Lineartechnik Lineartechnik schafft Durchsatz in der Laboranalytik

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Blutuntersuchungen, Bestimmung von Krankheiten, Dopingtests: Die medizinische Labortechnik und Analytik hat viele Aufgaben. Für die Analyse stehen hoch automatisierte Geräte zur Verfügung, die Proben und Reagenzien mit hoher Geschwindigkeit untersuchen. An die Linearantriebe werden dabei hohe Anforderungen gestellt.

• In der Laboranalytik kommt es – neben der Korrosionsbeständigkeit – häufig auf einen hohen Durchsatz und eine lange Lebensdauer der Geräte und Komponenten an.

• Für Analysegeräte kommen beispielsweise die Monocarrier-MCM-Linearsysteme von NSK zum Einsatz. Sie arbeiten kontinuierlich mit hoher Geschwindigkeit und Präzision.

• Neben Komplettsystemen werden in der Medizintechnik auch Einzelkomponenten wie die Linearführungen der DH/DS-Serie eingesetzt.

Die medizinische Diagnostik ist ein spannender und vielfältiger Anwendungsbereich für die Automatisierungs- und Handhabungstechnik – nicht erst seit der Corona-Pandemie. Zu den typischen Applikationen gehören das Handling von Probenröhrchen und das Dosieren von Reagenzien in Titerplatten. Spannend ist dieser Anwendungsbereich unter anderem deshalb, weil die Handhabung häufig nicht aus immer gleichen Bewegungsabläufen besteht, sondern in inkrementellen Schritten erfolgt. Ein Beispiel: Bei vielen Analysegeräten werden die zu analysierenden Flüssigkeiten in Mikrotiterplatten transportiert und gehandhabt, nicht in einzelnen Röhrchen und Ampullen. Dabei handelt es sich um handtellergroße Platten mit 96 und mehr Kavitäten („Wells“), in denen sich jeweils eine Probe befindet. In jede Kavität muss dann zum Beispiel ein Wirkstoff oder Reaktionsmittel eindosiert werden, um einen Krankheitserreger zu erkennen – und das mit hoher Geschwindigkeit (Bild 1).

Kugelgewindetrieb im Takt des Pulses

Nicht nur in der Laboranalytik sind leistungsfähige Linearantriebe gefragt. Linearführungen, Kugelgewindetriebe und Komplettantriebe von NSK kommen zum Beispiel auch in Geräten der Strahlentherapie zum Einsatz – und in den Herzunterstützungssystemen (Ventricular Assist Devices; VAD) der Berlin Heart GmbH.

Bei den mobilen Excor-VADs wird der Blutkreislauf des Patienten über Kanülen mit Druckluftmembran-Pumpen verbunden, die sich außerhalb des Körpers befinden. Ein Miniatur-Kugelgewindetrieb von NSK führt 60 bis 130 Mal pro Minute einen Hub von bis zu 55,5 Millimeter aus und drückt damit eine definierte Menge Luft gegen die Membran, auf deren anderer Seite sich die Kanülen und mit ihnen der Blutkreislauf des Patienten befinden.

Bei der Auswahl des Antriebssystems war die Lebensdauer das entscheidende Kriterium. Beim Vergleichstest verschiedener Linearantriebe haben die NSK-Antriebe mit rund 120 Millionen Zyklen den mit Abstand besten Wert erreicht.

Basis des Spindelsystems ist ein Kugelgewindetrieb in geschliffener Ausführung mit Genauigkeitsklasse C3. Die Spindeln werden gemäß Kundenanforderung gefertigt, sodass sie als „tailor-made“ gelten können. Und auch hier liefert NSK den Antrieb als einbaufertiges Modul mit passend aufgebauter Lagereinheit.

Linear-Komplettsystem mit hoher Steifigkeit

Mehrere führende Hersteller von medizinischen Analysegeräten nutzen sowohl für diesen Prozess als auch für die Wiederholaufgaben des Ampullen-Handlings die Monocarrier-MCM-Linearsysteme von NSK. Bei diesem Linearsystem sind mehrere Komponenten zu einer kompakten Einheit integriert (Bild 2):

• ein hochwertiger NSK-Kugelgewindetrieb,

• ein Servo- oder Schrittmotor,

• eine U-Profil-Linearführung,

• Lagereinheiten und

• ein Motoradapter.

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Zu den zentralen Eigenschaften des Monocarriers von NSK gehören eine hohe Steifigkeit und Tragfähigkeit, leichtgängige Bewegung sowie eine präzise Positionierfähigkeit. Wichtig aus Sicht des Anwenders in der Laboranalytik ist auch die lange Lebensdauer – schließlich sollen die Anlagen kontinuierlich mit hohem Durchsatz laufen. Außerdem sind in Laboranwendungen häufige Reinigungsvorgänge üblich und notwendig. Deshalb ist die Korrosionsbeständigkeit aller verwendeten Komponenten zwingend erforderlich. Beim Monocarrier wird das durch verschiedene Beschichtungsoptionen gewährleistet.

