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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Magnetresonanztomographie sicheres (MR-sicheres) Steuerseil.
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Steuerseile werden in medizinischen Vorrichtungen bspw. zum Steuern der Vorrichtung und/oder zum Ziehen und/oder Schieben von Teilen der Vorrichtung eingesetzt. Bei herkömmlichen derartigen medizinischen Vorrichtungen sind diese Steuerseile aus Metall ausgebildet. Diese medizinischen Vorrichtungen können in röntgengeführten medizinischen Verfahren eingesetzt werden, jedoch nicht in Magnetresonanztomographie (MRT) - geführten medizinischen Verfahren, weil Metalle in der MRT elektrisch leitend sind und sich erhitzen können, was zur Gefährdung von Patient und Arzt führen kann.
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Beispiele für solche medizinischen Vorrichtungen sind steuerbare Katheter, steuerbare Schleusen, Abwurfsysteme für Stents, Abwurfsysteme für Okkluder, Abwurfsysteme für Coils, Abwurfsysteme für Atrial Flow Regulatoren, Bioptome, TAVR-, TMVR- & LAA-Einführsysteme, steuerbare Ablationskatheter, Thrombektomiesysteme, steuerbare Nadeln, steuerbare Führungsdrähte, etc.
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In der
US 2010/0198049 A1 ist ein Katheter mit steuerbarer Spitze offenbart, der bereits für die Anwendung in der MRT erfunden wurde, aber nur unter bestimmten Bedingungen in der MRT eingesetzt werden kann, weil er nicht MR-sicher, sondern nur MR-konditional ist. Die Ausführung der Steuerseile erfolgt als leitende Metalldrähte, um den Katheter an der Spitze durch einen aktiven MR-Marker sichtbar zu machen. Dies bedingt das Risiko der Patienten- und Arzt-Gefährdung, wenn die erlaubten begrenzten Anwendungsbedingungen eines solchen Produkts in der interventionellen MRT nicht vollständig eingehalten werden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Alternative zu aus dem Stand der Technik bekannten Steuerseilen für medizinische Vorrichtungen bereitzustellen.
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Eine weitere Aufgabe ist die Bereitstellung von Steuerseilen, die verbesserte mechanische Eigenschaftenaufweisen.
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Zudem ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Steuerseile, insbesondere für medizinische Vorrichtungen, sowie eine solche medizinische Vorrichtung bereitzustellen, die sich auf einfache Weise und/oder mit hoher Qualität herstellen lassen.
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Eine weitere Aufgabe ist es, ein Verfahren zur Herstellung derartiger Steuerseile vorzusehen.
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Die Erfindung weist zur Lösung dieser Aufgaben die in den unabhängigen Patentansprüchen angegebenen Merkmale auf. Vorteilhafte Ausgestaltungen davon sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß ist ein Magnetresonanztomographie sicheres (MR-sicheres) Steuerseil zur Steuerung einer medizinischen Vorrichtung vorgesehen. Das Steuerseil ist in einer medizinischen Vorrichtung anordbar, wobei das Steuerseil aus einem nicht-ferromagnetischen Matrixmaterial ausgebildet ist, in das ein Verstärkungsmaterial eingebettet ist, und wobei das Steuerseil baulich derart ausgestaltet ist, dass durch eine Verschiebung des Steuerseiles in und entgegen einer Axialrichtung einer medizinischen Vorrichtung die medizinische Vorrichtung steuerbar ist, oder, dass ein mit dem Steuerseil koppelbares Funktionselement einer medizinischen Vorrichtung steuerbar ist.
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Unter einer Steuerung eines Funktionselement einer medizinischen Vorrichtung kann bspw. eine Verschiebung, vorzugsweise in und entgegen einer Axialrichtung der medizinischen Vorrichtung, und/oder eine Drehung und/oder ein Öffnen und/oder ein Schließen des Funktionselements (z.B. eine Zange eines Bioptoms) verstanden werden.
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Bei steuerbaren rohrförmigen medizinischen Vorrichtungen, wie z.B. Kathetern, werden häufig Metalldrähte als Zug- bzw. Steuerseile verwendet. Aufgrund der elektrischen Leitfähigkeit von Metalldrähten und der damit einhergehenden Erhitzung sind derartige Metalldrähte jedoch nicht in magnetresonanztomographischen Verfahren (MRT) einsetzbar.
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Dadurch, dass das erfindungsgemäße Steuerseil aus einem nicht-ferromagnetischen Matrixmaterial ausgebildet ist, in das ein Verstärkungsmaterial (eine oder mehrere nichtmetallische Verstärkungsfasern) eingebettet ist, wird ein MR-sicheres Steuerseil bereitgestellt. Ein solches Steuerseil stellt eine Alternative zu bekannten Steuerseilen dar, die aus einem einzigen Werkstoff ausgebildet sind.
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Unter dem Ausdruck „Magnetresonanztomographie-sicher“ wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein MR-sicherer Gegenstand verstanden, wie er in der ASTM-Norm F2503-13 definiert ist.
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Als Ausgangsmaterial für ein erfindungsgemäßes MR-sicheres Steuerseil kann ein Faserverbundwerkstoff vorgesehen sein. Dieser umfasst das Verstärkungsmaterial, das insbesondere aus Fasern ausgebildet sein kann, die in das Matrixmaterial eingebettet sind.
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Als Matrixmaterial können sowohl duroplastische als auch thermoplastische Polymere vorgesehen sein. Als duroplastische Matrixmaterialien werden bspw. die relativ preisgünstigen Polyesterharze, Vinylesterharze und Epoxidharze verwendet. Um spezielle Eigenschaften wie bspw. Gleiteigenschaften, nachträgliche Verformbarkeit unter Wärme oder Abriebfestigkeit zu verbessern, können auch thermoplastische Faserverbundwerkstoffe hergestellt werden. Als Matrixmaterialien kommen hierfür bspw. Polyamide, Polypropylene und Polyethylene zum Einsatz.
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Das Matrixmaterial kann somit ein Kunststoff, wie z.B. Epoxidharz, Polyesterharz, Vinylesterharz, Polyamid, PEEK, PEBAX, Polyethylen, Polypropylen, Polyurethan, Silikon, Polymilchsäurepolymere sein.
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Unter einem Verstärkungsmaterial werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine oder mehrere Verstärkungsfasern verstanden. Verstärkungsfasern umfassen Fasern, Filamente, Faserbündel, Filamentbündel.
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Weiterhin werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung unter einem Verstärkungsmaterial Verstärkungsfaserverbunde verstanden. Verstärkungsfaserverbunde umfassen Gelege, Gewebe und Vliesstoffe. Diese sind wie folgt definiert:
- Eine Faser bzw. ein Filament ist ein lineares, elementares Gebilde, das aus einem Faser- oder Filamentstoff ausgebildet. Die Faser oder das Filament kann endlos oder längenbegrenzt sein und ist ein im Verhältnis zu ihrer Länge ein dünnes Gebilde. Um im technischen Bereich von einer Faser oder einem Filament zu sprechen, sollte das Verhältnis von Länge zu Durchmesser mindestens zwischen 3:1 und 10:1 liegen.
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Faserbündel oder Filamentbündel umfassen Fasern oder Filamente, die sich im Wesentlichen alle in einer Längsrichtung bzw. Axialrichtung erstrecken, vorzugsweise über eine gesamte Länge eines Steuerseils.
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Rovings umfassen zumindest zwei und vorzugsweise mehrere Faser- oder Filamentbündel ohne Verdrehung bzw. Twist, die in etwa parallel zueinander angeordnet sind.
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Yarns umfassen zumindest zwei und vorzugsweise mehrere Faser- oder Filamentbündel mit Verdrehung bzw. Twist, d.h. dass die Faserbündel verdreht angeordnet sind.
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Ein als Gelege ausgebildeter Faser- oder Filamentverbund ist ein loser Verbund von Fasern oder Filamenten, die sich im Raum vorzugsweise in Längs- und in Querrichtung und ggfs. auch in eine dritte, zur Längs- und Querrichtung senkrechte Richtung erstrecken.
