Kupplungen

Kollege Roboter

Die Anforderungen an Kupplungen in den Antrieben der Medizintechnik steigen ständig. Angefangen von der Miniaturisierung über die möglichst hohe Laufruhe bis hin zu Spielfreiheit und Torsionssteifigkeit. Neue Entwicklungen von Metallbalgkupplungen mit speziellen Konusnaben, Sicherheitskupplungen mit einem Ausrastmoment ab 0,01 Nm und spezielle Elastomerkränze zeigen, was heute möglich ist.

Für Anwendungen in der Medizintechnik bietet R+W ein breites Portfolio. Von Miniatur-Metallbalgkupplungen für Drehzahlen von mehr als 120.000 U/min über spezielle Elastormerkuppungen bis hin zu Sicherheitskupplungen mit niedrigen Ausrastmomenten.

Die medizinische Patientenversorgung steht wegen der Vielzahl an Krankheitsbildern und Therapiemöglichkeiten im permanenten Konflikt mit ökonomischen Zwängen. Ein Umstand, dem die medizinische Maschinentechnik neue Innovationen unter anderem in den Bereichen Automation und Prozesssicherheit verdankt. So war vor nicht allzu langer Zeit eine Vielzahl von Mitarbeitern in Krankenhäusern, Apotheken und Laboren damit beschäftigt, Infusionsträger mit der korrekten Dosierung zu befüllen. Je nach Therapieplan müssen jedoch die Kanülen und Spritzen mit verschiedensten Stoffen in unterschiedlichen Dosiermengen ab- oder manchmal auch umgefüllt werden. Ein Prozess, der neben handwerklichem Geschick ein Höchstmaß an Sorgfalt für sich beansprucht.

Inzwischen existieren am Markt kompakte Ein- und Mehrkanal-Compounder-Systeme. Diese automatisieren den Abfüllprozess auf rationelle Weise. Mit einem Mehrkanal-Compounder können gleichzeitig bis zu 20 Spritzen oder Infusionen gleichzeitig bestückt werden. Per Touchscreen werden Rezepturen in einen Steuerungscomputer gegeben. Dieser steuert die Pumpensysteme, die vollautomatisch die Zusammenstellung der benötigten Inhaltsstoffe gemäß patientenspezifischer Rezepturvorgabe generieren. Je nach Anforderung hinsichtlich einer kontinuierlichen bzw. diskreten Dosierung sowie der erforderlichen Leistung und der hohen funktionalen Anforderungen kommen ausschließlich Präzisionsmotoren zum Einsatz. Der Antriebsmotor sorgt dabei für einen gleichmäßigen axialen Weg des Spritzenkolbens, um das Gemisch in den Hohlkörper – zum Beispiel einer Kanüle oder Spritze – zu ziehen.

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Im Antrieb des Kolbens erfolgt die Kraftübertragung vom Schrittmotor zum Kolbenadapter mithilfe einer Ausgleichskupplung. Eine ihrer Aufgaben ist der Ausgleich des montagebedingten Versatzes zwischen den beiden Wellenenden des Schrittmotors und dem Kolbenadapter. Viel wichtiger für diesen höchst sensiblen Prozess sind jedoch die absolute Spielfreiheit, die Torsionssteifigkeit und die Laufruhe des Antriebstrangs. Nur dadurch kann ein 100-prozentiges Mischergebnis im automatisierten Prozess der Befüllung gewährleistet werden.

Dynamische Wuchtgüte von Q 1

Für diese Anforderungen hat R+W Antriebstechnik eine neue Lösung entwickelt: Die kompakte, torsionssteife Miniatur-Metallbalgkupplung mit speziellen Konusnaben (Modell MKS). Diese kraftschlüssige selbstzentrierende Konus-Klemmverbindung sowie eine Forderung einer Wuchtgüte von Q 2,5 tragen zu einer optimalen Laufruhe im System bei. Des Weiteren wird insbesondere die Laufruhe durch die Vorzentrierung und die sehr guten Rundlaufgenauigkeiten der Kupplungsnaben sowie der hochgenauen Fertigung gekennzeichnet. Die Demontage der Konusbuchse der Kupplung wird durch die standardmäßigen Abdrückgewinde erleichtert.

