Präzise und zuverlässig selbst nach Schwitzkur im Autoklaven

Was wären Bestrahlungssysteme ohne Antriebstechnik? In einem modernen Bestrahlungsgerät drängen sich 100 Antriebseinheiten mit Durchmessern von höchstens 13 mm auf engstem Raum und bewegen 100 einzeln ansteuerbare Lamellen: So kann der sogenannte Multileaf-Kollimator die Röntgenstrahlen genau eingrenzen und exakt dosieren, um Tumore gezielt dreidimensional zu bestrahlen, ohne das angrenzende gesunde Gewebe zu schädigen. Das ist eine der Aufgaben aus der Medizintechnik, die Antriebe der Schweizer Maxon Motor AG, Sachseln, erledigen.

Für Anwendungen in dieser Branche sollen die Antriebe oftmals klein und kompakt, präzise, zuverlässig und langlebig sein, wie sich anhand einer Reihe von Beispielen zeigen lässt. Sterilisieren im Autoklaven beispielsweise ist eine günstige und schnelle Methode, um medizinische Geräte keimfrei zu machen – und sie ist die am weitesten verbreitete. Mitunter müssen auch Medizingeräte mit Antrieben und anderen empfindlichen Komponenten diese Prozedur durchlaufen: Das betrifft unter anderem Handgeräte für die Dentaltechnik, Endoskope oder Power Tools für die Orthopädie und Traumatologie. Für einen Motor und seine Elektronik ist die Belastung in der mit Wasserdampf gesättigten Atmosphäre bei 134 °C und 2,3 bar extrem hoch. Mindestens 20 min lang muss er diese Schwitzkur überstehen, und das in seinem Lebenszyklus mehr als einmal.

Obwohl es schwierig schien, Antriebe an diese Anforderung anzupassen, gab es Argumente dafür, Elektromotoren auch in diesem Umfeld zu verwenden. Anders als druckluftbetriebene Turbinen laufen sie deutlich ruhiger, und die elektrischen Kabel sind flexibler als Druckluft-Leitungen.

Bisher hielten dem Autoklavieren nur die so genannten sensorlosen Motoren Stand. Erst die Ausstattung mit Hall-Sensoren ermöglichte es, auch hochdynamische Servoantriebe in sterilisierbarer Ausführung zu bauen. Maxon Motor bietet heute drei solche autoklavierbaren, elektronisch kommutierten DC-Motoren mit Durchmessern von 6, 16 und 22 mm an, um eine breite Palette von Anwendungen abzudecken.

Für diese wie auch für die anderen Antriebe aus dem Hause Maxon wird die patentierte eisenlose Wicklung verwendet, die es ermöglicht, den Stator ohne Nuten auszuführen. Damit ist der gewünschte ruhige, rastmomentfreie Lauf in einem sehr breiten Drehzahlbereich realisierbar. Je nach Art der gewählten Wicklung lassen sich so hohe Drehzahlen bereits bei relativ niedrigen Spannungen erreichen.

Anforderungen an die hohe Lebensdauer, gute Regelbarkeit, geringe Induktivität und hohe Überlastfähigkeit, die Anwender häufig an High-Tech-Antriebe stellen, erfüllen die Motoren ebenfalls. Da Maxon mit Neodym-Permanentmagneten eines der besten heute verfügbaren Magnetmaterialien einsetzt, übertreffen diese Antriebe andere Motorenbauarten in ihrem Wirkungsgrad und eignen sich besonders gut für Anwendungen ohne Netzanschluss, wie etwa Laser-Nivelliergeräte oder Insulinpumpen.

Mikro-Insulinpumpen verabreichen Diabetikern dank der hohen Positioniergenauigkeit und der Möglichkeit der Drehzahl- und Positionsregelung des Antriebs genau die richtige Menge Insulin. Die Präzision der Mikropumpen ist aber auch in der Labordiagnostik für Umwelt und Patienten von Vorteil. So werden geringere Mengen an Reagenzien und Untersuchungsmaterial wie zum Beispiel Blut benötigt. In den Analysesystemen sind bei Positionierantrieben darüber hinaus Schnelligkeit und Wiederholgenauigkeit gefragt, um Proben mit linearen Bewegungen zu überführen. Die kurzen Taktzeiten und schnellen Verfahrbewegungen erfordern hier eine hohe mechanische Steifigkeit der Abtriebswellen.

