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Hiwin „An der Grenze des technisch Machbaren“

Redakteur: Kathrin Schäfer

Für ein neues mobiles Röntgengerät ist ein Hubsäulenantrieb mit wenig Platzbedarf gefragt, der höhere Lasten mit der doppelten Geschwindigkeit des Vorgängermodells bewegen soll. Für die Hubsäule wählen die Entwickler deshalb einen speziell gesicherten Kugelgewindetrieb, dessen hoher Wirkungsgrad die Erfindung eines eigenen Bremssystems erforderlich macht.

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Außenansicht: die von Langguth konstruierte Antriebseinheit für die Hubsäule des C-Bogens.
Außenansicht: die von Langguth konstruierte Antriebseinheit für die Hubsäule des C-Bogens.
(Bild: Langguth)

Das Nürnberger Unternehmen Ziehm Imaging produziert und vertreibt seit 1983 C-Bögen. Die Bezeichnung beruht auf einem bestimmten Bautyp mobiler Röntgengeräte, bei denen die Röntgenquelle und der Röntgendetektor durch ein verfahrbares, C-förmiges Gestell fest miteinander verbunden sind. Dieser Aufbau ermöglicht es, die Röntgeneinheiten flexibel über den betreffenden Körperzonen des Patienten zu positionieren. Für eine neue Generation seiner mobilen C-Bögen der „Vision“-Geräteklasse hat der Hersteller Steuerungs- und Bewegungsmöglichkeiten vorgesehen, die deutlich höhere Verfahrgeschwindigkeiten und Beschleunigungen als bei den älteren Geräten erforderten – und den Antriebslieferanten Langguth vor beträchtliche Herausforderungen stellten: Denn während die neue Elektronik mehr Platz in Anspruch nahm und die Last deutlich erhöhte, durften die Abmessungen des Gerätefußes, in dem der Hubsäulenantrieb untergebracht ist, nicht größer als bei den älteren Modellen ausfallen.

Tragende Rolle für die Gewindespindel

Deshalb musste es den Konstrukteuren von Langguth gelingen, einen deutlich leistungsfähigeren Hubantrieb ohne erhöhten Platzbedarf in das Gehäuse des Medizingeräts zu integrieren. Da C-Bögen im klinischen Routinebetrieb – insbesondere auch in kritischen OP-Situationen – zuverlässig funktionieren müssen, galt es zudem, mögliche Ausfallrisiken zu minimieren. Doch nicht nur Robustheit spielte eine Rolle, sondern auch die Leichtgängigkeit der mechanischen Komponenten, von der die möglichst platzsparende Dimensionierung des Motors abhing. Das galt natürlich auch für das wortwörtlich „tragende“ Element der Hubsäule – die Gewindespindel, mit der der C-Bogen vertikal verfahren wird und die sein gesamtes Gewicht aufnimmt.

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Hemmungslos, aber durchaus wirkungsvoll

Für die Wahl einer geeigneten Spindel spielten zwei Faktoren eine wichtige Rolle, die jedoch naturgemäß im Widerspruch zueinander standen: So war für eine kleine Motordimensionierung ein möglichst hoher Wirkungsgrad der Spindel unabdingbar. Dem stand gegenüber, dass Spindeln mit hohem Wirkungsgrad nur eine geringe Selbsthemmung aufweisen.

„Die einfachste Lösung wäre es gewesen, den Hubantrieb mit einer Trapezgewindespindel zu realisieren, die über ein Schneckengewinde vom Motor angetrieben wird“, erläutert Gernot Ramsauer, Geschäftsführer von Langguth. „Durch die Selbsthemmung hätte sich die Notwendigkeit eines zusätzlichen Bremsmechanismus von selbst erledigt.“ Aber der mittelmäßige Wirkungsgrad einer Trapezgewindespindel hätte einen größeren Antrieb erfordert – eine Option, die aufgrund des begrenzten Bauraums nicht in Frage kam. „Die Anforderung, höhere Antriebsleistungen in reduziertem Einbauraum zu realisieren, brachte uns nicht nur zum Schwitzen, sondern auch an die Grenze des technisch Machbaren“, resümiert Ramsauer. Zunächst galt es deshalb, einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen, der nur durch die Wahl einer Kugelgewindespindel erreichbar war.

Langguth wandte sich an den Lineartechnikhersteller Hiwin, der unter anderem kundenspezifische Sonderanfertigungen anbietet. Um einen Durchbruch der Mutter im Falle eines Kugelbruchs und damit einen Absturz des C-Bogens auszuschließen, wählten die Konstrukteure von Langguth einen Kugelgewindetrieb mit spezieller Sicherung, die aus einer Kugelgewindeeinheit mit integrierter Kugelrückführung sowie einer Sicherheitseinheit besteht. Vergrößert sich das Axialspiel der Sicherheitsmutter durch Kugelverschleiß auf mehr als 0,4 mm, kommt das Gewinde der Sicherheitseinheit der Mutter mit dem Spindelgewinde in Kontakt und leitet die Axialkräfte in sie ein. Da die Standardgrößen des Sicherheitskugelgewindetriebes nicht den vorgegebenen Abmessungen für die Ziehm-Vision-Hubsäule entsprachen, fertigte Hiwin einen Kugelgewindetrieb mit gerollter Spindel mit einem Durchmesser von 25 mm und einer Steigung von 5 mm/U. Die Kugelführung und eine besondere Oberflächenbehandlung der Kugellaufbahnen in den Hiwin-Kugelgewindetrieben reduzieren den Reibungswiderstand zwischen den Kugeln und der Laufbahn erheblich. Dank des Wirkungsgrades von bis zu 90 Prozent ist für die Rollbewegung der Kugeln nur ein geringes Antriebsdrehmoment nötig.

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