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Mini-Kugelgewindetrieb für ein Herzunterstützungssystem

Antriebstechnik für Medizinprodukte
Miniatur-Kugelgewindetrieb, der das Herz mit unterstützt

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In extrakorporalen Herzpumpen sorgen Miniatur-Kugelgewindetriebe als zentrales Antriebselement mit für den Druckaufbau, der das Herz entlastet (Bild: August Steinmeyer)
Miniatur-Kugelgewindetriebe sind ein zentrales Antriebselement in extrakorporalen Pumpen, die das Herz unterstützen können. Sie sichern unter anderem die Druckbeaufschlagung eines Ballons an diesem Organ. Dafür müssen die Bauteile besonders kompakt und präzise sein.

Jens-Uwe Gühring
August Steinmeyer, Albstadt

Herz-Kreislauf-Erkrankungen sind häufig und mitunter gefährlich. Bei Schäden am kardiovaskulären System kann der Einsatz einer Herzpumpe aber nicht nur Menschenleben retten. Er kann Patienten auch zu mehr Lebensqualität verhelfen, da sie sich mit einem solchen Gerät auch außerhalb des Krankenhauses aufhalten können.

Zuletzt kamen für solche Anwendungen zunehmend Pumpen auf den Markt, die implantiert werden. Sie zu entwickeln und herzustellen, ist recht kostenintensiv. Und sie sind nicht für alle Patienten geeignet, da der für die Implantation erforderliche invasive Eingriff medizinisch nicht immer möglich ist.

Die Kombination aus einem implantierten Ballon mit einer externen, portablen Pumpe ist hingegen eine zuverlässige und weniger invasive Alternative, die bei mehr Patienten und Erkrankungen einsetzbar ist. Der Ballon wird dabei in die Hauptschlagader eingeführt und ist über einen Katheter mit der portablen Antriebseinheit außerhalb des Körpers verbunden. Im Herzrhythmus wird der Ballon ausgedehnt und wieder zusammengeschrumpft. Druck und Unterdruck beim Auf- und Abpumpen entlasten das Herz.

Kugelgewindetrieb für eine externe Lösung bei der Herzunterstützung

Die Entwickler eines solchen kardiovaskulären Assistenzgerätes müssen jedoch verschiedene Faktoren beachten: Zum einen muss sich die Druckbeaufschlagung des Ballons im Herzen präzise steuern lassen und reversibel sein. Zum anderen muss das Gerät speziellen Ansprüchen an Gewicht, Größe und Lautstärke gerecht werden und eine Lebensdauer von mindestens einem Jahr bei gleichbleibender Leistung aufweisen.

Um diesen Anforderungen zu entsprechen, wählte ein Hersteller portabler Pumpen einen Miniatur-Kugelgewindetrieb aus dem Portfolio der August Steinmeyer GmbH & Co. KG aus Albstadt als Antriebsmechanismus. Diesen kombinierte er mit einem speziell entwickelten Metallbalg als Druckkammer. Die kleinen Kugelgewindetriebe bieten nicht nur eine große Schubdichte, sie ermöglichen zudem eine hohe lineare Beschleunigung – was sowohl vorwärts als auch rückwärts gilt. Da sie einen Wirkungsgrad von mehr als 90 % erreichen, lassen sie sich mit Kleinmotoren betreiben. Das wiederum senkt den Stromverbrauch des Gerätes.

Gerollte Spindeln als Standard, geschliffene für mehr Präzision

August Steinmeyer hat sich auf die Entwicklung und Fertigung solcher präziser und langlebiger Antriebselemente spezialisiert. Die Kugelgewindetriebe mit Spindelgrößen von 3 mm bis 16 mm beispielsweise eignen sich sehr gut für den Einsatz in der Medizintechnik. Die Spindeln sind grundsätzlich mit gerolltem oder geschliffen Gewinde verfügbar. Dabei eignen sich die gerollten Ausführungen in der Regel für Standardansprüche und erfüllen die Anforderungen der Genauigkeitsklassen T5 bis T10.