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Ein als Gewebe ausgebildeter Faser- oder Filamentverbund ist ein fester Verbund von Fasern, oder Filamenten, die sich im Raum vorzugsweise in Längs- und in Querrichtung und ggfs. auch in eine dritte, zur Längs- und Querrichtung senkrechte Richtung erstrecken.
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Ein Vliesstoff ist ein Gebilde aus Fasern oder Filamenten begrenzter Länge, Endlosfasern oder Endlosfilamenten oder geschnittenen Garnen jeglicher Art und jeglichen Ursprungs, die auf irgendeine Weise zu einem Vlies (einer Faser- oder Filamentschicht, einem Faser- oder Filamentflor) zusammengefügt und auf irgendeine Weise miteinander verbunden worden sind. Vliesstoffe sind größtenteils flexible Flächengebilde, d. h. sie sind leicht biegsam, ihre Hauptstrukturelemente sind Fasern oder Filamente und sie weisen eine vergleichsweise geringe Dicke gegenüber ihrer Länge und Breite auf.
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Das Verstärkungsmaterial kann aus natürlichen oder synthetischen Materialien bspw. aus Glas, Aramid, Kevlar®, Keramik, UHMWPE (Ultra High Molecular Weight Polyethylene), Polyamid, PEEK, Polyethylenterephthalat (PET), Rayon (z.B. HL Fasern), Dacron, pflanzliche Fasern (z.B. Seide, Sisal, Hanf, Baumwolle, etc.), oder Spinnenseidenfasern ausgebildet sein.
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Damit können die Eigenschaften absolut als auch in ihrem Verhältnis zwischen Längs- und Querrichtung in einem weiten Bereich variiert werden.
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Da Metalldrähte aufgrund der elektrischen Leitfähigkeit von Metalldrähten und einer damit einhergehenden Erhitzung nicht in magnetresonanztomographischen (MRT) Verfahren einsetzbar sind, werden auch Zugseile aus Aramidfaserbündeln (Kevlar®) und PEEK-Stränge ei ngesetzt.
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Kevlar@-Fasern bzw. -Faserbündel oder PEEK-Stränge sind somit bereits als Steuerseile für MR-kompatible medizinische Vorrichtungen bekannt, die allerdings eine gegenüber Metalldrähten erhöhte Elongation aufweisen und damit keine vergleichbar geringe Elongation bei Zugbelastung wie Metalldrähte aufweisen. Diese mechanischen Nachteile führen zu Problemen in der Handhabbarkeit und Reproduzierbarkeit der Handhabung solcher medizinischen Vorrichtungen.
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Mit dem erfindungsgemäßen MR-sicheren Steuerseil wird eine Alternative zu Metalldrähten, Kevlar®-Fasern bzw. Faserbündel oder PEEK-Strängen bereitgestellt.
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Das erfindungsgemäße MR-sicherere Steuerseil weist durch die vorstehend aufgezeigte Ausbildung verbesserte mechanische Eigenschaften, insbesondere eine geringere Elongation, als bspw. Kevlar@-Fasern und PEEK-Stränge auf.
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Ein Steuerseil kann einen Durchmesser kleiner 1 mm, oder kleiner 0,9 mm, oder kleiner 0,8 mm, oder kleiner 0,7 mm, oder kleiner 0,6 mm, oder kleiner 0,5 mm oder kleiner 0,4 mm oder kleiner 0,3 mm oder kleiner 0,2 mm oder kleiner 0,1 mm, oder kleiner 0,05 mm aufweisen.
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Ein Steuerseil kann einen Durchmesser größer 1 mm, oder kleiner 0,9 mm, oder größer 0,8 mm, oder größer 0,7 mm, oder größer 0,6 mm, oder größer 0,5 mm oder größer 0,4 mm oder größer 0,3 mm oder größer 0,2 mm oder größer 0,1 mm, oder größer 0,05 mm aufweisen.
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Das Steuerseil kann durch Pultrusion und/oder Extrusion hergestellt sein.
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Unter Pultrusion wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Verfahren verstanden, bei dem chemisch reaktive Polymere/Harze als Matrixmaterial des Pultrudats vernetzt werden.
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Chemische Reaktionsverfahren für die Pultrusion können insbesondere radikalische oder ionische Quervernetzungen von Polymeren, wie z.B. ungesättigten Polyestern, Veretherungen und Veresterungen von Polysachariden, Hydrolysen von Polyvinylestern, oder Acetalisierungen von Polyvinylalkohol sein.
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Das Matrixmaterial kann mit in der Magnetresonanztomographie Artefakte erzeugenden Marker-Partikeln dotiert sein, sodass die medizinische Vorrichtung durch diese Marker-Partikel in der Magnetresonanztomographie sichtbar ist, wobei die in der Magnetresonanztomographie Artefakte erzeugenden Marker-Partikel vorzugsweise im Wesentlichen über die gesamte Länge des Steuerseils angeordnet sind, so dass die medizinische Vorrichtung im Wesentlichen über ihre gesamte Länge in der Magnetresonanztomographie sichtbar wird.
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Die Markerpartikel sind dabei in das Matrixmaterial eingebettet.
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Erfindungsgemäße MR-sichere Steuerseile können somit durch die Einlagerung von geringen Mengen passiv-negativer MR-Markerpartikel in der MRT sichtbar gemacht werden, bevorzugt durch scharfe begrenzte Artefakte.
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Zusätzlich oder alternativ kann das Steuerseil auch Röntgenmarker aufweisen. Eine Sichtbarmachung des Steuerseils bei Röntgenuntersuchungen kann durch eingebettete Röntgen-Markerpartikel oder durch ein Metallelement, wie z.B. einen Metallring, an einem distalen Ende des Steuerseils realisiert werden.
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Durch das Vorsehen eines MR-Markers und/oder eines Röntgen-Markers ist das Steuerseil bzw. eine zumindest ein Steuerseil aufweisende medizinische Vorrichtung in der Magnetresonanztomographie und/oder in Röntgenuntersuchungen sichtbar.
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Durch die Kombination von MR-Markern und Röntgen-Markern können die erfindungsgemäßen Steuerseile in beiden Bildgebungsverfahren gleichzeitig sichtbar gemacht werden.
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Die Einbringung von MR-Markern und/oder Röntgen-Markern in eine medizinische Vorrichtung lässt sich einfach durch Verwendung eines entsprechend dotierten Steuerseils realisieren. Derartige Steuerseile können in unterschiedlichen Dotierungen als Massenprodukt günstig und mit einer exakten Dosierung der Marker-Partikel hergestellt werden. Bei der Herstellung einer medizinischen Vorrichtung kann somit durch Verwendung eines oder mehrerer entsprechender Steuerseile mit MR-Markern und/oder Röntgen-Markern die Sichtbarmachung der medizinischen Vorrichtung in einer Magnetresonanztomographie und/oder einer Röntgenuntersuchung gewährleistet werden.
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Das Steuerseil kann weiterhin einen Zentralabschnitt und einen Peripherabschnitt, die sich in Axialrichtung des Steuerseils erstrecken, umfassen, wobei der Zentralabschnitt bzgl. eines Querschnittes des Steuerseiles zentral angeordnet und vom Peripherabschnitt radial umlaufend umgeben ist, und wobei sich sowohl der Zentralabschnitt als auch der Peripherabschnitt im Wesentlichen über die gesamte Länge des Steuerseils erstrecken, und der Zentralabschnitt zumindest eine in ein nicht-ferromagnetisches Matrixmaterial eingebettete Verstärkungsfaser aufweist, wobei das Matrixmaterial mit MR-Markerpartikeln dotiert ist, und der periphere Abschnitt ein undotiertes, nicht-ferromagnetisches Matrixmaterial aufweist.
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Der Durchmesser des Zentralabschnitts beträgt vorzugsweise kleiner oder gleich 0,2 mm, bevorzugt kleiner oder gleich 0,15 mm und noch mehr bevorzugt kleiner oder gleich 0,1 mm und noch mehr bevorzugt kleiner oder gleich 0,08 mm und insbesondere kleiner oder gleich 0,05 mm. Dadurch, dass lediglich das Matrixmaterial des sehr kleinen Zentralabschnitts mit MR-Markerpartikeln dotiert ist, wird bei der Magnetresonanztomographie ein besonders schmaler und scharfer Artefakt erzeugt.
