Bei der Miniaturisierung mechanischer und elektronischer Baugruppen müssen die Systeme nicht nur kleiner werden, sondern zugleich ein besseres Eigenschaftsprofil aufweisen. Geringer Energieverbrauch, Langlebigkeit und die Eignung für besondere Umgebungsbedingungen stehen ganz oben auf der Agenda.

Miniaturisierung ist kein Selbstzweck, sondern muss sich stets am größtmöglichen Kundennutzen orientieren. Besonders in Branchen wie der Medizintechnik gilt es dabei, widerstreitende Anforderungen wie Miniaturisierung, steigende Komplexität und funktionale Integration mit hoher Zuverlässigkeit zu verbinden. Dies stellt die Hersteller von Mikrosystemen für die Medizintechnik vor enorme Herausforderungen, besonders angesichts vielfach geringer oder mittlerer Stückzahlen. Den Schweizer Unternehmen im Allgemeinen und dem Unternehmen MPS aus Bienne im Speziellen kommt dabei die Erfahrung aus der Uhrenindustrie zugute. Neben einer hohen Präzision sind Langlebigkeit und Wartungsarmut bekannte Innovationsfelder.

 

Synergien aus der Uhrenindustrie nutzen

 

Mit mehr als 70 Jahren Erfahrung bei der Produktion hochgenauer Mikrosysteme kann MPS kundenspezifische Lösungen anbieten und greift dazu auf eine Vielfalt innovativer Technologien zurück. So wurde das Unternehmen dank der Zuverlässigkeit und Qualität der Kugellager schnell in anspruchsvollen Geschäftsfeldern, beispielsweise bei implantierbaren Geräten für medizinische Anwendungen oder bei High-End-Uhrenprodukten, bekannt. Die Grenzen der Mikrotechnik weiter zu verschieben und die Herstellungsprozesse ständig zu verbessern, ist dazu eine unabdingbare Voraussetzung, die bei MPS in interdisziplinären Teams vorangetrieben wird. Synergien zur Uhrenindustrie finden sich beispielsweise auch in der Mikromontage und im Aufbau mikromechanischer Baugruppen. Voraussetzung hierfür ist wiederum die Zertifizierung eines hohen Qualitätsniveaus sowie die Einführung hochgenauer Mess- und Prüfverfahren. Die Haupttätigkeitsfelder von MPS sind die Medizintechnik, die Uhrenbranche und die Halbleiterindustrie. MPS gehört zur deutschen Faulhaber-Gruppe, einem der weltweiten Spezialisten elektrischer Mikromotoren. Die Synergie der verschiedenen Unternehmender Gruppe erlaubtes MPS, mechatronische Miniatursysteme anzubieten.

 

Ein Beispiel dieser Synergie aus jüngster Vergangenheitwurde mit der gemeinsamen Entwicklung eines Linearantriebs verwirklicht. Das Modell ›BS22‹ verfügt über einen integrierten Kugelgewindetrieb von MPS und ist für Faulhaber-Elektromotoren ausgelegt. Dieses Produkt verbindet eine hohe Genauigkeit mit einfacher Anwendung und reduziert die Spindelabmessungen durch mehrere Elemente drastisch: BLDC-Motor, DC-Motor oder Schrittmotor, Planetengetriebemotor oder Stufengetriebemotor, Steuerungselektronik mit oder ohne Kodiergerät, Kupplung ohne Spiel und mit Duplexlager. Dies alles vereinfacht die Inbetriebnahme des Produkts durch den Kunden (Bild 1).

 

Rotor einer implantierbaren Pumpe

 

Ein weiteres Beispiel liefert eine Peristaltikpumpe, die in den menschlichen Körper implantiert wird. Für schwere Krankheiten wie Diabetes, chronische Schmerzen, spastische Krankheiten, einige Krebsarten sowie Alzheimer werden neue Medikamente angeboten, die nicht oral oder durch intravenöse Injektionen verabreicht werden. Sie müssen in schwachen Dosen von wenigen Mikrolitern pro Tag verabreicht werden, dies jedoch ständig und über sehr lange Zeiträume. Das Produkt wird im Prinzip mittels eines Katheters an einen genauen Punkt im Organismus des Patienten eingeleitet. Die Hersteller medizinischer Instrumente, beispielsweise Medtronic, Minimed, Codman oder Infusaid, haben für diese Behandlungsart verschiedene implantierbare Infusionspumpenmodelle entwickelt. Die einfachsten Modelle haben einen unter Druck stehenden Tank, der das Medikament enthält und dessen mehr oder weniger beständiger Durchfluss mittels Kapillareinschränkungen angepasst wird (Bild 2). Für einen genaueren, nach einem Tagesprogramm regelbaren Durchfluss, der von Zeit zu Zeit über eine Fernbedienung eingestellt werden kann, ist es notwendig, die Pumpe mit einem batteriebetriebenen Motor und einem Steuerkreislauf auszustatten, um einen Peristaltikmechanismus umzusetzen. Alle diese Elemente finden sich in der Pumpe ›Synchromed II‹ von Medtronic wieder. Die Herstellung des Peristaltikrotors erfolgt bei MPS (Bild 3). Der empfindliche Mechanismus umfasst zwei Miniaturlager auf der Rotorachse und drei Kugellaufrollen, die auf einem Silikonschlauch laufen, durch welchen das Medikament verabreicht wird. Diese fünf Kugellager wurden speziell von MPS für die Pumpe von Medtronic entwickelt. Sie müssen während der ganzen Implantationsdauer korrosionsbeständig sein. Um dies zu garantieren, bestehen die Innen- und Außenringe dieser Lager aus Titan und die Kugeln aus Keramik. Die sehr geringe Reibung dieser Lager von MPS erlaubt es, Batterieenergie zu sparen, wodurch die Pumpe eine bemerkenswerte Autonomie von sieben Jahren erreicht. Der vollständige Rotor wird bei MPS im Reinraum zusammengebaut. Er besteht aus 41 hochpräzisen Teilen aus Titan, medizinischem Edelstahl und Hartmetallsowie 95 Keramikkugeln (Bild 4). Jeder Rotorist nummeriert und wird an circa 20 Kontrollstellen einer Überprüfung unterzogen, bevor er in den Versand geht. Diese Rotoren werden in die USA versandt und dort von Medtronic in die Pumpenkörper verbaut. Seit der Markteinführung der Pumpe Synchromed II im Jahr 2004 hat MPS circa 200 000 Rotoren gebaut, und mehr als 140 000 Pumpen wurden bei Patienten implantiert. Bei den ersten Patienten hat die Pumpe ihre Lebensdauer von sieben Jahren erreicht, und sie erhalten derzeit eine neue Ersatzpumpe.

