drive compared to DC-driven motors currently available on the market, in conjunction with the new developments made within the scope of this work to implement efficient operation that is reliable and precise due to closed-loop control, there is immense market potential for the developed system.