Bioverträglich, sterilisierbar, klein genug fürs Münzenfach im Portemonnaie: Solche Anforderungen erfüllen mechanische Antriebskomponenten aus Metall oder Keramik. Ihre Herkunft lässt sich bis zur Stange aus Sonderstahl zurückverfolgen.
Medizintechnische Innovationen für sterilisierbare Geräte sowie die minimal-invasive Chirurgie erfordern leistungsstarke Miniaturantriebe, die eine hohe Volumenleistung erreichen, biokompatibel und extrem zuverlässig sind. Dimensionen zum Teil im Submillimeterbereich mit Toleranzen im Bereich von Mikrometern erfordern neue Konzepte, damit die hochpräzisen feinwerktechnischen Bauteile in Mikrosystemen sicher funktionieren.
Die Schweizer Maxon Motor AG, Sachseln, hat sich auf das Entwickeln maßgeschneiderter Sondergetriebe spezialisiert, die vom eigenen Musterbau innerhalb kurzer Zeit gefertigt werden. Selbst Verzahnungsteile bis zu einem Modul von 0,06 mm, die knapp durch ein Nadelöhr passen, lassen sich so herstellen. In Kombination mit dem hochdynamischen bürstenbehafteten Gleichstrommotor RE 6 und dem bürstenlosen, elektronisch kommutierten Motor EC 6 entstehen daraus sehr leistungsfähige Miniaturantriebe.
In großen Stückzahlen werden solche Antriebe der Maxon-Tochter Maxon Medical bereits in Insulinpumpen und anderen aktiven Geräten eingesetzt. Aus einem Mikrogetriebe mit 6 mm Durchmesser lässt sich hierfür mit einer geschliffenen M2-Spindel und einer Mutter aus Kunststoff ein Linearantrieb bauen.
Bereits in der Entwicklungsphase solcher Antriebe minimieren Konstruktions- und Prozess-FMEA die Risiken. So lassen sich hoch beanspruchte Bauteile so berechnen und optimieren, dass die Geometrie den im Lastfall auftretenden Spannungen entspricht.
Die Materialien sind bioverträglich und überstehen die Sterilisation im Autoklaven – nach wie vor die am weitesten verbreitete Methode, medizinische Geräte keimfrei zu machen. Daher hat der Schweizer Hersteller bereits Erfahrung mit dem Verarbeiten von rostfreien austenitischen ELC-Stählen (extra low carbon) nach DIN 5832-1, die neben ihrer Bioverträglichkeit sehr korrosionsbeständig sind. Ein sterilisierbares Planetengetriebe GP 22 M mit Radialwellendichtring beispielsweise wurde in Zusammenarbeit mit einem Kunden entwickelt. Das abgedichtete Getriebe mit 22 mm Durchmesser ist in 55 Untersetzungen von 3,8 zu 1 bis 4592 zu 1 erhältlich und kann dauernd 2 Nm und kurzzeitig sogar 3 Nm übertragen.
Abgesehen von der Auswahl geeigneter Materialien hält Maxon Motor bei der Fertigung die zulässigen Kontaminationsgrade durch Staub und Keime ein, und die Chargenverwaltung von Baugruppen und Einzelteilen ermöglicht es, jedes Teil rückzuverfolgen – bis zum Stangenmaterial der Sonderstähle. Die Materialien lagern und rüsten die Mitarbeiter chargenbezogen. Auch die Montage durch geschultes Personal in einem Reinraum der Klasse 5 wird überwacht und dokumentiert. Auf Wunsch bekommt jede Lieferung eine Konformitätsbescheinigung, die bestätigt, dass die Teile mit der Spezifikation übereinstimmen.
Zunehmende Bedeutung bei den miniaturisierten Leistungsantrieben erlangt neben dem Bearbeiten von Metall der Pulverspritzguss in Keramik. Mit diesem Verfahren stellen die Schweizer Planetengetriebe her, deren Gehäuse 6 mm im Durchmesser misst und mit einer Innenverzahnung ausgebildet ist. Sowohl das Keramik-Spritzgießen (Ceramic Injection Moulding), als auch das Metallspritzgussverfahren (MIM) werden prozesssicher bei Maxon Motor Sexau eingesetzt. Gerade für die kostengünstige Produktion rostfreier Bauteile in größeren Stückzahlen besteht so die Möglichkeit, komplexe Strukturen hochpräzise im Metall-Spritzgussverfahren abzuformen.
Olaf Klein Projektleiter Konstruktion, Maxon Motor Sexau
Weitere Informationen www.maxonmotor.com
Kleinmotoren
Der Motor EC-Powermax 22 mit einem Durchmesser von 22 mm und einem Gewicht von 165 g bietet 120 W Abgabeleistung auf Dauer, was die Entwickler von Maxon Motor auf die neue, optimierte Wicklungstechnologie zurückführen. Der wesentliche Vorteil des EC-Motors gegenüber einem mechanisch kommutierten Motor sei die hohe Lebensdauer, die praktisch nur durch die Lebensdauer der Kugellager begrenzt wird.
Wo hohes Drehmoment bei kleinem Volumen, gute Regeleigenschaften und hohe Dynamik gefordert sind, kommen die Vorteile des Motors am besten zur Geltung. Bei speziellen Lösungen für die Medizintechnik ist das der Fall, wie das Beispiel des automatisierten Therapiesystems Lokomat zeigt. Es unterstützt das Führen der Beine gehbehinderter Patienten mit neurologischen Krankheiten und Verletzungen auf dem Laufband. Der Lokomat entlastet den Therapeuten körperlich und erlaubt längere und intensivere Trainingseinheiten, was die Therapieresultate verbessert. Die Antriebseinheiten im Therapiegerät bestehen aus Motor, Bremse, Getriebe und 4Q-Servoverstärker. Sie werden sowohl für die Hüftbewegung als auch für den Lift eingesetzt. Dabei sind die Dynamik der Motoren wie auch das Volumen-Leistungsverhältnis entscheidend.
Um die Motoren besonders robust und zuverlässig zu gestalten, nutzt Maxon für die vierpoligen Rotoren in der EC-Powermax-Reihe hochwertiges Magnetmaterial. Gegenüber den zweipoligen Motoren, für die die Maxon-Wicklung bisher eingesetzt wurde, bietet die vierpolige Version ein hohes Drehmoment bei kleinem Volumen. Die Steigung der Motorenkennlinie, die das Leistungsvermögen eines Motors charakterisiert, beträgt 5,7 min-1 mNm-1 und ist somit viermal besser als bei der vergleichbaren zweipoligen Ausführung. Der Motor lässt sich im Baukastensystem mit Planetengetrieben der Größe 32 mm kombinieren.
Ihr Stichwort
- Mikrogetriebe
- Bioverträgliche und korrosions – beständige Komponenten
- Keramikspritzguss
- Rückverfolgbarkeit
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