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Lineare Bewegung als Lebensader in der Medizin

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Spezifische Design- und Betriebsherausforderungen in medizinischen und Reinraumanwendungen.

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Linear bewegter XYZ-Tisch für die Probenpositionierung

Hersteller von biowissenschaftlichen, medizinischen und biomedizinischen Geräten müssen sich ständig um Verbesserungen bei fortschrittlichen Technologien, Arbeitsabläufen und Prozessen bemühen, um dem Wettbewerbsdruck und dem Marktwachstum standzuhalten. Der Fortschritt darf sich jedoch nicht nur auf die Ausweitung des Erfolgs konzentrieren, sondern muss auch die Präzision, Zuverlässigkeit und Funktionalität während des Betriebs sicherstellen, d. h. die Vermeidung von Ausfällen während des Betriebs.

Die Vernachlässigung von Verbesserungen und Sicherheitsvorkehrungen bei einer scheinbar unbedeutenden Komponente von linearen Antriebssystemen im Prozess kann Folgen haben, die von unangenehm bis katastrophal reichen. Sowohl die Hersteller als auch die Anwender müssen wachsam bleiben.

Mit dem richtigen Augenmerk können Linearsysteme der nächsten Generation spezifiziert, konstruiert, installiert und gewartet werden, um die Vorteile von biowissenschaftlichen, medizinischen und biomedizinischen Geräten in lebenswichtigen und sogar lebensrettenden Anwendungen zu fördern und sicherzustellen.

Konsequenzen

Da eine zuverlässige lineare Bewegung eine betriebliche Notwendigkeit ist, müssen Gerätehersteller und -nutzer selbst relativ seltene Ausfallrisiken bei linearen Bewegungskomponenten oder -systemen während des gesamten Prozesses überwachen. Dies betrifft Geräte von der DNA-Sequenzierung über Bioprinting bis hin zu Rasterkraftmikroskopen (AFM).

Es steht viel auf dem Spiel.

Der Ausfall eines einzigen Bauteils oder Systems kann die Benutzer von Anlagen Hunderttausende von Dollar kosten, selbst wenn die Ausfallzeit nur relativ kurz ist. Je nach Standort, Schwere des Ausfalls und Reaktionszeit für Reparatur oder Ersatz können die Kosten sogar noch viel höher ausfallen.

Das Sicherheitsrisiko für das Personal ist ein weiteres vorrangiges Anliegen. Auch wenn es selten vorkommt, können Konstruktionsfehler oder die Nichtbeachtung betrieblicher Sicherheitsvorkehrungen zu Quetschstellen oder Durchdrehern führen und Schäden verursachen, die von Quetschverletzungen bis hin zu Stromschlägen reichen.

Spezifikation und Konstruktion

Die Fertigungseinrichtungen für lineare Bewegungen sind vollständig ISO-zertifiziert, um die Konsistenz aller wichtigen Prozesse zu gewährleisten. Darüber hinaus lassen sich durch den sorgfältigen Bau von Prototypen Schritte aufdecken, die für die Leistung und Zuverlässigkeit der fertigen Bewegungskomponente oder des Systems entscheidend sind. Wenn einer der vielen kleinen, entscheidenden Schritte bei der Montage oder Prüfung fehlt oder nicht korrekt ausgeführt wird, kann dies letztlich zu einem Ausfall des Systems in der Praxis führen.

Viele Hersteller legen auch Zielvorgaben fest, die sich auf viele Jahre zuverlässigen Betriebs beziehen, bevor ein Upgrade der Ausrüstung erforderlich wird. Daher ist es wichtig, die Lebensdauer der Komponenten richtig zu berechnen. Da die Arbeitszyklen von Anwendung zu Anwendung variieren können, wird die Lebensdauer für viele lineare Bewegungskomponenten in zurückgelegten Kilometern angegeben. Der Hersteller von Lineartechnik muss diese Berechnung dann in verschiedene Entscheidungen über das Produkt umsetzen.

