MOTORES DC COM ESCOVAS VS. SEM ESCOVAS PARA FERRAMENTAS CIRÚRGICAS DESCARTÁVEIS

Ferramentas descartáveis são um segmento de rápido crescimento no mercado de ferramentas de mão cirúrgicas, impulsionadas pelos benefício em custo e hiigene. Para os engenheiros de projeto, muitas vezes a tecnologia do motor é uma escolha fundamental, especificamente a seleção de um motor DC com ou sem escovas.

Os projetistas de ferramentas cirúrgicas devem escolher entre uma abordagem de projeto descartável ou reutilizável. Os avanços em projetos de componentes e nas técnicas de fabricação possibilitam cada vez mais produzir equipamentos com os requisitos necessários para realizar cirurgias complexas a um custo que o descarte da ferramenta, após uma única cirurgia, possa ser justificado. Esses avanços se estendem também aos motores, melhorias no projeto e na fabricação dos motores DC com e sem escovas reduzem os custos ao mesmotempo que aumentam o desempenho, possibilitando um custo unitário final, da ferramenta, suficientemente baixo para um design descartável. Além disso, para algumas ferramentas, pode haver uma oportunidade de aumentar a segurança removendo o risco de infecção devido à esterilização inadequada.

Requisitos de desempenho do motor para ferramentas de uso único

Embora os requisitos de desempenho do motor sejam semelhantes para ferramentas cirúrgicas reutilizáveis e descartáveis, os requisitos de vida útil e de custo são muito diferentes. Um motor especificado para uma ferramenta reutilizável pode ter um requisito vitalício de centenas ou mesmo milhares de cirurgias e, portanto, deve utilizar componentes e materiais premium para atingir esse feito notável. Um motor para uma ferramenta descartável precisa fornecer desempenho semelhante — embora para apenas uma única cirurgia — mas deve estar disponível em grandes volumes e a um preço competitivo.

Ao especificar motores para ferramentas descartáveis, os engenheiros de projeto devem considerar as possíveis vantagens dos motores convencionais CC com escovas em relação à tecnologia mais avançada de CC sem escovas. Devido à natureza do design e às vantagens de confiabilidade inerentes, os motores DC sem escovas são a escolha típica para uso em ferramentas elétricas reutilizáveis. As vantagens do CC sem escovas infelizmente aumentam os custos em comparação ao CC com escovas; portanto, muitas vezes é inviável especificar um motor CC sem escovas para uma ferramenta descartável. Os projetistas devem trabalhar com um fornecedor de motores bem versado em ambas as tecnologias para que o desempenho e as compensações de custo entre a tecnologia de motores DC com e sem escovas sejam corretamente identificadas.

Motores DC com escovas vs. Motores DC sem escovas

Se o objetivo de um novo projeto é maximizar o desempenho e a confiabilidade, um engenheiro de projeto provavelmente será atraído para a tecnologia de CC sem escovas. A tecnologia sem escovas possibilita operar em altas velocidades (até 100.000 RPM) durante uma vida útil longa. Nos motores DC sem escovas, a comutação é realizada sem o uso de escovas mecânicas (ou seja, por meio de sensores Hall magnéticos ou de acionamento sem sensor com um controlador de motor sem escovas) — portanto, o contato entre os componentes giratórios e os componentes estacionários no motor é limitado aos rolamentos esféricos. Isso significa que a vida útil do motor está relacionada principalmente à longevidade do rolamento, e o motor pode operar em altas velocidades por um período prolongado.

Figure 2

Em comparação, em um motor CC com escovas, a comutação é realizada por meio de escovas mecânicas (grafite ou metal precioso) que fazem contato físico com o rotor para completar a conexão elétrica. Nesse caso, a vida útil do motor é limitada principalmente à vida útil das escovas, com velocidades mais altas levando ao desgaste prematuro. Para uma ferramenta descartável, a velocidade mais alta pode não ser um problema, dado o requisito de vida útil curta. No entanto, isso dependerá muito do ciclo de trabalho e dos requisitos de velocidade da aplicação.

O desempenho de um motor CC com escovas também variará significativamente dependendo do design e dos materiais usados. Por exemplo, os motores DC com escovas da Portescap são "sem núcleo" (a maioria dos motores com escovas de custo mais baixo tem um núcleo de ferro), o que significa que o rotor é composto apenas por uma bobina e um único eixo. O design sem núcleo oferece menor inércia, o que resulta em maior desempenho em relação à aceleração e eficiência. Também elimina o torque de detenção (efeito cogging), o que pode causar redução da suavidade de rotação em velocidades mais lentas.