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Eine derart konzentrierte Anordnung einer geringeren Menge von MR-Markerpartikeln ist vorteilhaft gegenüber derjenigen mit einer höheren Menge von MR-Markerpartikeln, die über den gesamten Querschnitt des Steuerseils verteilt sind, da die Voxel entlang der konzentrierten Anordnung von MR-Partikeln geschwärzt werden, aber diese Voxel den gleichen Schwärzungsgrad aufweisen wie bei einer größeren Menge an MR-Markerpartikeln, die über einen entsprechend größeren Bereich verteilt ist. Dadurch werden in der Breite weniger Voxel geschwärzt und ein schmaleres Abbild des medizinischen Instruments erreicht, so dass weniger Zielgewebe durch Schwärzung im MRT-Bild überdeckt werden kann.
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Daher ist es mit einem erfindungsgemäßen Steuerseil mit passiv-negativer MR-Marker Dotierung nur im Zentralabschnitt möglich, in der Magnetresonanztomographie ein annähernd ebenso schmales Abbild zu erzeugen wie mit einem metallischen Steuerseil in einem Röntgenbildgebungsverfahren.
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Dies gilt insbesondere, wenn das Steuerseil lediglich eine einzige dotierte Verstärkungsfaser aufweist oder bei mehreren Verstärkungsfasern, wobei nur das Matrixmaterial der zentral angeordneten Verstärkungsfaser MR-Marker aufweist. Vorzugsweise ist dann die im Matrixmaterial mit Markerpartikeln versehene Verstärkungsfaser im Zentrum des Steuerseils angeordnet. Hierdurch wird der Abstand zwischen dem dotierten Zentralabschnitt des Steuerseils und der Oberfläche der medizinischen Vorrichtung maximal gehalten. Dies führt dazu, dass Wasser oder Fettmoleküle im zu untersuchenden Körper nicht näher als an die Oberfläche der medizinischen Vorrichtung an den Zentralabschnitt heran gelangen können. Dadurch wird die Resonanz zwischen den MR-Markern und den Wasser- oder Fettmolekülen gering gehalten, wodurch die von den MR-Markern erzeugten Artefakte klein sind und sich die medizinische Vorrichtung als schmaler Streifen in einem MR-Bildgebungsverfahren darstellt.
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Zudem hat sich gezeigt, dass aufgrund der Konzentration der MR-Marker auf den Zentralabschnitt der Anteil der MR-Marker im Matrixmaterial über einen großen Bereich variieren kann, ohne dass dies nennenswert die Darstellung der medizinischen Vorrichtung im MR-Bildgebungsverfahren beeinflusst. Bei Verwendung von Eisenpartikeln mit einer Partikelgröße von 0 bis 20 µm wurde bei einem Gewichtsverhältnis von ca. 1:5 bis ca. 1:30 zwischen Markern und Matrixmaterial im Wesentlichen die gleiche Darstellung erzielt. Es hat sich gezeigt, dass die lokale Konzentration auf einen an sich möglichst kleinen Bereich, d.h. den Zentralabschnitt, wesentlich mehr Einfluss auf die Darstellung im MR-Bildgebungsverfahren hat als die Anteile an Markerpartikeln im Matrixmaterial.
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Mit der Erfindung werden erstmals derartig dünne Steuerseile mit einer Struktur geschaffen, die einen Zentralabschnitt und einen Peripherabschnitt aufweisen können.
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Ein Steuerseil ist ein einteiliger Vollmaterialkörper. Es ist kein rohr- oder schlauchförmiger Hohlkörper.
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Insbesondere ist das Matrixmaterial des Steuerseils als homogenes Matrixmaterial ausgebildet. Das Matrixmaterial des Peripherabschnittes und des Zentralabschnitts bestehen somit vorzugsweise aus dem gleichen Materialtyp.
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Vorzugsweise ist das Verstärkungsmaterial im Peripherabschnitt etwa gleichmäßig bzgl. des Querschnitts angeordnet. Hierdurch wird auch bei einem dünnen oder kleinvolumigen Peripherabschnitt eine hohe Torsions- und Biegefestigkeit erzielt.
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Es hat sich auch gezeigt, dass durch die Konzentration auf den Zentralabschnitt die gesamte Menge an MR-Marker sehr gering ist und trotzdem eine sehr gute Abbildung erzielt wird. Auf diese Weise wird eine bestmögliche Darstellung einer medizinischen Vorrichtung, die ein derartiges Steuerseil mit Dotierung nur im Zentralabschnitt umfasst, erzielt.
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Eine Verstärkungsfaser kann mindestens eine langgestreckte oder mehrere langgestreckte Fasern und vorzugsweise mehrere langgestreckte Fasern umfassen, die parallel angeordnet oder miteinander verflochten oder verdrillt sind. Dadurch, dass die Verstärkungsfaser mindestens eine langgestreckte oder mehrere langgestreckte Fasern umfasst, verleiht die Verstärkungsfaser dem Steuerseil eine hohe Festigkeit in longitudinaler Richtung. Durch eine derartige geordnete Ausbildung und Anordnung der Verstärkungsfaser im Steuerseil wird eine bessere Produktqualität erreicht.
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Die Verstärkungsfaser im Zentralabschnitt kann ein ht-Faserbündel sein und die Verstärkungsfaser im Peripherabschnitt kann ein Glasfaserbündel sein.
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Ein ht-Faserbündel ist ein hochfestes Faserbündel. Typische Beispiele für ht-Faserbündel sind Aramidfasern und UHMWPE-Fasern (Ultra High Molecular Weight Polyethylen Fibers). ht-Faserbündel haben eine Zugbzw. Reißfestigkeit von zumindest 20 cN/tex. Optional haben die ht-Faserbündel eine Zug- bzw. Reißfestigkeit von zumindest 32 cN/tex und insbesondere von zumindest 30 cN/tex.
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Ein ht-Faserbündel ist hochflexibel bzw. biegsam und weist eine hohe Zug- bzw. Reißfestigkeit auf. Zudem verleiht das in das Matrixmaterial eingebettete ht-Faserbündel dem Steuerseil eine gewisse Steifigkeit.
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Glasfaserbündel sind steifer als ht-Faserbündel, so dass ein Steuerseil, das sowohl ht-Faserbündel als auch Glasfaserbündel aufweist, bevorzugt ist. Ein Steuerseil, das sowohl ht-Faserbündel als auch Glasfaserbündel aufweist, kann hinsichtlich seiner Steifigkeit und Flexibilität und insbesondere bezüglich seiner Torsionssteifigkeit optimal eingestellt werden.
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Die Anordnung zumindest eines Glasfaserbündels im Peripherabschnitt ermöglicht die höchstmögliche Steifigkeit. Das zumindest eine periphere Glasfaserbündel gibt dem Steuerseil die notwendige Kompressions- und Biegesteifigkeit für Schubbelastung. Dadurch, dass zumindest ein ht-Faserbündel zentral auf einer neutralen Linie angeordnet ist, mindert das zumindest eine ht-Faserbündel die Kompressions- und die Biegesteifigkeit des Steuerseils nur minimal. Als neutrale Linie, auch Nulllinie genannt, bezeichnet man in der technischen Mechanik im Rahmen der Elastostatik die Schicht eines Querschnitts eines Steuerseils, deren Länge sich bei einem Biegevorgang nicht ändert. Dort verursacht die Biegung keine Zug oder Druckspannungen. Die Fläche verläuft durch den geometrischen Schwerpunkt der Querschnittsfläche des Steuerseils.
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Die zumindest eine Verstärkungsfaser im Zentralabschnitt kann auch ein Glasfaserbündel sein und die zumindest eine Verstärkungsfaser im Peripherabschnitt ein ht-Faserbündel. Diese Anordnung ist dann optimal, wenn das Steuerseil einen geringen Anteil an Glasfaser und einen hohen Anteil an ht-Fasern haben soll. In dieser Ausführungsform wird ein überwiegend aus der flexibleren ht-Faser bestehendes Steuerseil in der Kompressions- und Biegesteifigkeit durch die Glasfasern verstärkt.