Für ein weit verbreitetes Kabel werden beispielsweise mehr als 10 Millionen Biegezyklen angegeben, wenn ein Biegeradius von 50 mm oder mehr eingehalten wird. Wenn der Biegeradius jedoch nicht korrekt bemessen ist, könnten vom Kabel herabfallende Partikel oder die Belastung der Kabelbahnen oder Steckverbinder zu einem frühzeitigen Ausfall des Prozesses führen (insbesondere, wenn die Wartungspläne nicht strikt eingehalten werden).

Individuelle Anpassung in Betracht ziehen

Teile von der Stange spielen in vielen Gerätebaugruppen eine entscheidende Rolle. Ein Problem besteht beispielsweise darin, dass ein Lineartischelement aus dem Lagerbestand möglicherweise nicht für die genaue Kombination anderer Komponenten und Strukturen konzipiert und konstruiert wurde, die der Lieferant zusammenbaut. Unerwartete Inkompatibilitäten können auftreten.

Die Frage ist: Wird ein Hersteller bei seinen routinemäßigen Konstruktions-, Qualitätskontroll- und Prüfprotokollen auf Probleme stoßen? Wahrscheinlich. Aber nicht sicher.

Oft können nur kundenspezifische Angebote die Ziele spezifischer Leistungs- und Konstruktionsanforderungen erfüllen. Sie ermöglichen es dem Hersteller, sich auf die Konstruktionsaspekte des Verstellers zu konzentrieren, die für die Anwendung erforderlich sind, und insbesondere Faktoren von der Geschwindigkeit über die Beschleunigung bis zur Stabilität anzupassen. Sie können sogar die Kosten senken, indem sie nicht benötigte Funktionen eliminieren, die bei einem Standardtisch standardmäßig vorhanden sind. Und sie gewährleisten eine integrierte Lösung ohne versteckte Inkompatibilitäten.

Lieferanten sollten darauf achten, dass der Hersteller der linearen Bewegung ihre Bestellung wirklich vom Datenblatt bis zum Prototypenbau kontrolliert. Eine solche intelligente Anpassung ist unerlässlich, um Produktmängel zu erkennen und zu beseitigen, Integrationsblockaden zu vermeiden und Ausfälle zu verhindern.

Spezifizieren Sie Produkte mit der genauen Größe, Form, Beschichtung oder dem Material, das die Aufgabe erfordert. Und bestehen Sie auf Lösungen, die die speziellen Anforderungen an Genauigkeit, Geschwindigkeit, Ebenheit, Vorspannung (zur Erhöhung der Steifigkeit durch Eliminierung interner Spielräume), Lebensdauer, Wartungsaufwand und Preis erfüllen.

Manchmal können auch innovativere Materialien dazu beitragen, die Risiken bei bestimmten Sonderkonstruktionen zu verringern. So kann beispielsweise die Konstruktion aus Kohlefaser die strukturelle Festigkeit, Steifigkeit und Stabilität (trotz des geringeren Gewichts und der geringeren Dicke) optimieren. Gleichzeitig können Keramiklager eine praktikable Lösung für bestimmte Schmierprobleme sein.

Vorsichtige Handhabung

Sobald eine lineare Bewegungskomponente, die für eine bestimmte Anwendung bestimmt ist, beim Gerätehersteller eintrifft, können weitere Risiken auftreten.

Die Hersteller von Lineartechnik können gerufen werden, um eine Vielzahl von Problemen zu lösen, die in diesem Zwischenstadium auftreten. Zum Beispiel kann ein Linearmotor ein Problem mit der Bindung haben, bei dem die Spule, die sich innerhalb der Motorschiene bewegt, während des Laufs an der Schiene reibt. Die Ursache hierfür kann ein Handhabungsproblem sein, das durch Erschütterungen verursacht wird, die die Spule oder die Schiene geringfügig aus der Ausrichtung bringen. Es ist möglich, dass der Sattel - das Segment der beweglichen Bühne - angestoßen wird und sich dadurch verzieht. Beim Bau des größeren Werkzeugs können zu lange Schrauben angebracht werden, die sich durch eine Linearbewegungsplatte in eine andere schieben, was zu Kratzern und dem Risiko unvorhersehbarer Kräfte während des Betriebs führt. Es ist auch möglich, dass eine Spule aus ihrer Halterung herausgeschraubt wird, um Zugang zum Verlegen eines zusätzlichen Kabels zu erhalten, und dann falsch wieder angeschraubt wird.