Figure 3

Para ferramentas cirúrgicas reutilizáveis, os requisitos de vida útil e velocidade muitas vezes fazem do CC sem escovas a solução ideal. No entanto, para algumas aplicações que utilizam um design de uso único, um motor CC com escovas pode ser uma solução atraente.

Implicações de custo

Depois de atendidos os requisitos de desempenho, o custo geralmente é a próxima consideração mais importante. Os sistemas de motor sem escovas são naturalmente mais caros. Eles devem incluir um controlador de motor sem escovas para realizar a comutação e, muitas vezes, incluem componentes eletrônicos integrados para detectar a posição do rotor. Para algumas aplicações, esse custo é justificável, embora muitas vezes não seja. Por exemplo, em uma aplicação de alto desempenho, podem ser necessários componentes relativamente caros, como rolamentos premium, vedações de eixo dinâmicas ou ímãs de alto grau. A especificação desses componentes de custo mais alto pode dificultar a justificativa de uma estratégia de ferramenta descartável. Por outro lado, em um motor CC com escovas, a comutação é controlada diretamente pelas escovas, e um circuito PWM mais simples é usado para controle de velocidade. Os avanços na tecnologia CC com escovas possibilitaram maior desempenho sem muito impacto no custo — isso, juntamente com o requisito de vida útil curta para uma ferramenta descartável, pode significar que é possível atingir um nível de desempenho além do que é normalmente considerado viável para um motor CC com escovas de menor custo.

Para uma ferramenta descartável, o custo incorrido para uma única cirurgia inclui o preço total de compra da ferramenta. Com uma ferramenta reutilizável, apenas uma pequena parte do preço de compra é amortizada para cada procedimento. Além disso, a ferramenta cirúrgica deve ser esterilizada antes da cirurgia. Esse processo é um custo adicional que deve ser considerado ao avaliar o custo total da realização de uma cirurgia. Como resultado, o número de cirurgias que um centro cirúrgico pode realizar por ferramenta e o custo para esterilizar entre as cirurgias são os principais fatores para determinar se é melhor uma ferramenta descartável ou reutilizável. Naturalmente, uma ferramenta reutilizável terá um preço de compra muito mais alto do que uma ferramenta descartável. Mas, se o centro puder usá-la para um número suficiente de procedimentos, então o custo médio por procedimento será menor do que de uma ferramenta descartável (Figura A).

Figure A

Uma ferramenta reutilizável mais cara (talvez usando um motor CC sem escovas de melhor desempenho em vez de um motor CC com escovas de baixo custo) certamente exigirá mais cirurgias para se tornar mais barata a longo prazo do que uma descartável. Os custos de esterilização também aumentam o número de procedimentos necessários para atingir o ponto de equilíbrio, tanto que, em alguns casos, pode ser preferível uma ferramenta descartável, independentemente do número de cirurgias (Figura B).

Figure B

Observe que a análise acima simplesmente compara os custos médios associados às opções de ferramentas e não considera outras vantagens das ferramentas reutilizáveis e descartáveis que devem ser levadas em consideração na decisão. Por exemplo, uma ferramenta reutilizável de última geração provavelmente terá melhor desempenho e recursos adicionais do que qualquer ferramenta descartável. Mesmo que a quantidade de equilíbrio não seja atingida, o valor fornecido aos cirurgiões e pacientes ainda pode fazer com que ela seja a escolha certa. Também não é considerado no custo do processo de esterilização o risco de infecção que uma ferramenta reutilizável apresenta naturalmente. Não esterilizar adequadamente a ferramenta é perigoso para os pacientes. Este artigo não entrará em detalhes sobre os métodos de esterilização e o design de ferramentas para facilitar a esterilização. Basta dizer que qualquer discussão sobre ferramentas descartáveis e reutilizáveis seria incompleta sem considerar o reprocessamento e a segurança do paciente. Embora a esterilização tenha se mostrado segura e eficaz, não esterilizar adequadamente uma ferramenta entre as cirurgias é um risco que também deve ser considerado pelos projetistas de ferramentas cirúrgicas. Ferramentas descartáveis podem ser esterilizadas e embaladas pelo fabricante original da ferramenta, e essa abordagem pode aumentar a segurança do paciente para algumas aplicações e sistemas hospitalares.

