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NSK Deutschland Miniaturlager für Dentalbohrer: Höchste Präzision und Fertigungsgenauigkeit

Autor / Redakteur: Waldemar Sosnowski* / Alexander Stark

Wenn der Zahnarzt den Bohrer betätigt, leisten Miniatur-Wälzlager Schwerstarbeit. Denn das Turbinenrad im Bohrerkopf, das mit bis zu 500.000 Umdrehungen pro Minute rotiert und das Werkzeug antreibt, ist zweifach gelagert. Bei der Produktion dieser Miniaturlager als Rillen- oder Schrägkugellager aus Edelstahl werden fast die Grenzen der Fertigungstechnik erreicht.

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Der Antrieb von Dentalbohrern ist durch Präzisionsminiaturlager zweifach gelagert.
Der Antrieb von Dentalbohrern ist durch Präzisionsminiaturlager zweifach gelagert.
(Bild: Karaen/NSK)
  • Präzisionsminiaturlager aus dem Werkstoff ES1 gewährleistet hohe Reinheit und Korrosionsbeständigkeit
  • Hohe Lebensdauer und Standzeiten der Lager
  • Deutlich weniger Mikro-Vibrationen und ein geringeres Geräuschlevel

Dass ein Miniatur-Wälzlager mit einem Außendurchmesser von nur 6,35 mm bei Drehzahlen von bis zu 500.000 Umdrehungen pro Minute zuverlässig arbeitet, ist für sich genommen schon erstaunlich genug. Wenn das Lager dann aber auch noch sehr schnell zum Halt kommen muss, keine Mikro-Vibrationen erzeugen darf und – weil es in hygienesensibler Umgebung eingesetzt wird – häufig sterilisiert werden muss, dann scheinen die Anforderungen kaum oder nur sehr schwer erfüllbar zu sein.

Genau dies ist aber das Einsatzprofil für Wälzlager, die im wichtigsten Werkzeug jedes Zahnarztes verbaut sind: dem Dentalbohrer. Das druckluftbetriebene Turbinenrad dieses kompakten Handwerkzeugs rotiert mit extrem hohen Drehzahlen. Die beiden Lager im Kopf des Bohrers – jeweils oberhalb und unterhalb der Turbinenschaufeln – sorgen dabei für eine stabile Führung des rotierenden Werkzeugs.

Sonderwerkstoff für sterilisierbare Präzisionsminiaturlager

Die Sterilisierbarkeit ist für ein solches Medizingerät selbstverständlich. Denn es muss zuverlässig ausgeschlossen werden, dass Kreuzkontaminationen von Patient zu Patient entstehen. Deshalb wird der Bohrer nach jedem Behandlungsvorgang erst gründlich gereinigt, dann desinfiziert und sterilisiert – im Regelfall mit heißer und feuchter Luft in einem Autoklav.

NSK, ein Hersteller von Wälzlagern, entwickelt und fertigt seit vielen Jahren Präzisionsminiaturlager für diese Anwendung – lange Zeit ausschließlich für den asiatischen Markt, inzwischen auch für Europa. Speziell für diesen anspruchsvollen Einsatzbereich entwickelte NSK den Werkstoff ES1 – ein Sonder-Edelstahl, der sich im Vergleich zum üblicherweise eingesetzten Werkstoff AISI 440C (Äquivalent nach ISO: 1.4125) u.a. durch eine deutlich gesteigerte Reinheit und Korrosionsbeständigkeit auszeichnet.

Ein Vergleich beider Werkstoffe unter dem Elektronenmikroskop zeigt die Unterschiede (Abbildung 1). Während bei AISI 440C Einschlüsse von eutektischen Karbiden mit Größen von bis zu 50 µm zu erkennen sind, ist ES1 bei gleicher Vergrößerung vollkommen homogen.

Abbildung 1: Vergleich der Mikrostruktur von konventionellen Lagern für Dentalbohrer (rechts) und solchen aus ES1 (links).
Abbildung 1: Vergleich der Mikrostruktur von konventionellen Lagern für Dentalbohrer (rechts) und solchen aus ES1 (links).
(Bild: NSK)

Lange Lebensdauer und hohe Korrosionsbeständigkeit

Die hohe Reinheit des ES1-Edelstahls hat positive Auswirkungen auf die Lebensdauer des Lagers, weil jede Art von Einschlüssen oder eine Unregelmäßigkeit im Gefüge Ursache z.B. für Spannungsrisse oder Abblätterungen auf der Lagerlaufbahn sein kann. Darüber hinaus steigert dieser Werkstoff auch die Korrosionsbeständigkeit der Lager, wie Abbildung 2 zeigt. Während ein Lager aus AISI 440C nach der Beaufschlagung durch Salzsprühnebel (mit 5 Prozent Kochsalzlösung) deutliche Korrosionsschäden an der Lageroberfläche aufweist, ist die Oberfläche eines Lagers aus ES1 noch ohne erkennbare Beschädigung.