In Sachen Welle bietet sich für die Medizintechnik ebenfalls eine neue Lösung an. Der Gleichstrommotor RE 8 hat eine Motorwelle, die mit 0,8 mm Durchmesser so dünn ist wie eine Bleistiftmine. Weil sie aus dem High-Tech-Keramikwerkstoff Zirkonoxid ZrO2 besteht, ist sie einer Stahlwelle in mancher Hinsicht überlegen: ZrO2 ist leichter, verschleißfester und bietet ein deutlich besseres Gleitverhalten. Der gesamte Motor RE 8 hat einen Durchmesser von 8 mm, ist 16 mm lang, wiegt weniger als 4 g und leistet nominal 0,5 W.

Wegen der guten Notlaufeigenschaften des Keramik-Werkstoffes, seiner Verschleißfestigkeit und der hohen Biegebruchfestigkeit lassen sich Motoren mit so einer Welle auch unter ungünstigen Bedingungen einsetzen. Darüber hinaus ließ sich nachweisen, dass im Sintergleitlager geführte Keramikwellen einen deutlich geringeren Stick-Slip-Effekt zeigen als Stahlwellen. Das macht sich vor allem bemerkbar, wenn der Motor sehr präzise und langsam aus dem Stillstand heraus anfahren muss. In Zusammenarbeit mit einem Schmierstoffhersteller wurde sogar ein spezieller Schmierstofftyp für die Keramik entwickelt, der selbst im Mischreibungsgebiet der Sintergleitlagerung deutlich geringere Reibbeiwerte zeigt. So kann auch bei kleinster Drehzahl ein nahezu konstanter Reibkoeffizient erzielt werden. Weil die winzigen Motoren nicht selten in 6 ms aus dem Stillstand auf 6000 min-1 beschleunigen, steigern solche Maßnahmen die Lebensdauer um den Faktor 10 oder gar 20. Ein weiterer Vorteil: Kugellager zeigen bei derart hohen Beschleunigungen wegen der Massenträgheit der Kugeln im Anlauf eine kurze Gleitphase auf den Laufringen, was sich als störendes Geräusch bemerkbar macht – das bei der Gleitlagerung entfällt.

Bei endoskopischen Operationstechniken wiederum müssen mechanische, elektronische und optische Komponenten auf kleinstem Raum kombiniert werden. Für die Augenchirurgie ist beispielsweise eine Hohlwelle im Motor nützlich, um das Operationsfeld durch den Greifer hindurch zu beleuchten oder einen Laserstrahl durch die Hohlwelle hindurchzuführen. Ein Mikrokeratom wiederum erzeugt Gewebescheiben in definierter Dicke und Größe und legt das tiefer liegende Hornhautgewebe frei, damit der Operateur freien Zugang für den Lasereinsatz an der Linse hat. In so einem Gerät kommt eine besondere Antriebskonstruktion zum Einsatz. Sie stellt auf der Abtriebsseite des Getriebes zwei unterschiedliche Drehzahlen zur Verfügung. Eine Geschwindigkeit wird für die oszillierende Bewegung zum Schneiden der Hornhautlamelle benötigt, die andere ist für den Vorschub des hochpräzisen Schneidinstruments erforderlich.

In der Röntgendiagnostik sind schließlich die Experten für Ansteuerelektronik gefragt. Ein führender Anbieter von Angiografie-Systemen setzt Maxon-Systeme ein, um nach Injektion eines Kontrastmittels die Gefäße des menschlichen Körpers bildlich darzustellen. Wenn Mediziner mit dieser Methode Krankheiten nachweisen wollen, müssen zwölf Systemachsen über eine kompakte Elektronikeinheit angesteuert und positioniert werden. Die Maxon-Entwicklungsabteilung Elektronik & Systemtechnik hat dafür zwölf EPOS-Positioniersteuerungen auf einem Motherboard vereinigt. Das erleichtert es dem Geräte- hersteller, diese Komponente zu installieren und zu handhaben. Da der Kunde nicht nur die Elektronik, sondern auch die Motoren- Getriebe-Encoder-Kombinationen vom gleichen Hersteller bezieht, bekommt er eine abgestimmte Antriebslösung aus einer Hand.

Albert Bucheli Maxon Motor AG, CH-Sachseln

• Sterilisierbare Motoren

• Motor mit Keramikwelle

• Anwendung ohne Netzanschluss

• Mikro-Pumpen

• Steuerung mehrerer Achsen