Exemplo:

Uma equipe de P&D em uma empresa de dispositivos médicos está desenvolvendo uma nova ferramenta com as seguintes especificações:

  • Uma ferramenta cirúrgica manual que pode causar complicações graves se deixar de funcionar corretamente durante um procedimento
  • O diâmetro do motor não deve exceder 17 mm
  • O motor deve funcionar continuamente a 5 mNm a 15.000 RPM
  • O dispositivo é alimentado por bateria, então o motor deve funcionar com eficiência mínima de 80% e tensão entre 6 e 9 V e corrente máxima de 1,5 A
  • O procedimento depende muito do custo, então o motor não deve contribuir com mais do que US$ 20 ao custo de cada cirurgia
  • A equipe de design prefere uma ferramenta descartável, mas um modelo reutilizável é possível
  • A tecnologia de motor CC com ou sem escovas pode ser usada

Os engenheiros começam se envolvendo com um fornecedor de motores que oferece as tecnologias CC com e sem escovas e tem experiência significativa no mercado de ferramentas cirúrgicas. O fornecedor do motor seleciona um motor de cada tecnologia com diâmetro inferior a 17 mm e que melhor atenda aos requisitos de desempenho e potência. Essas opções estão resumidas na tabela abaixo:


CC com escova
CC sem escovas
Pacote Ø 17 mm, comprimento 26 mm Ø 13 mm, comprimento 47 mm
Torque contínuo máximo (mNm)
5.7mNm 9mNm
Velocidade máxima recomendada (RPM)
10,000 RPM 100,000 RPM
Controladora
PWM Controlador CC sem escovas com sensores Hall
Tensão necessária
 7 V  9 V
Consumo de corrente
 1.4 A  1.2A
Potência de saída
 9.8W  10.8W
Eficiência no ponto de trabalho
 80%  72%
Preço de exemplo
 $15  $160

Ambas as opções atendem ao requisito de torque de 5 mNm, mas a classificação de torque máximo contínuo para o motor CC com escovas é apenas um pouco mais alta: 5,7 mNm. Isso reduzirá a vida útil do motor, mas não algo que seja uma preocupação em um único procedimento. O maior problema é a velocidade de 15.000 RPM, que é maior que a velocidade máxima do motor CC com escovas. Isso pode servir para um único procedimento, mas o risco de falha durante a cirurgia é maior. O custo do motor é baixo o suficiente para que ele possa ser descartado após cada uso.

O motor CC sem escovas pode atender facilmente aos requisitos de velocidade e torque e pode continuar funcionando para muitas cirurgias. No entanto, a eficiência é ligeiramente inferior à meta de 80%, e o preço é muito mais alto que US$ 20. Para que um motor CC sem escovas seja viável, ele teria que ser usado em pelo menos 8 cirurgias.

Devido às demandas de desempenho e preço da aplicação, os engenheiros de design devem escolher entre um motor CC com escovas em um modelo descartável ou um motor CC sem escovas em um modelo reutilizável. Um motor CC com escovas reutilizável não é possível neste exemplo devido ao risco de falha em mais de uma cirurgia, e um motor CC sem escovas descartável não é possível devido ao custo.

Figure C

A decisão, então, passa a ser se é aceitável o risco de um motor CC com escovas falhar em sua primeira cirurgia devido à alta velocidade. Caso contrário, os engenheiros podem reduzir o requisito de velocidade, o que resultará em uma ferramenta de desempenho mais baixo. Ou podem optar pelo modelo reutilizável e aceitar a menor eficiência. Eles também terão que projetar o resto da ferramenta para ser esterilizável e exigir que seus clientes esterilizem a ferramenta entre os usos. Ambos os fatores devem ser considerados no cálculo do custo total por cirurgia.

Conclusão

O aumento da popularidade de ferramentas cirúrgicas descartáveis levou a um aumento da demanda por motores DC com escovas para atingir os objetivos de projeto. Quando a relação custo-benefício é mais importante do que a vida útil prolongada do motor, a tecnologia de CC sem escovas pode não ser a melhor escolha, dada a implicação de custo da solução mais complexa. A escolha da tecnologia depende muito da aplicação. Os projetistas de dispositivos cirúrgicos podem se sair bem colaborando no início de seu ciclo de projeto com um fornecedor de motores que tenha experiência em design cirúrgico, bem como em uma variedade de soluções CC com e sem escovas.

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