Wenn hohe Präzision gefragt ist – wie beim Herzunterstützungssystem –, werden geschliffene Varianten bevorzugt, die den Genauigkeitsklassen P1 bis P5 entsprechen. Auch die Spindelsteigung beeinflusst die Genauigkeit: „Je kleiner die Steigung, desto besser die theoretisch erreichbare Auflösung und damit die Präzision“, erklärt Wolfgang Klöblen, Entwicklungsleiter bei August Steinmeyer. Üblicherweise haben Miniatur-Kugelgewindetriebe Steigungen von 1 mm bis 2 mm.

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Warum die Bezeichnung „Miniatur“ gerechtfertig ist, zeigt der Verglich eines Kugelgewindetriebes mit einem Spindeldurchmesser von 3 mm mit einer Pin-Nadel
(Bild: August Steinmeyer)

Die Entwicklungsabteilung arbeite stets eng mit dem Auftraggeber zusammen, um individuelle Lösungen zu realisieren. „In der Herzpumpe wird zum Beispiel eine 12-mm-Spindel mit einer Zylindermutter im Kurzhub-Betrieb eingesetzt.“ So konnte das Gesamtsystem, das die kardiovaskuläre Funktion unterstützt, klein und leicht konzipiert werden.

Neben der Genauigkeit und großen Laufruhe spielte für die Herzunterstützung vor allem die Verlässlichkeit der Komponenten eine entscheidende Rolle. „Die Qualität unserer Miniatur-Kugelgewindetriebe ist ausschlaggebend für die Präzision und Ausfallsicherheit des Antriebsmechanismus zur Druckregelung der Blutpumpe“, erläutert Klöblen. „Diese konnten wir durch die Anwendung unseres hauseigenen Gleitschleifverfahrens noch weiter verbessern.“

Spezielles Gleitschleifverfahren senkt Oberflächenrauheit beim Kugelgewindetrieb

Damit lassen sich mikroskopisch kleine Unregelmäßigkeiten auf der Laufbahnoberfläche des Spindelgewindes entfernen, was die Oberflächenrauheit erheblich reduziert. Das führt zu verbesserten Schmiereigenschaften und einem glatteren Lauf der Mutter. Auch ist das Leerlaufdrehmoment über die gesamte Spindellänge gleichmäßig. Weniger Vibrationen und eine geringere Geräuschentwicklung bei hohen Drehzahlen sind weitere positive Effekte. Dass die optimierten Laufeigenschaften Qualität und Lebensdauer der Kugelgewindetriebe verbessern, haben Versuche gezeigt. Das weiterentwickelte Schleifverfahren ermöglicht auch eine energieeffiziente Auslegung des jeweiligen Antriebs so wie eine höhere Positioniergenauigkeit.

Und während sich die tragbare Herzpumpe derzeit in späten klinischen Studien befindet, denken andere Hersteller bereits über neue Modelle nach: Die Ballonkatheter sollen künftig intelligent werden. Ausgestattet mit flexiblen Sensoren und Elektronik könnten sie beim Erfassen und Sammeln körpereigener Daten helfen – was für die Therapie kardiovaskulärer Erkrankungen besonders hilfreich ist. Auch in solch innovativen Herzpumpen lassen sich Miniatur-Kugelgewindetriebe sinnvoll einsetzen.


Über den Hersteller

Die August Steinmeyer GmbH & Co. KG wurde 1920 von August Steinmeyer als feinmechanische Werkstätten gegründet. Typische Applikationen für die High-End-Kugelgewindetriebe finden sich heute im Werkzeugmaschinenbau, der Mechatronik, der optischen Industrie, der Medizintechnik sowie in der Luft- und Raumfahrtindustrie.

www.steinmeyer.com


Kontakt zum Hersteller:
August Steinmeyer GmbH & Co. KG
Riedstraße 7
72458 Albstadt
Tel. +49 (0) 7431-1288-0
E-Mail: info@steinmeyer.com



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