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Antriebstechnik Kleinstantriebe mit großer Wirkung im Kampf gegen die Pandemie

Redakteur: Alexander Stark

Analyseverfahren, mit denen sich Infektionskrankheiten wie Grippe oder Covid-19 diagnostizieren lassen, haben derzeit Hochkonjunktur, in Arztpraxen ebenso wie in Ambulanzen oder in großen Laboratorien. Je nach Einsatzbereich sind dabei unterschiedliche Geräte im Einsatz, die jedoch eine entscheidende Gemeinsamkeit haben: Sie brauchen kompakte, drehmomentstarke und dynamische Antriebe, die sich präzise ansteuern lassen, gut in die Anwendung integrierbar sind und möglichst leise arbeiten.

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Motoren mit einem Kommutierungssystem aus Edelmetalllegierungen eignen sich besonders für Anwendungen mit kleiner Strombelastung, wie z.B. in batteriebetriebenen Geräten.
Motoren mit einem Kommutierungssystem aus Edelmetalllegierungen eignen sich besonders für Anwendungen mit kleiner Strombelastung, wie z.B. in batteriebetriebenen Geräten.
(Bild: Faulhaber)

Nicht nur bei Corona-Tests ist es notwendig, möglichst schnell das Ergebnis zu kennen. Auf Intensivstationen, in Ambulanzen oder Arztpraxen müssen oft bereits vor Beginn einer Behandlung bestimmte Laborwerte vorliegen, um die richtigen Maßnahmen zu treffen. Dazu gehören z.B. Parameter wie Blutwerte, Gerinnungsfaktoren, Blutgasgehalt, Elektrolyte und natürlich auch Hinweise auf mögliche Infektionskrankheiten. Hier spielen sogenannte Point-of-Care-Analysegeräte (PoC) ihre Vorteile aus: Sie sind mobil, leicht, flexibel einsetzbar und vor allem schnell. Ein Ergebnis kann bereits in weniger als einer Viertelstunde vorliegen. Für die Analysen werden verschiedene Technologien verwendet, darunter Fluoreszenzdetektion, Polymerase Chain Reaction (PCR) und Mikrofluidik. Vor allem PCR spielt im Kampf gegen Covid-19 eine wichtige Rolle.

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Point-of-Care-Analyse: kompakte Abmessungen und hohe Zuverlässigkeit

Analysegeräte für den PoC-Einsatz sind nahezu komplett automatisiert und erfordern durch den Einsatz von Teststreifen oder Testkits nur wenige Eingriffe des Anwenders. Gleichzeitig müssen die PoC-Systeme kompakt sowie leicht zu transportieren sein und dürfen vor Ort nur wenig Platz einnehmen. Oft sind die Geräte batteriebetrieben, d.h. die darin eingesetzten Komponenten müssen möglichst stromsparend arbeiten.

Antriebe für diese Anwendungen sollten daher möglichst wenig Leistung benötigen, müssen kompakt und dynamisch sein. Bewährt haben sich hier Faulhaber-DC-Kleinstmotoren mit Graphit- oder Edelmetallkommutierung bzw. Schrittmotoren, da sie sehr kompakt sind, aber auch hocheffizient, schnell und zuverlässig arbeiten. Zudem erfüllen sie die Anforderungen nach langer Lebensdauer bei geringem Wartungsaufwand. Die graphitkommutierten DC-Kleinstmotoren sind sehr robust und prädestiniert für dynamische Applikationen mit schnellem Start-/Stoppbetrieb. Motoren mit einem Kommutierungssystem aus Edelmetalllegierungen sind besonders klein und werden hauptsächlich wegen des sehr niedrigen Übergangswiderstandes und des präzisen Kommutierungssignals verwendet. Sie eignen sich dadurch besonders für Anwendungen mit geringer Leistungsaufnahme, wie in batteriebetriebenen Geräten.

Untersuchungen im Großlabor: Dynamik und Präzision

Da bei PoC immer nur eine Probe auf einmal analysiert werden kann, ist der Gesamtdurchsatz begrenzt. Geht es darum, eine sehr große Zahl an standardisierten Tests durchzuführen, etwa im Falle eines Massentests auf Covid-19, dann führt kein Weg an automatisierten Großlaboren vorbei. Sie ermöglichen sichere Ergebnisse bei weit höherem Durchsatz, als es mit PoC-Systemen möglich wäre, und das bei geringer Fehleranfälligkeit und vergleichsweise niedrigen Personalkosten. Automatisierte Lösungen sind deshalb schon seit vielen Jahren bei der sogenannten In-vitro-Diagnostik (IVD) unverzichtbar, der Analyse medizinischer Proben wie Blut, Urin oder Gewebe. Aber auch in der Chemie oder der Lebensmitteltechnologie setzt man verstärkt auf automatisierte Prozesse im Labor, entweder für einzelne Testschritte in Standalone-Geräten oder in komplexen Anlagen mit einer komplett automatisierten Probenanalyse.