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Es ist vorteilhaft, die im größeren Anteil enthaltenen Verstärkungsfasern an der Oberfläche des Steuerseils und die im kleineren Anteil enthaltenen Verstärkungsfasern im Inneren anzuordnen, um eine homogene Oberfläche zu erhalten. Die Produktqualität wird dadurch wesentlich erhöht.
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Die Verstärkungsfasern sind elektrisch nicht-leitende Fasern bzw. Filamente, so dass diese während der Magnetresonanztomographie verwendbar sind. Demgemäß schließt der Begriff Verstärkungsfaser, wie er in der vorliegenden Beschreibung verwendet wird, jegliche elektrisch leitfähige Fasern, wie zum Beispiel dünne Metalldrähte oder ein Karbonfilament aus.
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Vorzugsweise ist eine Verstärkungsfaser aus mehreren Fasern ausgebildet. Ein derartiges Faserbündel wird im Englischen als „roving“ bezeichnet.
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Wenn die Fasern Verstärkungsfaser miteinander verdrillt sind, bilden diese ein Garn aus. Ein derartiges Faserbündel wird im Englischen als „yarn“ bezeichnet.
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Alle Verstärkungsfasern im Steuerseil können ht-Faserbündel sein. Ein derart ausgebildetes Steuerseil weist bestmögliche Eigenschaften hinsichtlich der Reißfestigkeit auf.
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Weiterhin können alle Verstärkungsfasern im Steuerseil Glasfaserbündel sein. Ein derartiges Steuerseil weist bestmögliche Eigenschaften hinsichtlich der Kompressions- und Biegesteifigkeit auf.
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Das nicht-ferromagnetische Matrixmaterial im Zentralabschnitt und im Peripherabschnitt kann das gleiche nicht-ferromagnetische Matrixmaterial sein. Als Matrixmaterial ist vorzugsweise Epoxidharz vorgesehen.
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Die Markerpartikel im Zentralabschnitt sind vorzugsweise MR-Markerpartikel.
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Im Zentralabschnitt können ein oder mehrere Verstärkungsfasern vorgesehen sein und im Peripherabschnitt können radial umlaufend um die Verstärkungsfaser des Zentralabschnitts und in etwa gleich beabstandet voneinander angeordnet zumindest drei bzw. vier bzw. fünf bzw. sechs bzw. sieben bzw. acht bzw. neun bzw. zehn bzw. elf bzw. zwölf Verstärkungsfasern vorgesehen sein.
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Erfindungsgemäße MR-sichere Steuerseile sind elektrisch nicht-leitend und erhitzen nicht. Sie weisen bauart- und materialbedingt gute mechanische Eigenschaften ähnlich denen von Metalldrähten auf. Durch die zentrische Dotierung sind die MR-sicheren Steuerseile bzw. solche Steuerseile enthaltende medizinische Vorrichtungen mit einem scharfen Artefakt gut in der MRT abbildbar.
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Ein aus einem Metalldraht ausgebildetes Steuerseil weist seht gute mechanische Eigenschaften auf. Ein aus Kevlar@-Fasern oder PEEK-Filamenten ausgebildetes Steuerseil weist hingegen schlechte mechanische Eigenschaften hinsichtlich Zugfestigkeit, Dehngrenze und Elastizitätsmodul, insbesondere in Bezug auf eine Elongation, auf.
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Ein erfindungsgemäßes Steuerseil aus einem Faserbundwerkstoff kann baulich derart ausgestaltet sein, dass
eine Zugfestigkeit größer als diejenige eines aus Kevlar@-Fasern oder PEEK-Filamenten ausgebildeten Steuerseils ist, und/oder dass
eine Dehngrenze kleiner als diejenige eines aus Kevlar®-Fasern oder PEEK-Filamenten ausgebildeten Steuerseils ist, und/oder dass
ein E-Modul kleiner als dasjenige eines aus Kevlar@-Fasern oder PEEK-Filamenten ausgebildeten Steuerseils ist.
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Außerdem sind die erfindungsgemäßen Steuerseile, da sie aus nicht-metallischen Materialien bestehen, elektrisch nicht-leitend und erhitzen sich nicht und sind daher MR-sicher.
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Die mechanischen Eigenschaften (Zugfestigkeit, Dehngrenze und Elastizitätsmodul) eines erfindungsgemäßen Steuerseils liegen zwischen denen eines aus Metalldrähten ausgebildeten Steuerseils und denen eines aus Kevlar@-Fasern oder PEEK-Filamenten ausgebildeten Steuerseils.
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Vorteile der erfindungsgemäßen Faserverbundwerkstoffe für die Herstellung von MR-sicheren Steuerseilen gegenüber Steuerseilen aus z.B. Kevlar@-Fasern oder PEEK-Filamenten sind u.a. eine geringere Elongation bei Zugbelastung und/oder eine höhere Steifigkeit bei Schubbelastung und/oder eine höhere Reißfestigkeit und damit eine bessere, stabile und reproduzierbare Steuerseilfunktionalität, die näher an der Steuerseilfunktionalität von Metalldrähten liegt.
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Das Steuerseil kann baulich derart ausgestaltet sein, dass es in einem oder mehreren Lumen in einer Mantelwandung und/oder in einem zentralen Lumen einer rohrförmigen medizinischen Vorrichtung oder in einem Lumen in einer medizinischen Vorrichtung, die einen Vollmaterialkörper umfasst, anordbar ist.
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Um eine Anordnung des Steuerseils in einem Lumen einer medizinischen Vorrichtung zu verbessern, kann das Steuerseil zumindest einen Befestigungsabschnitt und/oder einen Umlenkabschnitt aufweisen, wobei im Bereich des Befestigungsabschnittes Knoten oder Mitnehmer (aufgecrimpt) vorgesehen sind, oder das Matrixmaterial zumindest in diesem Bereich schweißbar ausgebildet ist, und wobei das Matrixmaterial im Bereich des Umlenkabschnitts flexibler ausgebildet ist als im restlichen Steuerseil.
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Für diese erfindungsgemäßen Ausführungsformen eines Steuerseils werden für den Befestigungsabschnitt und/oder den Umlenkabschnitt Matrixmaterialien mit einer geringeren Steifigkeit und/oder einer höheren Flexibilität als im restlichen Bereich des Steuerseils vorgesehen.
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Eine besondere Materialbelastung wirkt auf das Steuerseil an Umlenkabschnitten ein, wenn das Steuerseil durchgehend vom proximalen Ende über einen Umlenkungspunkt am distalen Ende und zurücklaufend zum proximalen Ende angeordnet ist.
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Im Bereich des Umlenkabschnitts kann das Steuerseil dann eine höhere Gleitfähigkeit und/oder Flexibilität aufweisen als über den Rest seiner Länge.
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Weiterhin kann auf einer Oberfläche des Steuerseils ein dünner Schlauch oder Schrumpfschlauch aus einem Material mit hoher Gleitfähigkeit, bspw. aus PTFE- oder FEP, aufgebracht bzw. angeordnet sein. Ein PTFE- oder FEP Schrumpfschlauch kann einen Wandstärke von in etwa 0,03 mm, 0,04 mm, 0,05 mm, 0,06 mm, 0,07 mm, 0,8 mm, 0,09 mm, 0,1 mm aufweisen.
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Durch das Vorsehen eines derartigen Schlauches bzw. Schlauchstückes oder- abschnittes, wird eine erhöhte Gleitfähigkeit des Steuerseils erreicht, da die Reibung (bzw. der Reibungskoeffizient) gegenüber derjenigen des Faserverbundwerkstoffs reduziert ist.
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Durch das Vorsehen eines Schlauches oder einer geeigneten Beschichtung des Steuerseils im Bereich des bzw. der Umlenkpunkte wird die Reibung in der Krümmung reduziert und der Faserverbundwerkstoff stabilisiert.