Miniatur-Metallbalgkupplungen decken einen großen Drehzahlbereich ab. Aufgrund ihres symmetrischen Aufbaues und der hohen Steifigkeit des Metallbalges lassen sich mit Metallbalgkupplungen Drehzahlen von mehr als 120.000 U/min erreichen. Die Fliehkräfte, die bei diesen Umdrehungsgeschwindigkeiten auftreten, sind wegen des geringen Eigengewichtes des Metallbalges relativ klein. Die hohe Torsionssteifigkeit trägt ebenfalls dazu bei, dass Metallbalgkupplungen in diesem hohen Drehzahlbereiche eingesetzt werden können. Bei der Forderung von Wuchtgüten sind im Standard 6,3 und 2,5 möglich. Der symmetrische Aufbau lässt in Sonderfällen ebenfalls eine dynamische Wuchtung von Q 1 zu. Eine generelle Herausforderung ist es, die Kupplungen mit kleinem Bohrungsdurchmesser für dünne Motorwellen und Spindeln zu fertigen und trotzdem relativ hohe Nm im Verhältnis zu übertragen. Dies wird über die Auswahl des Aluminiums erreicht. Spezielle hochfeste Aluminiumvarianten sorgen für die geforderte Zugfestigkeit im Klemmbereich.

Ein weiterer Einsatz für Miniaturkupplungen sind Pressen für die Zahngebisse. Die Motoren in solchen Geräten haben meist hohe Drehmomente und Presskräfte, außerdem ist das Gehäuse nur aus dünnwandigem Kunststoff. Demzufolge können im Pressvorgang Vibrationen entstehen. R + W hat hier eine Möglichkeit geschaffen, mit einer sehr kompakt bauenden hochpräzisen Elastomerkupplung einen optimalen Ausgleich zu schaffen. Eine große Rolle hierbei spielen die Spielfreiheit der Kupplung und die richtige Auswahl des Elastomerkranzes, um eine präzise Dosierung zu erreichen. Ein weiterer wichtiger Punkt ist die leichte Steckbarkeit der Kupplung für eine vereinfachte und bessere Montage der Geräte. Diese wird durch ein Voraltern (Kalibrieren) des Kranzes erreicht.
Je nach Anwendung treten unterschiedliche Schwingungen und Drehmomentstöße auf. Um diese auszugleichen, werden Elastomerwerkstoffe mit unterschiedlichen Härtegraden verwendet. Elastomerkränze mit einer sehr guten Dämpfung weisen eine Shorehärte von 80 Sh A auf und werden meist in Applikationen mit starker Vibration eingesetzt. Im Gegensatz dazu ermöglichen Shorehärte von 64 Sh D eine hohe Torsionssteifigkeit, aber ein eher geringes Dämpfungsvermögen. Neben den Standardausführungen steht dem Markt eine ATEX-Ausführung mit elektrisch leitfähigen Eigenschaften zur Verfügung.
Alle bisher beschriebenen Kupplungstypen verbinden Wellen und übertragen Drehmomente. Aber was passiert, wenn die Drehmomente ansteigen und die Gefahr einer Überlast besteht? Ist die Maschinenverfügbarkeit auch bei einer Kollision gewährleistet? Im Falle einer Maschinenkollision müssen An- und Abtriebsseite innerhalb von Millisekunden voneinander getrennt werden. Ist dies nicht der Fall, sind lange und teure Maschinenstillstand- und Ausfallzeiten die Folge. Durch den Einsatz von Sicherheitskupplungen werden Schäden an den Investitionsgütern vermindert und Ausfallzeiten reduziert.
R+W bietet hierfür dem Markt kompakte Sicherheitskupplungen mit einem voreingestellten Ausrastmoment ab 0,01 Nm an. Der Nutzen besteht darin, dass durch die extrem niedrigen Massenträgheitsmomente und der kompakten Bauweise der Miniatur-Sicherheitskupplungen das Leistungspotential der Antriebe höher ausgeschöpft werden kann. Durch die extrem kompakte Bauform und der hohen Leistungsdichte kann der Anwender nicht nur Einbauraum, sondern zusätzlich noch Kosten sparen. Das Unternehmen ist bis heute (seit 2006) der einzige Hersteller weltweit, der mit einer offiziellen Prüfstelle TÜV die Zuverlässigkeit seiner Sicherheitskupplungen getestet und zertifiziert hat. In der Prüfung wurden neben dem automatischen Wiedereinrastenden auch die freischaltenden Ausführungen einbezogen.

Zusammenfassung

Die fortschreitende Miniaturisierung bezieht sich nicht nur auf die Medizintechnik sondern ist in vielen Bereichen des Maschinen- und Anlagenbaus, der Abfülltechnik und der Automatisierung angesiedelt. Diesem Trend kommt R+W mit den torsionssteifen Miniatur-Metallbalgkupplungen der Modellserie MK, mit den drehelastischen Elastomerkupplungen der Modellserie EK sowie mit den Sicherheitskupplungen der Modellserie SK nach. Diese spielfreien Präzisionskupplungen kompensieren bei Montage hohe Versätze und stehen bereits ab 1 Ncm zur Verfügung.
Heiko Gabeli, R+W Antriebselemente, Dr. Peter Stipp

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