Bei Letzteren beginnt die Automatisierung bereits bei der Vorbereitung der Proben in farbkodierten Entnahmeröhrchen: Ein Scanner erfasst, welche Analysen für die jeweilige Probe vorgesehen sind. Die Probe kann dann zentrifugiert und in einzelne Bestandteile getrennt werden. Anschließend wird sie per Fließband oder mit sogenannten Probetaxis (Bild 5) zu den einzelnen Analysestationen transportiert. Die „Taxis“, die nur eine einzige Probe auf einmal transportieren, aber zu mehreren hunderten im Labor unterwegs sind, sorgen dafür, dass jede Probe trotz Automatisierung ganz individuell die vorgesehenen Analyseschritte durchläuft.

Vielfältige Antriebsaufgaben

Antriebe müssen also im Labor eine Vielzahl unterschiedlicher Antriebsaufgaben erfüllen. Ein reibungsloser Ablauf ist nur möglich, wenn die einzelnen Schritte mit hoher Dynamik und Präzision ablaufen. Beispielsweise muss jede Probe zunächst über einen Barcode eindeutig identifiziert werden, anschließend die Verschlusskappe abgeschraubt und sichergestellt werden, dass nur ein Teil der Probe in die Analyse kommt. Insbesondere bei Tests auf Covid-19 oder der Impfstoffentwicklung ist es wichtig, dass für eventuell notwendige spätere Nachtests und zu Archivzwecken ein Teil der Probe wieder verschlossen und archiviert wird. Bei dieser Vorbereitung der Proben sind vor allem kleine Servoantriebe gefragt, die – verbaut in entsprechenden Geräten – Längs- oder Drehpositionsänderungen der Proben durchführen. Förderbänder, die Proben in Racks transportieren, benötigen hingegen große, leistungsstarke Antriebe.

Bei der Probenübergabe in ein Reaktionsgefäß, etwa eine Petrischale oder eine Testplatte, sind für das Pipettieren, Mischen, Rühren und das Handling von Flüssigkeiten vielfältige Bewegungen gefordert. Wiederholte Start-Stopp-Bewegungen verlangen ein hochdynamisches System, bei dem eine äußerst präzise Positionierung ebenso wichtig ist wie die Geschwindigkeit der Pick-and-Place- oder Pipettiervorgänge. Da der Antrieb für die Auf- und Abwärtsbewegung eines Greifarms oder Pipettierkopfes sich meist in der mobilen Komponente befindet, muss dieser darüber hinaus besonders leicht und kompakt sein. Die DC-Kleinstmotoren der Serien 1524…SR und 2224…SR finden hier einen typischen Einsatzbereich. Sie haben keinen Eisenanker und sind dadurch leichter sowie kleiner als andere Antriebe mit vergleichbarer Leistung. Ihre hohe Dynamik spielen sie meist in Kombination mit einem Encoder der Serie IEH2 optimal aus, da dieser die Gesamtlänge der Antriebseinheit um lediglich zwei Millimeter verlängert.

Ebenfalls für unterschiedliche Anwendungen in klinisch-diagnostischen Laboren, die besonders kompakte, dabei aber leistungsstarke Antriebe benötigen, eignen sich die Faulhaber-Glockenankermotoren der Serien 2657...CR und 2224...SR mit integriertem Encoder. Die graphitkommutierten Motoren der Serie 2657...CR leisten bei nur 57 mm Länge und 26 mm Durchmesser 47,9 W bei einem Wirkungsgrad von 85 Prozent. Mit 44 mNm Dauerdrehmoment und 285 mNm Haltemoment bei einem Gewicht von 156 g können die kompakten Antriebe selbst kiloschwere Lasten dynamisch in Bewegung setzen oder abbremsen. Die kleinen edelmetallkommutierten Antriebe der Serie 2224...SR bringen es dagegen bei nur 24,2 mm Länge und 22 mm Durchmesser auf 4,05 W Abgabeleistung bei Drehzahlen bis zu 8.000 U/min. Die Palette der leistungsfähigen Kleinstantriebe ist damit breit gefächert; für nahezu jede Aufgabenstellung bei der Probenanalyse lässt sich so eine geeignete Lösung finden.

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