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Gleitfähige Materialen können auch durch Extrusion, Beschichten, Tauchbeschichten, Aufdampfen und ähnliche Verfahren aufgebracht werden. Alternativ könnte dieses Oberflächenmaterial auch im Pultrusionsverfahren in-line, ggf. durch einen zweiten Schritt im Herstellungsprozess angebracht werden.
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Bei der Verwendung eines erfindungsgemäßen Steuerseils in einer medizinischen Vorrichtung kann vorgesehen sein, dass ein Steuerseil umgelenkt werden muss, um eine bestimmte technische Funktion zu erfüllen. Ein solcher Abschnitt des Steuerseils, der in einer medizinischen Vorrichtung im Bereich eines Umlenkpunktes für das Steuerseil angeordnet ist, in dem das Steuerseil umgelenkt wird, wird im Folgenden als Umlenkabschnitt bezeichnet.
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In einem solchen Umlenkpunkt können durch Biegung, Verschiebung und/oder Reibung höhere mechanische Belastungen in einem entsprechenden Umlenkabschnitt eines Steuerseils auftreten.
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Ein Steuerseil kann einen oder mehrere Umlenkabschnitte aufweisen, die in einer Längsrichtung beabstandet zueinander angeordnet sind.
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In einem Umlenkabschnitt weist das Matrixmaterial des Steuerseils eine geringere Steifigkeit und/oder eine höhere Flexibilität auf als das Matrixmaterial des restlichen Bereichs des Steuerseils (Hauptabschnitt).
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Eine bevorzugte erfindungsgemäße Ausführungsform eines Steuerseils aus Faserverbundwerkstoff weist im Umlenkabschnitt eine geringere Steifigkeit und/oder eine höhere Flexibilität auf. Der Umlenkabschnitt umfasst einen Abschnitt des Faserverbundwerkstoffs in der Region des Umlenkpunkts der medizinischen Vorrichtung, in dem das Matrixmaterial des Steuerseils eine geringere Steifigkeit und/oder eine höhere Flexibilität aufweist als das Matrixmaterial des Hauptabschnittes.
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Ein Matrixmaterial mit einer geringeren Steifigkeit und/oder einer höheren Flexibilität kann durch Verwendung eines Duroplasten mit einer geringeren Shorehärte oder durch eine geringere Vernetzung eines reaktiven Polymers/Harzes erhalten werden. Dabei ist es am meisten bevorzugt, einen Gradienten der beiden Matrixmaterialien auszubilden, so dass keine Sollbruchstelle an der Position des Matrixmaterialwechsels entsteht.
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Dies kann bspw. durch eine Änderung des Matrixmaterials von Epoxidharz auf Polyurethan realisiert werden.
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Weiterhin ist erfindungsgemäß eine medizinische Vorrichtung mit zumindest einem vorstehend aufgezeigten Steuerseil vorgesehen.
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Die medizinischen Vorrichtung kann einen Vollmaterialkörper umfassen bzw. aus einem solchen ausgebildet sein, wie z.B. ein steuerbarer Führungsdraht. Hierbei ist zumindest ein Steuerseil in einem zentralen Lumen vorgesehen, um eine Spitze bzw. ein distales Ende des Führungsdrahtes zu steuern.
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Die erfindungsgemäße medizinische Vorrichtung kann zumindest eine rohrförmigen Mantelwandung, die ein Lumen begrenzt, umfassen, wobei in dem Lumen, insbesondere einem Zentrallumen und/oder in zumindest einem oder mehreren in der Mantelwandung ausgebildeten Peripherlumen ein vorstehend aufgezeigtes Steuerseil angeordnet ist.
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Die medizinische Vorrichtung kann ein steuerbarer Katheter, ein steuerbarer Ablationskatheter, eine steuerbare Schleuse, ein Abwurfsystem für Stents, ein Abwurfsystem für Okkluder, ein Abwurfsystem für Coils, ein Abwurfsystem für Atrial Flow Regulatoren, ein Bioptom, ein TAVR-, TMVR- & LAA-Einführsystem, ein Thrombektomiesystem, ein steuerbarer Führungsdraht oder dergleichen sein.
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Insbesondere kann die medizinische Vorrichtung zwei, drei, vier oder mehr Steuerseile aufweisen.
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Mittels zweier Steuerseile ist eine Bewegung in zwei Richtungen (zweidimensional) möglich. Beim Vorsehen von zumindest drei oder vier Steuerseilen ist eine Bewegung in vier Richtungen, d.h. im Raum (dreidimensional) möglich.
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Das Steuerseil kann an einem distalen Ende den Befestigungsabschnitt aufweisen, mit dem das Steuerseil an einem distalen Ende mit der medizinischen Vorrichtung verbunden ist.
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Die Verbindung des Steuerseils mit der medizinischen Vorrichtung kann als stoffschlüssige Verbindung ausgeführt sein.
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Unter einer stoffschlüssigen Verbindung werden alle Verbindungen verstanden, bei denen die Verbindungspartner durch atomare oder molekulare Kräfte zusammengehalten werden. Sie sind gleichzeitig nicht lösbare Verbindungen, bspw. mittels Schweißen, Kleben, Vulkanisieren, die sich nur durch Zerstörung der Verbindungsmittel trennen lassen.
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Hierfür kann zusätzlich und/oder alternativ der Befestigungsabschnitt ein geeignetes Verbindungsmaterial aufweisen bzw. es kann ein geeignetes Verbindungsmaterial auf den Befestigungsabschnitt aufgebracht worden sein.
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Die Verbindung des Steuerseils mit der medizinischen Vorrichtung kann als formschlüssige Verbindung ausgeführt sein, die durch ein Ineinandergreifen von mindestens zwei Verbindungsmitteln ausgebildet wird. Dadurch können sich die Verbindungspartner auch ohne oder bei unterbrochener Kraftübertragung nicht lösen.
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Hierbei kann der Befestigungsabschnitt des Steuerseils als ein erstes formschlüssiges Verbindungsmittel ausgebildet sein oder der Befestigungsabschnitt kann ein erstes separates formschlüssiges Verbindungsmittel aufweisen.
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Ein entsprechendes zweites formschlüssiges Verbindungsmittel ist am distalen Ende der medizinischen Vorrichtung vorgesehen oder ausgebildet.
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Das erste und das zweite Verbindungsmittel sind somit zum Ausbilden einer formschlüssigen Verbindung ausgestaltet.
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Die Verbindung des Steuerseils mit der medizinischen Vorrichtung kann zusätzlich und/oder alternativ zur formschlüssigen Verbindung als kraftschlüssige Verbindung ausgeführt sein. Hierbei wirkt eine Normal-Kraft auf die miteinander zu verbindenden Flächen. Ihre gegenseitige Verschiebung ist verhindert, solange die durch die Haftreibung bewirkte Gegen-Kraft nicht überschritten wird.
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Hierbei kann der Befestigungsabschnitt des Steuerseils als ein erstes kraftschlüssige Verbindungsmittel ausgebildet sein oder der Befestigungsabschnitt kann ein erstes separates kraftschlüssiges Verbindungsmittel aufweisen.
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Ein entsprechendes zweites kraftschlüssige Verbindungsmittel ist am distalen Ende der medizinischen Vorrichtung vorgesehen oder ausgebildet.
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Das erste und das zweite Verbindungsmittel können zum Übertragen von Schub- und/oder Zugkräften ausgebildet sein.
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Ein MR-sicheres Steuerseil kann bspw. mittels eines Strangziehverfahren hergestellt werden. Ein Strangziehverfahren (auch Pultrusionsverfahren oder Pultrudieren) ist ein kontinuierliches Herstellungsverfahren zur Fertigung von faserverstärkten Kunststoffprofilen, wobei die Fasern im Pultrusionsprozess mit einem chemisch reaktiven Polymer imprägniert werden, welches im nachfolgenden Verlauf des Prozesses vernetzt (Synonyme: polymerisiert, ausgehärtet) wird. Es ist aber auch möglich, entsprechende faserkunststoffbasierte Steuerseile mittels Extrusion herzustellen, wobei die Fasern hierbei unter Druck mit erhitztem, chemisch nicht reaktivem (bereits vernetztem) Polymer imprägniert werden. Ein hierfür geeignetes System zur Herstellung eines strukturierten Extrudats, umfassend einen speziellen Extrusionskopf, ist in
WO 2017/037130 beschrieben.