Solche Missgeschicke bergen Risiken, die von einer leichten Verschlechterung der Leistung bis hin zu durchgebrannten Motoren und größeren Ausfallzeiten reichen. Auch die Oberflächenvorbereitung verdient große Aufmerksamkeit. Die Toleranzen müssen in allen Einzelheiten übereinstimmen.

In einigen Fällen kann ein Hersteller, der Werkzeuge für diese Prozesse herstellt, eine lineare Bewegungskomponente beziehen, die für eine Ebenheit des Verfahrwegs von z. B. 0,0005 Zoll ausgelegt ist. Der Werkzeughersteller schraubt diese Komponente dann aber an eine größere Baugruppe mit einer Ebenheit von nur 0,005 Zoll. Die daraus resultierende Verdrehung des Tisches kann fast unmerklich sein. Dies kann z. B. zum Verklemmen der Lager führen, was einen vorzeitigen Verschleiß der Lager, zusätzliche Kräfte auf die Kugelumlaufspindel oder einen höheren Leistungsbedarf der Linearmotoren zur Folge hat, was zu einer übermäßigen Überhitzung und einem möglichen Ausfall führt.

Geerdet werden

Eine weitere Vorsichtsmaßnahme, die Hersteller ergreifen können, um zukünftige Probleme zu vermeiden, ist die Sicherstellung einer ordnungsgemäßen elektrischen Erdung aller Komponenten im Linearsystem. Ein solches Versäumnis kann zu einem Stromschlag für die Bediener führen. Es kann aber auch Auswirkungen auf die Systemleistung haben.

Eine Erdungsschleife im System, die über den Erdungspfad zurückgeführt wird, könnte zu falschen Messwerten im Messgerät führen, so dass ein Bauteil sich nur 1 mm bewegt, die Steuerung aber einen Weg von 100 mm registriert. Wird dieses Versehen übersehen, kann die Positionsgenauigkeit zu Fehlern in den Messwerten der Instrumente führen, was wiederum eine ungenaue Analyse zur Folge hat.

Transport und Einbau

Die relativ geringe Widerstandsfähigkeit von linearen Bewegungssystemen gegenüber Stoßbelastungen wurde bereits erwähnt. Die wichtigsten Gefahrenpunkte treten naturgemäß in drei Zeiträumen auf:

1. Während des Transports vom Lieferanten der Linearsysteme zum Werkzeughersteller;

2. Bei der Ankunft und dem Einbau des Systems in das Werkzeug;

3. Während des Transports der fertigen Ausrüstung zum Produktionsstandort und der Installation.

Ein zuverlässiger, erfahrener Lieferant von Lineartechnik kann das Risiko von Stoßschäden in der ersten Phase erheblich verringern. Die Experten der Zulieferer können frühzeitig die Platzverhältnisse in der Fertigung ermitteln, so dass sie keinen Tisch konstruieren, der zu groß oder zu schwer ist, um in einem Reinraum oder in der Fertigungshalle problemlos montiert werden zu können. Sie können auch den Einsatz von Transportmitteln (Kräne, Rollwagen usw.) planen, so dass der Tisch sicher von der Kiste zum Werkzeug transportiert werden kann und das Verletzungsrisiko für das Personal vor Ort sowie die Gefahr von Beschädigungen durch Stöße minimiert wird.

Schließlich kann das lineare Bewegungssystem oder der betreffende Teil des Werkzeugs während der Installation mit den erforderlichen passiven Isolierungsmaßnahmen (z. B. Elastomerfüße oder -pads) oder aktiven Isolierungsdämpfern (sensorgesteuerte Airbag-Systeme) ausgestattet werden, um die Gefahr übermäßiger Stöße oder Vibrationen während des späteren Betriebs zu verringern.

