Leistungsstarke Miniaturantriebe für die Medizintechnik In corpore sano – KEM
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Leistungsstarke Miniaturantriebe für die Medizintechnik
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Medizintechnische Innovationen im Bereich der sterilisierbaren Geräte sowie der minimal-invasiven Chirurgie erfordern zunehmend leistungsstarke Miniaturantriebe. Hohe Volumenleistung, Biokompatibilität und extreme Zuverlässigkeit müssen erreicht werden. Dimensionen zum Teil im Submillimeterbereich mit Toleranzen im Bereich einzelner Mikrometer erfordern neue Konzepte, damit die hochpräzisen feinwerktechnischen Bauteile zu sicher funktionierenden Systemen der Mikrosystemtechnik werden.

„Keramik“-Motor – starker DC-Motor
Der Gleichstrommotor RE 6 von maxon ist die Antwort auf die weltweite Nachfrage nach immer kleineren Antrieben. Der DC-Motor mit 6 mm Durchmesser und 15,6 mm Länge leistet nominal 0,3 W. Sein Gewicht beträgt 2,3 g. Die Motorwelle ist mit 0,8 mm Durchmesser so dünn wie eine Bleistiftmiene. Die Welle besteht aus Hightech-Keramik und ist in mancher Hinsicht einer Stahlwelle überlegen. Die elektrisch isolierende Eigenschaft erlaubt eine sehr kompakte Bauweise des Kollektors. Edelmetallbürsten garantieren zudem einen konstant niedrigen Übergangswiderstand zwischen Bürsten und Kollektor – dies auch nach längerem Stillstand.

Die Materialpaarung Keramik – Stahl bietet tribologisch Vorteile, die sich durch gute Notlaufeigenschaften, längere Lebensdauer und geringere Verlustleistung auszeichnen.
Im Mittelpunkt: eisenloser Rotor
„Herzstück“ des Motors ist der weltweit patentierte eisenlose Rotor, System Maxon. Dieses Motorprinzip hat ganz besondere Vorteile. Dank dem leichten Rotor wird die Massenträgheit besonders klein. Die Beschleunigung ist sehr hoch. Das magnetische Rastmoment fehlt völlig und die elektromagnetischen Störungen sind vernachlässigbar gering. Die eisenlose Maxon-Wicklung ergibt zusammen mit einem der besten heute verfügbaren Magnetmaterialien, einem Neodym-Permanentmagnet, einen hohen Wirkungsgrad, der andere Motorenbauarten bei weitem übertrifft. Deshalb ist dieser Antrieb besonders für netzunabhängige Anwendungen geeignet, wie zum Beispiel Laser Nivelliergeräte oder Insulinpumpen. Im Baukastensystem werden Planetengetriebe sowie ein Sensor für die Rückmeldung von Position und Geschwindigkeit angeboten.
Mikromechanische Sondergetriebe
Maxon ist spezialisiert auf die Entwicklung von maßgeschneiderten Sondergetrieben, die dank eigenem Musterbau innerhalb kürzester Zeit nach Spezifikation gefertigt werden. Hierbei können selbst kleinste Verzahnungsteile bis zu einem Modul von 0,06 mm hergestellt werden. In Kombination mit dem hochdynamischen bürstenbehafteten Gleichstrommotor RE6 bzw. dem bürstenlosen, elektronisch kommutierten Motor EC6 lassen sich dank hochwertigster Seltenerdmagnete hoch Leistungsfähige Miniaturantriebe realisieren.
Anwendungen von Maxon Micro Gear sind in großen Stil Antriebe für Insulinpumpen. Nebst einem breiten Standardprogramm zeigt Maxon seine Stärken bei kundenspezifischen Spezialausführungen, basierend auf einem breiten Antriebs-Know-how. Dabei steht die Zuverlässigkeit der Lösung im Vordergrund und nicht die Stückzahl.
Mikro-Planetengetriebe mit Spindel
Bei diesem Mikrogetriebe mit 6 mm Durchmesser wird mit einer geschliffenen M2-Spindel und einer Mutter aus Kunststoff ein Linearantrieb realisiert. Die umfangreiche Spezifikation umfasst neben der Bioverträglichkeit der verwendeten Materialien, die Einhaltung des zulässigen Kontaminationsgrades durch Staub und Keime, die Chargenverwaltung von Baugruppen und Einzelteilen sowie die Rückverfolgbarkeit bis zum Stangenmaterial der Sonderstähle.
Bereits in der Entwicklungsphase solcher kundenspezifischer Antriebe werden Risiken durch Konstruktions- und Prozessanalysen minimiert. Hochbeanspruchte Bauteile werden mit Hilfe der Finite Elemente Methode berechnet, und die Geometrie bzgl. der im Lastfall auftretenden Spannungen entsprechend optimiert.
Materialien werden chargenbezogen gelagert und gerüstet, Montageprozesse werden lückenlos überwacht und die Prozessparameter dokumentiert. Die Montage erfolgt durch geschultes Personal in einem Reinraum der Klasse 5. Auf Wunsch wird jeder Lieferung eine Konformitätsbescheinigung beigelegt, welche die Übereinstimmung mit der Spezifikation bestätigt.
Rostfreie austeni- tische ELC-Stähle
Sterilisieren im Autoklaven ist eine günstige, schnelle und die am weitesten verbreitete Methode, medizinische Geräte keimfrei zu machen. Die Belastung der Antriebe und Komponenten ist dabei jedoch extrem hoch. Dabei sind folgende Umgebungsbedingungen schadlos zu überstehen: Gesättigter Wasserdampf von 134 °C bei 2,3 bar während mindestens 20 min.
Rostfreie ferritische oder ferritisch-martensitische Stähle sind zwar gut zerspanbar, aber nur bedingt geeignet für die Sterilisation.
Maxon hat Erfahrung in der Verarbeitung von rostfreien austenitischen ELC-Stählen (extra low carbon) nach DIN 5832–1, die sich neben der guten Bioverträglichkeit durch eine hohe Korro- sionsbeständigkeit auszeichnen. Die mittlere Korngröße entspricht ASTM-Korngröße 6,5.
Pulverspritzguss in Keramik
Zunehmende Bedeutung bei den miniaturisierten Leistungsantrieben erlangt weiter der Pulverspritzguss in Keramik, wie das bildhaft dargestellte Planetengetriebe zeigt. Das Gehäuse misst 6 mm im Durchmesser und ist mit einer Innenverzahnung ausgebildet. Ein sterilisierbares Planetengetriebe GP 22 M mit Radialwellendichtring befindet sich in Entwicklung. Das abgedichtete Getriebe mit 22 mm Duchmesser ist in 55 verschiedenen Untersetzungen von 3.8 : 1 bis 4592 : 1 erhältlich und kann dauernd 2 Nm und kurzzeitig sogar 3 Nm übertragen.
Sowohl Keramik- (CIM), als auch das Metallspritzgussverfahren (MIM) werden prozessicher bei Maxon Motor Sexau eingesetzt. Gerade für die kostengünstige Produktion rostfreier Bauteile in größeren Stückzahlen besteht so im Haus die Möglichkeit, im Metall-Spritzgussverfahren abzuformen. So lassen sich komplexe Strukturen hochpräzise herstellen. Es bietet sich auch ein nickelfreier austenitischer Sonderstahl an, der aufgrund seiner Legierungsbestandteile besonders gut beständig gegen Lochfraß- und Spaltkorrosion ist.
Mikro-Motore KEM 453
Mikro-Getriebe KEM 454

Informationen zum Bereich Mikrosystemtechnik und zu diesem Studium an der FHTE Fachhochschule für Technik Esslingen
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