Beispiel: Entnehmen von Ampullen aus Probenträgern

Ein konkretes Beispiel für den Einsatz der Linearsysteme: Ein Hersteller von ebenso kompakten wie leistungsfähigen Premiumgeräten für die Laboranalytik nutzt eine Kombination von zwei Monocarrier-MCM-Systemen für das Entnehmen von Ampullen aus den Probenträgern. Am Schlitten der Y-Achse befindet sich eine Einheit vom Typ MCM03, die kürzere X-Achse ist mit einer MCM02-Einheit realisiert.

Beide Achsen sind mit Schrittmotoren ausgerüstet, die aus Platzgründen in U-Form angeordnet sind und den Monocarrier über einen Zahnriemen antreiben. Das ist eher untypisch, denn die meisten Anwender bevorzugen einen Direktantrieb vom Motor über eine Wellenkupplung zur MCM-Einheit.

Komplettantrieb statt Komponenten

Das Analysegerät zeichnet sich durch einen extrem hohen Durchsatz an Tests pro Stunde aus. Die Monocarrier-Einheiten von NSK arbeiten kontinuierlich in hohem Takt, weil sie die automatisierte Be- und Entladung des Gerätes gewährleisten. Ihre Steuerbefehle erhalten sie über die zentrale Steuerung des Analysegerätes. Die hohe Zuverlässigkeit dieser Linearantriebslösung trägt dazu bei, dass das System im 365/7/24-Modus wartungsfrei arbeitet – mit gleichbleibend hoher Geschwindigkeit und Präzision. Eine Raydent-Beschichtung sorgt für effektiven Korrosionsschutz. Diese Linearsysteme der MCM-Serie sind in fünf Standardgrößen mit verschiedenen Hublängen und Steigungen lieferbar.

Nicht nur in diesem Anwendungsbeispiel bevorzugt der Hersteller des Analysesystems eine einbaufertige und vormontierte Einheit, die in diesem Fall mit weiteren Anbauteilen wie Sensoren und Halterungen geliefert wird. Das verkürzt die Montagezeit der Anlage und schafft auch eine Voraussetzung dafür, dass die exakt aufeinander abgestimmten und fachkundig montierten Antriebskomponenten eine lange Lebensdauer erreichen.

Neue Linearführungen mit doppelt so hoher Tranzahl

In anderen Applikationen der Medizintechnik kommen aber durchaus weiterhin Einzelkomponenten der Lineartechnik zum Einsatz, zum Beispiel in den Tischführungen von CT- und MRT-Diagnosegeräten. Hier sind lange Lebensdauer und hohe Laufruhe entscheidende Auswahlkriterien und auch mit Blick auf diese Anwendungen hat NSK die neuen Linearführungen der DH/DS-Serie entwickelt (Bild 4). Im Vergleich zum bisherigen Programm erreichen sie eine doppelt so hohe dynamische Tragzahl. Diese Steigerung verdankt sich mehreren konstruktiven Neuerungen, vor allem aber einem speziellen Werkstoff, dem NSK-eigenen TF-Stahl, und einer besonderen Wärmebehandlung. Diese Wärmebehandlung reguliert die Menge des Restaustenit-Anteils im Stahl, um die Ermüdungslebensdauer von Linearführungen zu erhöhen.

Medizintechnik – ein anspruchsvoller Zielmarkt

Genau betrachtet liegen die Anforderungen der Medizintechnik und zum Beispiel des Werkzeugmaschinenbaus oder der Halbleiterfertigung an Lineartechnik gar nicht so weit auseinander. Hohe Laufruhe und lange Lebensdauer sind schließlich keine ungewöhnlichen Kundenwünsche und der Bestückungsprozess von Leiterplatten ist nicht so weit entfernt von den Bewegungsabläufen in der Laboranalytik.

Bei der Medizintechnik kommt aber unter anderem hinzu, dass die Anwender auf dauerhaft hohe Verfügbarkeit angewiesen sind und Störungen oder Ausfälle an einer Anlage im Bedarfsfall nicht mit „Bordmitteln“ beheben können. Deshalb ist hier die uneingeschränkte Verfügbarkeit über lange Zeiträume ein entscheidender Faktor. Auch das hat die Covid19-Pandemie gezeigt: Bei jedem einzelnen der Millionen von Tests sollten die Ergebnisse so rasch wie möglich vorliegen. Das funktioniert nur, wenn die Analysegeräte rund um die Uhr mit höchstem Tempo arbeiten.

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* Eduardo Rodriguez ist Director Seiki Management Unit der NSK Deutschland GmbH in 40880 Ratingen, Tel. +49 2102 4810, info-de@nsk.com

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