Miniatur-Kugelgewindetrieb für die Medizintechnik

Ein hochpräziser Miniatur-Kugelgewindetrieb von August Steinmeyer ist das Herzstück eines hochgenauen Blendenstellers für eine medizintechnische Röntgenquelle.  

Während einer CT-Aufnahme in einem Computertomographen rotiert die Röntgenquelle im Inneren des Ringtunnels mehrmals pro Sekunde um den Patienten. Infolge der hohen Beschleunigungen wirken dabei enorme Kräfte mit einem Vielfachen der Erdanziehung auf die Röntgenquelle und damit auch auf die Blende, die den Röntgenstrahl auf die minimal notwendige Strahlendosis einstellen. Die korrekte Justierung dieser Röntgenblende erfolgt mithilfe einer speziellen Verstelleinheit – dem Blendensteller.

Bei der Konstruktion des Blendenstellers müssen daher – neben dem Blendengewicht von 1,2 kg – auch die hohen Fliehkräfte berücksichtigt werden. „Wir mussten eine Lösung finden, die den rotationsbedingten Vibrationen und starken Beschleunigungen quer zur Bewegungsrichtung standhält und dabei den hohen Anforderungen an Betriebs- und Patientensicherheit sowie Zuverlässigkeit und Lebensdauer in der Medizintechnik gerecht wird. Das verlangte einen besonders stabilen Aufbau mit minimalen Fehlermöglichkeiten“, erinnert sich Elger Matthes, Entwicklung und Produktmanagement bei Steinmeyer Mechatronik. Das Dresdner Unternehmen zählt zu den führenden Herstellern von hochgenauen Positionierlösungen für optische und feinmechanische Systeme. Zur Kernkompetenz gehört dabei neben der Fertigung von Standardprodukten die Realisierung individueller Sonderprojekte. Gemeinsam mit ihren Kunden entwickeln die Positionierexperten innovative, auf die jeweilige Anwendung perfekt zugeschnittene Konzepte – so auch den robusten und zuverlässigen Blendensteller der Röntgenquelle, von dem sich seit vielen Jahren mehrere tausend Stück bestens in der Praxis bewähren.

Die Verstelleinheit misst gerade einmal 140 mm in der Länge, 80 mm in der Breite und 25 mm in der Höhe. Herzstück der kompakten Konstruktion ist ein geschliffener Miniaturkugelgewindetrieb. Er bildet zusammen mit einem Schrittmotor das Antriebssystem des Blendenstellers, den eine Profilschiene und ein Incremental-Encoder komplettieren. Der einfache Aufbau macht den hochpräzisen Blendensteller besonders robust, langlebig und zuverlässig.

Entwickler und Hersteller des Kugelgewindetriebs ist die August Steinmeyer GmbH & Co. KG. Das Unternehmen aus Baden-Württemberg ist auf die Entwicklung und Produktion hochgenauer Kugelgewindetriebe spezialisiert und bietet ein vielfältiges Lösungsspektrum für verschiedenste Branchen und Anwendungen. Die Spezialisten von August Steinmeyer arbeiten bei der Entwicklung eng mit ihren Kunden zusammen, um die besonderen Vorgaben zu erfüllen – so auch im Fall der Miniaturkugelgewindetriebe für den Blendensteller von Steinmeyer Mechatronik. Da beide Unternehmen zur Steinmeyer Gruppe gehören, waren die Wege besonders kurz, was die Zusammenarbeit zusätzlich begünstigte.

Bei der Entwicklung der Verstelleinheit war allen Beteiligten schnell klar, dass nur mit einem geschliffenen Kugelgewindetrieb die gewünschten Werte an Genauigkeit, Zuverlässigkeit und Steifigkeit erreicht werden würden. Folgerichtig wird ein speziell auf diese Anwendung ausgelegter, spielfreier Miniaturkugelgewindetrieb der Genauigkeitsklasse P3 in den Blendenstellern verbaut. Da die Verstellung der Blende nur eine vergleichsweise geringe Belastung für den Miniaturkugelgewindetrieb bedeutet, kommt er mit drei Kugelumläufen aus.

August Steinmeyer stimmte auch das verwendete Schmiermittel sowie die Art der Schmierung eng mit Steinmeyer Mechatronik ab. So wird für den Kugelgewindetrieb in der Verstelleinheit die Lebensdauerschmierung „Longtime“ verwendet. Ein spezieller Abstreifer war nicht erforderlich, da die Abdichtung über das Gesamtsystem erfolgt.

Für die exzellenten Laufeigenschaften des Kugelgewindetriebs sorgt die innovative Optislite-Technologie von August Steinmeyer. Sie minimiert die Oberflächenrauheit der Spindellaufbahn und beseitigt Unregelmäßigkeiten nahezu vollständig. Im Vergleich zu Standardspindeln verbessert das Verfahren die Oberflächengüte Rz um 60 %. Gleichzeitig nimmt der Materialtraganteil Rmr (c) um 70 % zu. Das Ergebnis sind merklich verbesserte Laufeigenschaften und ein reduzierter Geräuschpegel bei hohen Drehzahlen. Unter anderem diese geringe Geräuschentwicklung prädestiniert geschliffene Kugelgewindetriebe für den Einsatz in der Medizintechnik. Doch durch Optislite verbessert sich auch die Schmierwirkung und die Gleichmäßigkeit des Leerlaufdrehmoments steigt.

„Da für den Einsatz im Blendensteller der Röntgenquelle neben einer hohen Belastbarkeit vor allem eine lange Lebensdauer und eine enorme Zuverlässigkeit essenziell sind, wurden speziell diese Eigenschaften von uns in umfangreichen Tests nachgewiesen und geprüft“, erklärt Wolfgang Klöblen, Entwicklungsleiter bei August Steinmeyer.

„Der geschliffene Miniaturkugelgewindetrieb hat seinen Preis, ist in der Summe aber dennoch günstiger als eine aus mehreren Teilen bestehende Kompromisslösung“, erklärt Elger Matthes. Die langlebigen Kugelgewindetriebe lassen sich extrem feinfühlig einstellen und gewährleisten problemlos die hohe Positioniergenauigkeit des Blendenstellers (unidirektional = ± 1,4 µm, bidirektional unidirektional = ± 2,5 µm). Nicht zuletzt deshalb bewähren sich die mehrere tausend Blendensteller von Steinmeyer Mechatronik seit vielen Jahren Stück bestens in der Praxis.

Die August Steinmeyer GmbH & Co. KG wurde 1920 von August Steinmeyer als feinmechanische Werkstätten gegründet und blickt heute auf eine 100-jährige Firmengeschichte zurück. Das Unternehmen spezialisierte sich zunächst auf die Herstellung von Mikrometern. Doch seit den 1960er Jahren werden am Standort Albstadt hochpräzise Kugelgewindetriebe produziert. Somit verfügt der Hersteller über eine langjährige Erfahrung bei der Entwicklung, Fertigung und Anwendung der komplexen Komponenten. Typische Applikationen für Kugelgewindetriebe finden sich im Werkzeugmaschinenbau, der Mechatronik, der optischen Industrie, der Medizintechnik und in der Luft- und Raumfahrtindustrie. Das Unternehmen mit Sitz im baden-württembergischen Albstadt gehört zur Steinmeyer-Gruppe. Diese beschäftigt heute rund 680 Mitarbeiter und zählt namhafte Unternehmen aus aller Welt zu ihren Kunden.