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Der prinzipielle Aufbau einer Pultrusionsanlage ist ausgebildet aus einem Faserregal, Faserführungen, einer Imprägniereinrichtung, einem Formgebungswerkzeug und einem Härtungswerkzeug, einer Ziehvorrichtung und ggf. einer Ablängeinheit.
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In offenen Pultrusionsverfahren werden die Fasern oder Faserbündel über Faserführungen aus einem (ggf. mehrstöckigen) Spulenlager in ein Ausgangsmatrixmaterialbad, also dem reaktiven Polymer-/Harzmaterial, die Imprägniereinrichtung, geführt. Die Fasern oder Faserbündel können ein oder mehrere Formgebungswerkzeuge durchlaufen, sodass sie an die gewünschte Profilform herangeführt werden. An den Faserführungen können Matten, Gewebe, Gelege oder Vliese in den Prozess integriert werden, um die mechanischen Eigenschaften gegenüber denen einer rein unidirektionalen Verstärkung, wie sie durch Fasern oder Faserbündel erreicht wird, anzupassen bzw. zu optimieren.
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Beim sogenannten geschlossenen Verfahren treten die gesamten Fasern oder Faserbündel erst im Formgebungswerkzeug mit dem Ausgangsmatrixmaterial in Kontakt, dann allerdings mit erhöhtem Druck zur besseren Imprägnierung. Im Härtungswerkzeug reagiert das Ausgangsmatrixmaterial zum vernetzten Matrixmaterial (Polymer/Harz). Das teilweise oder überwiegend ausgehärtete Pultrudat wird durch einen Raupenabzug gezogen, wodurch die Fasern oder Faserbündel mitsamt des Ausgangsmatrixmaterials aus der Imprägniereinrichtung in das Formgebungswerkzeug und das Härtungswerkzeug hineingezogen werden.
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Grundsätzlich kann zwischen den drei Verfahren Wannenverfahren, Durchziehverfahren und Einspritzverfahren zur Harzimprägnierung unterschieden werden.
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Das Wannenverfahren ist das gängigste Verfahren zur Herstellung pultrudierter Profile, insbesondere mit einfachen Querschnitten. Die Imprägnierung findet in einem offenen Ausgangsmatrixmaterialbad statt, durch welches die trockenen Fasern oder Faserbündel gezogen werden. Die Umlenkung der Fasern oder Faserbündel in und aus dem Ausgangsmatrixmaterialbad erfolgt durch Führungsblenden.
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Das Durchziehverfahren wird insbesondere bei der Herstellung von Profilen mit geometrisch komplexen Querschnitten verwendet. Die Fasern oder Faserbündel werden ohne Umlenkung durch das Ausgangsmatrixmaterialbad geführt, sodass die Imprägniereinrichtung horizontal durchlaufen wird. An der Ein- und Austrittsseite des Bades mit Ausgangsmatrixmaterial befinden sich Formgebungswerkzeuge, die der späteren Profilform gleichen. Das durch die Faserführungen abgestrichene Ausgangsmatrixmaterial wird unter der Imprägniereinrichtung mit Hilfe einer Wanne aufgefangen.
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Beim Einspritzverfahren werden die Fasern oder Faserbündel ohne Umlenkung durch die Imprägniereinrichtung geführt, welche die Form des herzustellenden Profils hat und sich im Inneren aufweitet. In diesem Hohlraum wird das Ausgangsmatrixmaterial von beiden Seiten quer zur Faserrichtung eingespritzt. Dieses Verfahren findet Anwendung bei der Herstellung einfacher Profile mit hohen Produktionsmengen. In einem temperierten Werkzeug mit einer Länge von 0,5 m bis 2,5 m finden anschließend die letztendliche Formgebung des Profils sowie die Heißaushärtung bei Temperaturen zwischen 100 °C bis 200 °C statt. Das fertige Profil und somit die Fasern oder Faserbündel mitsamt des Ausgangsmatrixmaterials werden durch eine sich anschließende Ziehvorrichtung, z. B. in Form eines Raupenabzugs oder von pneumatischen Greifern, kontinuierlich gefördert und mit einer konstanten Geschwindigkeit aus dem Werkzeug gezogen.
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Die Ziehgeschwindigkeit des Prozesses wird an den Durchmesser des Profils, die Komplexität des Profilquerschnittes sowie an das Matrixmaterial angepasst. Üblich ist eine Prozessgeschwindigkeit von 0,1 m/min bis 1,2 m/min.
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Vorzugsweise ist erfindungsgemäß jedoch eine Pultrusionsvorrichtung zum Herstellen eines Pultrudats, insbesondere zum Herstellen eines erfindungsgemäßen MR-sicheren Steuerseils, vorgesehen. Diese umfasst:
- zumindest eine erste Spuleneinrichtung zum Zuführen von Verstärkungsmaterial, insbesondere zumindest einer Verstärkungsfaser,
einen ersten Pultrusionskopf umfassend
ein erstes Gehäuse, wobei das Gehäuse eine radial umlaufende erste Seitenwandung aufweist, und wobei an einem in Produktionsrichtung vorne liegenden Ende des Gehäuses eine erste Austrittsdüse und am entgegen der Produktionsrichtung hinten liegenden Ende eine ersten Führungskanaleinrichtung angeordnet ist, wobei der Raum im Gehäuse zwischen der Führungskanaleinrichtung, der Seitenwandung und der Austrittsdüse einen ersten Imprägnierraum zum Imprägnieren der zumindest einen Verstärkungsfaser mit einem Ausgangsmatrixmaterial begrenzt, und wobei das Gehäuse im Bereich des Imprägnierraumes mit einer ersten Zuführeinrichtung für das Ausgangsmatrixmaterial verbindbar ist, und wobei in der Führungskanaleinrichtung zumindest ein sich in Produktionsrichtung erstreckender Führungskanal ausgebildet ist, um zumindest eine Verstärkungsfaser von einer Einrichtung zum Zuführen von zumindest einer Verstärkungsfaser bis in den Imprägnierraum einzubringen, und wobei
der zumindest eine Führungskanal in etwa in geradliniger Flucht zur Austrittsdüse angeordnet ist, wobei sich der Führungskanal über die gesamte Länge der Führungskanaleinrichtung erstreckt.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann die Führungskanaleinrichtung ähnlich den aus dem Stand der Technik bekannten Pinolen für Extrusionsvorrichtungen (um einen Körper radial umlaufend und gleichmäßig mit Extrudat zu beaufschlagen) als Pinole ausgebildet sein, um einen Körper radial umlaufend und gleichmäßig mit Ausgangsmatrixmaterial zu beaufschlagen.
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Erfindungsgemäß kann der Pultrusionskopf auch lediglich ein Gehäuse, eine Führungskanaleinrichtung mit zumindest einem Führungskanal und einen Imprägnierraum, um die Verstärkungsfaser mit Matrixmaterial zu beaufschlagen, sowie eine Austrittsdüse umfassen.
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Ein Zieldurchmesser der Anordnung der Fasern zueinander wird erfindungsgemäß beim Austritt aus dem Führungskanal definiert bzw. durch diesen festgelegt.
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Ein Ausgangsmatrixmaterial kann ein reaktives Polymer- bzw. Harzmaterial sein und kleine nicht vernetzte Einheiten bzw. Monomere umfassen. Diese Monomere sind im Ausgangsmatrixmaterial nicht ausgehärtet bzw. polymerisiert bzw. nicht vernetzt.
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Ein intermediäres Pultrudat kann ein teilvernetztes bzw. niedriggradig vernetztes Matrixmaterial sein, wobei dieses Pultrudat eine gewisse Steifigkeit aufweist.
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Ein Endpultrudat kann ein höhergradig vernetztes Matrixmaterial (Polymer/Harz) sein, wobei dieses im Pultrudat noch nicht unbedingt komplett vernetzt ist. Optional kann nach der Pultrusion noch eine zusätzliche Wärmebehandlung des Pultrudats zur weiteren Vernetzung und Aushärtung des Matrixmaterials angeschlossen werden.