 

Differenzialgetriebe für die Uhrenindustrie

 

Um die Anzahl der Umdrehungen der Feder im Federhaus mithilfe einer Skala, die mehr als 360° Gangreserve darstellt, anzeigen zu können, ist es notwendig, ein Reduzierräderwerk auf die Differenzialübersetzung anzubringen. Dieses Reduzierräderwerk wird normalerweise zwischen der Federhaustrommel und dem ersten Differenzialräderwerkeingang, zwischen dem Sperrrad und dem zweiten Eingang des Differenzialräderwerks und zwischen dem Ausgang des Differenzialräderwerks und dem Anzeigemechanismus angebracht. Die Präsenz dieses Reduktionsräderwerks bringt in einigen Fällen Nachteile mit sich, insbesondere, wenn das Uhrwerk mehrere Anzeigen betreibt, was die Anzahl der Teile vervielfacht undsomit den verfügbaren Platz um das Federhaus herum begrenzt. Außerdem führt das in aktuellen Konstruktionen in den Reduktionsräderwerken vorhandene Spiel zu Anzeigeungenauigkeiten der Gangreserve. Um diese Nachteile zu umgehen, hat MPS das Differenzialgetriebe ›Dara‹ mit Planetenkugeln mit einem Kugellager mit vier Auflagerpunkten entwickelt (Bild 5). Diese Konstruktion ermöglicht den Leerlauf eines Rings, während das Federhaus aufgezogen wird, und vermeidet damit das Deformations- oder Beschädigungsrisiko bestimmter beweglicher Bauteile. Das Getriebe ist mit einem Durchmesser von 4,17 mm und einer Höhe von 1 mm sehr kompakt. Im Gegensatz zu einem konventionellen Kugellager mit vier Auflagerpunkten ist der Konus nicht auf den Innenring gepresst und verlötet. Vielmehr läuft der Konus frei und bringt über eine Federkraft auf die Kugeln auf. Diese Kraft hält die Kugeln zwischen den vier Lagerzonen und erzeugt deren Bewegung durch Reibung, während der Außenring in Bewegung ist und der Innenring unbeweglich bleibt. Die Winkelbewegung der Kugeln wird mittels des Käfigs, der aus einem mit Kugeltaschen versehenen Rohr besteht, im Kugellager nach außen übertragen. Dieses Rohr verlängert sich radial über ein Zahnrad. Das Differenzialgetriebe mit Planetenkugeln weist, verglichen mit bestehenden klassischen Differenzialsystemen, folgende Vorteile auf:

• integriertes Modul,
• bereit zum Einbau in das Uhrwerk,
• Eingang/Ausgang über verschiedene Zahnräder des Uhrwerks,
• einstellbare Untersetzungsparameter,
• keine Reibungseinstellung,
• keine Spieleinstellung,
• Anzeigegenauigkeit der Gangreserve,
• sehr geringe Baugröße,
• getestete Zuverlässigkeit,
• schmierungsfrei (Keramikkugeln) sowie
• Rationalisierung der Logistik.

Aufgrund des modularen Aufbaus kann das Differenzialgetriebe von MPS in alle Arten von Konstruktionen integriert und angepasst werden (Bild 6).

 

AUTOREN
JEAN-MICHEL MEYER ist
Business Development Director
bei MPS im schweizerischen Bienne;
jean-michel.meyer[at]mpsag.com

 

HENRI CHARTON und ALAIN LAAGER
sind Projektmanager bei MPS ;
henri.charton[at]mpsag.com;
alain.laager[at]mpsag.com

 

HERSTELLER
MPS Micro Precision Systems AG
CH-2500 Biel/Bienne 8
Tel. +41 32 3444300
Fax +41 32 3444301
www.mpsag.com