Getriebe aus Kunststoff, die ohne magnetische Werkstoffe auskommen, tauchen auf Kernspintomographie-Bildern nicht auf. Sie sind leicht, arbeiten spielfrei und ermöglichen in kompakten Mikroantrieben neue Lösungen für chirurgische Instrumente.
Präzision und hohe Leistungsdichte sind Merkmale von Harmonic-Drive-Getrieben. Für Anwendungen mit hohen Stückzahlen entwickeln Mitarbeiter der Harmonic Drive Polymer GmbH in Hallstadt seit Anfang 2005 solche Antriebssysteme aus Kunststoff.
In der Medizintechnik bieten sich Antriebe mit Kunststoffgetrieben besonders für Anwendungsfelder an, bei denen eine oder mehrere der folgenden Forderungen zutreffen:
- geringes Gewicht für am Patienten getragene Geräte,
- kleiner Bauraum für den Einsatz in Endoskopie oder chirurgischen Instrumenten,
- nichtmagnetisches Material, damit das Kernspintomographie-Bild nicht verfälscht wird und damit keine induktive Aufheizung auftritt,
- hohe Stückzahlen und geringe Kosten, die bei Disposables und bei Produkten für Kurzzeitanwendungen zählen, sowie
- Sterilität bei Einweglösungen – mit spritzgegossenen Kunststoffantrieben lassen sich bei entsprechenden Stückzahlen preiswerte und dennoch kompakte und präzise Antriebe konzipieren, die Mehrweglösungen ersetzen können.
Der Wechsel auf ein Einwegkonzept beipielsweise für ein motorbetriebenes chirurgisches Instrument könnte Vorteile bieten. Die Sterilität der Bauteile wird im Verarbeitungsprozess des Thermoplasten durch die hohen Temperaturen gewährleistet und muss in den Nachfolgeprozessen nur aufrechterhalten werden. Bei einer Einweglösung entfällt das materialbeanspruchende Sterilisieren im täglichen Gebrauch. Damit können weniger temperatur- und hydrolysebeständige Werkstoffe verwendet werden, was die Kosten weiter senkt. Da die Lebensdauer von Einweglösungen deutlich geringer ist als die von Mehrwegsystemen, werden auch an die Verschleissfestigkeit drastisch niedrigere Anforderungen gestellt. Werden Werkstoffe mit inkorporierter Schmierung eingesetzt, kann das Getriebe kurzzeitig trocken betrieben werden. In der Montage oder im Betrieb sind zusätzliche Schmierstoffe dann nicht erforderlich. So entfallen auch Dichtungen, die sonst den Austritt von Schmierstoffen oder den Eintritt von Flüssigkeiten verhindern. Das vereinfacht den Einsatz im Vakuum. Verkrustungen durch salzhaltige Lösungen werden ebenfalls irrelevant.
Die technischen Eigenschaften der aus metallischen Werkstoffen gefertigten Getriebe bleiben im Kunststoff weitgehend erhalten. Gegenüber den Stahlgetrieben lassen sich zwar geringere Drehmomente übertragen. Gerade Kunststoffe ermöglichen aber kompakte Antriebslösungen, bei denen beispielsweise das Getriebe mittels einer speziellen Kinematik um den Motor herumkonstruiert ist.
Für eine Anwendung, bei der geringes Gewicht und minimaler Platzbedarf entscheidend sind, bekam ein Kunde binnen weniger Wochen Funktionsmuster für einen Mikroantrieb. Ein zweistufiges System, bei dem jede Stufe aus einem Harmonic-Drive-Getriebe mit 20:1 und einem Wave Generator in Planetenbauform mit einer Untersetzung von 3:1 gebildet wird, ermöglichte auf einer Länge von nur 10,5 mm und bei einem Durchmesser unter 10 mm eine Untersetzung von 3600:1.
Um solche testfähigen Muster in kurzer Zeit zur Verfügung zu stellen, hat die Harmonic Drive Polymer GmbH zusammen mit der Horst Scholz GmbH & Co. KG, Kronach, einer ihrer Muttergesellschaften, verschiedene Fertigungsverfahren kombiniert. So können die Funktionsflächen der Baugruppe bereits mit seriennahen Eigenschaften im Spritzgussprozess gefertigt werden, ohne im Musterstadium die hohen Kosten eines kompletten Werkzeugsatzes zu verursachen.
Dr.-Ing. Frank Pöhlau Harmonic Drive Polymer, Hallstadt
So arbeitet das Getriebe
Das Harmonic Drive Getriebe besteht im Prinzip aus nur drei Bauteilen: einem elliptischen Kern, dem sogenannten Wave Generator, einem flexiblen Zahnring, dem Flexspline, und einem feststehenden Zahnring, dem Circular Spline. Der elliptische Wave Generator ist das angetriebene Teil. Er verformt den Flexspline, dessen Verzahnung in den gegenüberliegenden Bereichen seiner großen Ellipsenachse in den innenverzahnten Circular Spline greift. Sobald sich der Wave Generator dreht, verlagern sich die große Ellipsenachse und der Zahneingriffsbereich. Da der Flexspline zwei Zähne weniger besitzt als der Circular Spline, vollzieht sich pro Umdrehung des Wave Generators eine Relativbewegung zwischen Flexspline und Circular Spline um zwei Zähne.
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