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Die Vorteile der erfindungsgemäßen Pultrusionsvorrichtung werden später anhand eines erfindungsgemäßen Pultrusionsverfahrens aufgezeigt und gelten anlog für die Pultrusionsvorrichtung.
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Mit der Pultrusionsvorrichtung ist eine vordefinierte und relativ genaue geometrische Anordnung einer oder mehrerer Verstärkungsfasern im Steuerseil möglich.
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Um eine stabile regelmäßige Imprägnierung einer oder mehrerer Verstärkungsfasern zu erreichen, wird ein erfindungsgemäßer Pultrusionskopf verwendet, um die Verstärkungsfasermit niedrigem Druck mit dem Ausgangsmatrixmaterial zu beaufschlagen und im Wesentlichen homogen zu imprägnieren.
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Die Aufbringung des Ausgangsmatrixmaterials durch den Pultrusionskopf vermeidet die Umlenkung der einen oder mehreren Verstärkungsfasern und ermöglicht damit eine bessere Imprägnierqualität, da die eine oder mehrere Verstärkungsfasern ausschließlich linear geführt werden und diese nicht an den Umlenkrollen flach gedrückt werden und unkontrolliert Ausgangsmatrixmaterial abgestreift wird. Durch die Beaufschlagung der einen oder mehreren Verstärkungsfasern mit Ausgangsmatrixmaterial unter Druck wird die Imprägnierung der einzelnen Fasern weiter verbessert.
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Weiterhin kann eine Einrichtung zum Zuführen vorgesehen sein, die zumindest eine erste Spuleneinrichtung zum Zuführen von zumindest einer Verstärkungsfaser umfasst.
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Der Führungskanal ist vorzugsweise ein zentraler Führungskanal.
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Die erste Austrittsdüse kann eine Düsenscheibe mit einer Düsenöffnung zum Formen eines Außendurchmessers der imprägnierten Verstärkungsfaser aufweisen.
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In Produktionsrichtung ist nach dem Pultrusionskopf eine erste Heizeinrichtung zum niedriggradigen Vernetzen des Ausgangsmatrixmaterials angeordnet, wodurch ein intermediäres Pultrudat mit einem niedriggradig vernetzten Matrixmaterial und einer gewissen Steifigkeit erhalten wird.
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Beispiele für vernetzende Reaktionen sind radikalische Polymerisationen von Monomeren mit zwei Vinylfunktionen oder die Polykondensation oder Polyaddition unter Einsatz von Monomeren mit zwei oder mehr Funktionalitäten (z. B. bei Phenoplasten). Die Vernetzung bereits bestehender Polymere wird auch als Quervernetzung bezeichnet und kann entweder über bereits im Polymer vorhandene Funktionalitäten durch geschickte Wahl der Reaktionsbedingungen erfolgen (Selbstvernetzer), oder durch den Zusatz von multifunktionellen, niedermolekularen Substanzen, den Vernetzungsmitteln, bewerkstelligt werden. Je nach Vernetzungsgrad entstehen durch Vernetzung von Polymeren zuerst Elastomere und bei zunehmender Vernetzung auch Duroplasten.
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In Produktionsrichtung kann nach der Heizeinrichtung ein zweiter Pultrusionskopf angeordnet sein. Dieser umfasst:
- zumindest eine zweite Spuleneinrichtung zum Zuführen von Verstärkungsmaterial, insbesondere von zumindest einer Verstärkungsfaser,
ein zweites Gehäuse, wobei das Gehäuse eine radial umlaufende zweite Seitenwandung aufweist, wobei an einem in Produktionsrichtung vorne liegenden Ende des Gehäuses eine Düsenscheibe angeordnet ist und am entgegen der Produktionsrichtung hinten liegenden Ende eine Führungskanaleinrichtung angeordnet ist, wobei der Raum im Gehäuse zwischen der Führungskanaleinrichtung, der Seitenwandung und der Austrittsdüse einen zweiten Imprägnierraum zum Imprägnieren der Verstärkungsfaser mit einem Ausgangsmatrixmaterial begrenzt, und wobei das Gehäuse im Bereich des Imprägnierraumes mit einer Zuführeinrichtung für das Ausgangsmatrixmaterial verbindbar ist, und
wobei in der Führungskanaleinrichtung zumindest ein sich in Produktionsrichtung erstreckender zweiter zentraler Führungskanal ausgebildet ist, um das intermediäre Pultrudat von der
ersten Heizeinrichtung bis in den zweiten Imprägnierraum einzubringen, und wobei der zentrale Führungskanal in etwa in geradliniger Flucht zur Austrittsdüse angeordnet ist, wobei sich der zentrale Führungskanal über die gesamte Länge der Führungskanaleinrichtung erstreckt, und wobei
zumindest ein peripherer Führungskanal vorgesehen ist, um zumindest eine zweite Verstärkungsfaser von einer zweiten Einrichtung zum Zuführen von zumindest einer Verstärkungsfaser bis in den zweiten Imprägnierraum einzubringen, wobei der periphere Führungskanal
neben dem zentralen Führungskanal angeordnet ist, wobei sich der zumindest eine periphere Führungskanal über die gesamte Länge der Führungskanaleinrichtung erstreckt.
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Die Düsenscheibe kann zum Festlegen bzw. Definieren eines Außendurchmessers des Endpultrudats, vorzugsweise eines Steuerseils, ausgebildet sein.
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Optional kann eine zweite Düsenscheibe nach dem Pultrusionskopf vorgesehen sein, um den Außendurchmesser des Endpultrudats, vorzugsweise eines Steuerseils endgültig festzulegen bzw. Nachzujustieren.
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Nach dem zweiten Pultrusionskopf kann ein Anordnungselement zum Anordnen des intermediären Pultrudats und der imprägnierten zumindest einen zweiten Verstärkungsfaser relativ zueinander vorgesehen sein.
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In Produktionsrichtung ist nach dem zweiten Pultrusionskopf eine zweite Heizeinrichtung zum höhergradigen Vernetzen des Ausgangsmatrixmaterials angeordnet.
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Der erste und/oder der zweite Pultrusionskopf können mit einer oder mit jeweils einer Pumpe zur Zuführung des Ausgangsmatrixmaterials verbunden sein. Zudem kann jeder Imprägnierraum jeweils ein Ventil zum Auslass von überschüssigem Ausgangsmatrixmaterial aufweisen.
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Weiterhin ist erfindungsgemäß ein Pultrusionsverfahren zum Herstellen eines Pultrudats, insbesondere eines Steuerseils vorgesehen. Dieses umfasst die folgenden Schritte: Einbringen eines Verstärkungsmaterial, insbesondere einer Verstärkungsfaser, in einen Führungskanal eines ersten Pultrusionskopfes,
Imprägnieren der Verstärkungsfaser in einem ersten Imprägnierraum des ersten Pultrusionskopfes mit einem Ausgangsmatrixmaterial, vorzugsweise mit einem mit MR-Markerpartikeln dotierten Ausgangsmatrixmaterial,
Formen eines Außendurchmessers für das Ausgangsmatrixmaterial während des Austritts aus dem ersten Imprägnierraum mittels einer Austrittsdüse,
Erwärmen zum niedriggradigen Vernetzen des Ausgangsmatrixmaterials in einer ersten Heizeinrichtung,
Erhalten eines intermediären Pultrudats,
Einbringen des intermediären Pultrudats in einen zentralen Führungskanal eines zweiten Pultrusionskopfes,
Einbringen zumindest einer weiteren Verstärkungsfaser in zumindest einen peripheren Führungskanal des zweiten Pultrusionskopfes,
Imprägnieren der zumindest einen weiteren Verstärkungsfaser in einem zweiten Imprägnierraum des zweiten Pultrusionskopfes mit einem Ausgangsmatrixmaterial,
Anordnen des intermediären Pultrudats und der imprägnierten Verstärkungsfaser relativ zueinander während des Austritts aus dem zweiten Imprägnierraum mittels einer Düsenscheibe, und
Erwärmen und höhergradiges Vernetzen des Matrixmaterials in einer zweiten Heizeinrichtung.