Im Reinraum

Sowohl in der ersten als auch in der zweiten Phase sollte der Linearbewegungslieferant bei der Konstruktion von Transportkisten und Verpackungssystemen bewährte Verfahren anwenden. Ein führender Anbieter verpackt beispielsweise das System in zwei Beutel, von denen einer unter Stickstoffatmosphäre und der zweite in einem Reinraum transportiert wird. Für den Transport werden dann spezielle Aufhängungen und Wagen für empfindliche Transporte bereitgestellt.

In der dritten Phase, wenn das System von oben auf die Werkzeugbaugruppe aufgesetzt wird, kann der Kran des Werkzeugbauers ausreichen. Ist jedoch ein schwierigeres Manöver mit seitlicher Beladung erforderlich, stellt der Lieferant eine spezielle Kammerkiste zur Verfügung, die bis zur Montage an der Seite des Werkzeugs angeschraubt werden kann.

Schmierung

Obwohl lineare Bewegungssysteme in der Regel Zyklus für Zyklus ohne Probleme oder besondere Aufmerksamkeit laufen, ist ein kleiner Teil der regelmäßigen Wartung immer wichtig. Hier gibt es drei Schlüssel für eine effektive Wartung: Schmierung, Schmierung und Schmierung.

Jeder Anbieter von Linearsystemen liefert sein Produkt mit einem bestimmten Nachschmierzyklus aus. Da es jedoch in der Natur des Menschen liegt, lassen sich viele Probleme darauf zurückführen, dass dieser empfohlene Zyklus einfach nicht eingehalten wird. Ohne die erforderliche Schmierung nehmen die Reibungsbelastungen zu und führen schließlich zu äußerst unerwünschten Ereignissen, wie z. B. dem Abschalten oder Durchbrennen des Motors.

Andere Probleme mit der Schmierung sind ein vorzeitiges Versagen der Lager, was zu Leistungseinbußen in Bezug auf Geradheit, Ebenheit, Neigung, Roll- und Gierwinkel führt.

Es ist wichtig, für jede Maschine nur das richtige Schmierfett zu verwenden. Achten Sie darauf, dass Sie niemals unverträgliche Öle oder Fette mischen. Dies gilt auch für die Verwendung unterschiedlicher Fette, wenn eine Maschine von einem Zyklus zum nächsten gewartet wird. Dadurch ändert sich die erforderliche Viskosität, was oft zur Bildung eines gummiartigen, zementartigen Materials führt, das in empfindlichen Geräten nicht erwünscht ist. Wenn das Material auch noch Partikel von einem zu stark gebogenen Kabel, einer Energieführung oder sogar von anderen Stellen enthält, kommt es in der Regel bald zum Ausfall der Schiene.

Fahrplan für die Leistung

Als Reaktion auf die Anforderungen der Gerätehersteller arbeiten die Hersteller von Lineartechnik kontinuierlich daran, die Leistungsgrenzen zu erweitern. Zunächst müssen sie jedoch sicherstellen, dass alle Verbesserungen nicht unbeabsichtigt das Risiko von Ausfällen bei linearen Bewegungen erhöhen.

Ein guter Anbieter von Lineartechnik wird eine "Leistungs-Roadmap" vorlegen, in der Elemente des Systems hervorgehoben werden, die nicht nur für die aktuellen Anforderungen, sondern auch für die nächste Generation von Anwendungen ausgelegt werden können. Dieses Engagement ist besonders wichtig bei der Herstellung von fortschrittlicher Life-Science-, Medizin- und Biomedizintechnik.

Linearbewegungssysteme sind vielleicht nicht die auffälligsten Elemente in den meisten Geräten der Spitzentechnologie, und für die meisten Benutzer stehen sie auch nicht im Mittelpunkt des Interesses. Ihr Ausfall kann jedoch schwerwiegende Folgen für alle Beteiligten haben. Glücklicherweise kann durch die richtige Beachtung von Konstruktion, Installation, Betrieb und Wartung sichergestellt werden, dass lineare Bewegungssysteme eine entscheidende Rolle für den weiterhin kritischen - und vielleicht sogar lebensrettenden - erfolgreichen Betrieb der modernsten biowissenschaftlichen, medizinischen und biomedizinischen Geräte spielen.