Abbildung 2: Ergebnisse der Korrosionsbeständigkeit im Salzsprühtest.
Abbildung 2: Ergebnisse der Korrosionsbeständigkeit im Salzsprühtest.
(Bild: NSK)

Versuchsreihen mit anodischen Polarisationsreihen im NSK-Labor zeigen, dass die Stromdichte – die in Korrelation zur Korrosionsrate steht – des ES1-Lagers im passiven Zustand deutlich niedriger ist als die von AISI 440C (Abbildung 3). Das bedeutet: Die Lager erreichen deutlich längere Standzeiten. Denn korrodierte Wälzlager führen zu Vibration im Dentalbohrer, die der Patient als unangenehm empfindet. Dabei geht es nicht ausschließlich um die Lagerringe: Die Wälzkörper der Miniatur-Präzisionslager werden aus Hochleistungskeramik gefertigt. Für die Käfige kommen die Hochleistungskunststoffe PEEK oder Torlon, ein Polyamidimid (PAI), zum Einsatz.

Abbildung 3: Ergebnisse der anodischen Polarisationsmessung zur Ermittlung der Korrosions-festigkeit von ES1.
Abbildung 3: Ergebnisse der anodischen Polarisationsmessung zur Ermittlung der Korrosions-festigkeit von ES1.
(Bild: NSK)

Höchste Präzision – minimierte Vibrationen, geringes Geräuschlevel

Bei der Fertigung sämtlicher Komponenten dieser Miniatur-Präzisionslager wird höchste Genauigkeit erreicht. Das gilt für die Reproduzierbarkeit des Kugeldurchmessers ebenso wie für die Oberflächengüte (Rauheit) der Laufbahn und die Rundheit von Laufbahn und Käfig. (Abbildung 4). NSK bietet die Dentallager auch in der höchsten Genauigkeitsklasse ABEC9 (P2) an und erreicht zudem eine Sortierung des Bohrungsdurchmessers zwischen 0,0025 bis 0,00125 mm sowie 0,00125 bis 0 mm.

Abbildung 4: Fertigungsgenauigkeit der Keramikkugeln im Vergleich.
Abbildung 4: Fertigungsgenauigkeit der Keramikkugeln im Vergleich.
(Bild: NSK)

Die Konsequenz: NSK-Lager weisen deutlich weniger Mikro-Vibrationen und ein geringeres Geräuschlevel auf als vergleichbare Lager anderer Hersteller. Diese Eigenschaften wurden u.a. auch durch erhebliche Investitionen und Forschungsarbeiten in Bezug auf die Fertigungstechnik sowie Mess- und Prüftechnik für diese Lagergrößen und -typen erreicht.

Auch aus diesem Grund hat NSK kürzlich die vier definierten Kerntechnologien – Tribologie, Werkstofftechnik, Analysetechnik und Mechatronik – um eine fünfte ergänzt: die Fertigungstechnik. Damit stellt das Unternehmen die Bedeutung der hochpräzisen Produktion deutlich hervor. Hier sind nicht nur hochpräzise und effiziente, oft im eigenen Hause entwickelte Maschinen gemeint, sondern auch fortschrittliche Digitalisierungsstrategien und Methoden der Künstlichen Intelligenz.

Komplettes Programm an Präzisionslagern für Dentalbohrer

Das NSK-Programm der Präzisionsminiaturlager für Dentalbohrer umfasst vier Baureihen von Rillenkugellagern und Schrägkugellagern mit mehr als vierzig verschiedenen Typen und Baugrößen. Die Außendurchmesser der Lager liegen typischerweise bei 6,35 bis 7 mm; der Innendurchmesser um 3 mm bei Breiten von 2,3 bis 2,8 mm. Als Schmierstoff kommt das niedrigviskose Hochleistungsöl CF1 zum Einsatz.

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* *Waldemar Sosnowski, Senior Application Engineer, European Technology Centre, NSK Deutschland GmbH, Ratingen

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