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Die zentrale Verstärkungsfaser kann bei den Pultrusionsverfahren im Stand der Technik auseinanderfransen und/oder aus der zentrischen Position abwandern, da nach dem Austritt aus dem Imprägnierbad. bzw. ab dem Eintritt in das Heizelement keine Stabilisierung der geometrischen Anordnung mehr möglich ist. Dies resultiert in einer unkontrollierten räumlichen und/oder linear unbestimmten nicht zentrierten Anordnung. Um die Verstärkungsfasern mit Ausgangsmatrixmaterial zu imprägnieren, müssen diese zudem über Rollen in das Ausgangsmatrixmaterialbad umgelenkt werden. Dadurch entsteht einseitiger Druck auf die Verstärkungsfaser, wodurch die Homogenität der Imprägnierung und deren geometrische Anordnung beeinträchtigt werden. Durch die mehrfache Umlenkung der Verstärkungsfaser können zudem Verdrehungen und Spannungen im Pultrudat entstehen.
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Alternativ kann ein Pultrudat mit einem Zentralabschnitt und einem Peripherabschnitt in zwei getrennten, nacheinander ablaufenden Pultrusionen nach dem Stand der Technik hergestellt werden. Dazu wird zunächst der Zentralabschnitt als erstes Pultrudat hergestellt und das Matrixmaterial höhergradig vernetzt, sodass es eine übliche Steifigkeit erreicht. Dieses erste Pultrudat wird dann nach Aushärten als zentrales Element, welches von weiteren Verstärkungsfasern umgeben wird, in eine zweite, getrennte Pultrusion eingeführt. Der Nachteil ist, dass durch das Aushärten des ersten Pultrudats eine Materialgrenze an der Oberfläche des ersten Pultrudats zum Matrixmaterial aus der zweiten Pultrusion entsteht, was eine Schwachstelle im Material zur Folge hat. Dieser Nachteil wird durch das erfindungsgemäße konsekutive Pultrusionsverfahren in einer einzigen Pultrusion vermieden, da das intermediäre Pultrudat nur niedriggradig vernetzt wird. Außerdem ist ein einziges konsekutives Pultrusionsverfahren technisch und wirtschaftlich vorteilhaft, weil es mit niedrigeren Kosten und weniger Zeitaufwand durchgeführt werden kann.
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Mit dem erfindungsgemäßen Pultrusionsverfahren kann eine wesentlich verbesserte Linearität und eine wesentlich verbesserte Zentriertheit des zentralen dotierten Abschnitts im Pultrudat in Längsrichtung gewährleistet werden als mit einem Pultrusionsverfahren gemäß dem Stand der Technik, in dem der Zentralabschnitt ausgebildet durch die erste Verstärkungsfaser von der Nulllinie deutlich abweichen kann.
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Das Pultrudat kann mehrere Verstärkungsfasern umfassen, wobei vorzugsweise eine Verstärkungsfaser zentral angeordnet und von mehreren Verstärkungsfasern umgeben ist.
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Das intermediäre Pultrudat für den Zentralabschnitt wird zuerst niedriggradig vernetzt, um ein Ausfransen der Verstärkungsfaser zu verhindern und durch die niedriggradige Vernetzung eine ausreichende Steifigkeit zu erreichen, die eine stabile zentrische Anordnung im finalen Pultrudat ermöglicht. Generell gilt, dass auch die mechanischen Eigenschaften eines Pultrudats umso besser sind, je besser die geometrische Anordnung der einzelnen Verstärkungsfasern in einem Pultrudat, welches aus mehreren Verstärkungsfasern ausgebildet ist, ist.
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Um eine verbesserte stabile geometrische Anordnung aller Verstärkungsfasern im Pultrudat und eine stabile regelmäßige Imprägnierung aller Verstärkungsfasern zu erreichen, sind ein erster und ein zweiter Pultrusionskopf vorgesehen, um die Verstärkungsfasern mit niedrigem Druck ohne Umlenkung in einer Imprägniereinrichtung mit Ausgangsmatrixmaterial zu beaufschlagen und homogen zu imprägnieren. Dadurch werden die einzelnen Verstärkungsfasern ohne das Risiko der Verschiebung bzw. Abflachung von Verstärkungsfasern im Pultrudat angeordnet. Die Aufbringung des Ausgangsmatrixmaterials durch einen Pultrusionskopf vermeidet die Umlenkung der Verstärkungsfasern und ermöglicht außerdem eine bessere Imprägnierqualität, weil die Verstärkungsfasern ausschließlich linear geführt und mit Druck imprägniert werden.
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Die zentrale Verstärkungsfaser wird in dem ersten Pultrusionskopf, der einen linearen Führungskanal umfasst, mit Ausgangsmatrixmaterial, welches Markerpartikel enthalten kann, imprägniert und in einem zweiten Schritt durch eine erste Heizeinrichtung durchgeführt, in der die niedriggradige Vernetzung des Ausgangsmatrixmaterials erfolgt. Damit wird eine definierte Steifigkeit des intermediären Pultrudats erzielt. Der Pultrusionskopf enthält eine Zuführung für Ausgangsmatrixmaterial, die z.B. über eine Pumpe gespeist wird, und eine Abführung für überschüssiges Ausgangsmatrixmaterial, wobei das überschüssige Ausgangsmatrixmaterial in die Zuführung zurückgeführt werden kann.
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Am distalen Ende des ersten Pultrusionskopfes 1 kann eine Düsenscheibe zur Definition des Außendurchmessers (rund) bzw. des Querschnittprofils (andere Formen als rund) und zum Abstreifen von überschüssigem Ausgangsmatrixmaterial angeordnet sein.
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Im dritten Schritt kann das intermediäre Pultrudat in einen zentralen Führungskanal eines zweiten Pultrusionskopfes eingeführt werden. In periphere Führungskanäle des zweiten Pultrusionskopfes können periphere Verstärkungsfasern eingeführt und mit Ausgangsmatrixmaterial beaufschlagt und imprägniert werden.
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Am in Produktionsrichtung distalen Austritt des zweiten Produktionskopfs kann ein Anordnungselement vorgesehen sein, welches integral oder separat ausgeführt sein kann. Durch dieses Anordnungselement wird die zentrale Anordnung des intermediären Pultrudats und der mit Ausgangsmatrixmaterial imprägnierten peripheren Verstärkungsfasern im Pultrudat definiert und überschüssiges Ausgangsmatrixmaterial abgestreift.
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Das Anordnungselement enthält Öffnungen, z.B. Bohrungen, die der erwünschten geometrischen Anordnung der Verstärkungsfasern im Pultrudat entsprechen. Im vierten Schritt wird diese Verstärkungsfaser-Anordnung in ein zweites Heizelement eingeführt und das Matrixmaterial beim Hindurchführen durch dieses höhergradig vernetzt.
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Pultrudate mit wechselnden Matrixmaterialien können erfindungsgemäß mit der vorstehend beschriebenen Pultrusionsvorrichtung hergestellt werden. Dabei wird nur ein Pultrusionskopf benötigt, um ein Pultrudat ohne Zentral- und Peripherabschnitt herzustellen. In einem erfindungsgemäßen Pultrusionskopf kann das zugeführte Ausgangsmatrixmaterial schnell und kontrolliert gewechselt werden, so dass wechselnde Abschnitte (Hauptabschnitte, Umlenkabschnitt) mit dem ersten und dem zweiten Matrixmaterial über definierte Längen hergestellt werden können. Dafür werden eine oder mehrere ausreichend kleine Zuführeinrichtungen für das Ausgangsmaterial und ein entsprechend kleiner Imprägnierraum vorgesehen, die in Abhängigkeit vom Durchmesser des herzustellenden Pultrudats gestaltet werden und den schnellen Wechsel des Ausgangsmatrixmaterials ermöglichen.
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Die vorstehend genannten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können. sofern technisch möglich, beliebig miteinander kombiniert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2010/0198049 A1 [0004]
- WO 2017/037130 [0111]