Geräuscharme Antriebstechnik Perfektes Klima für Neugeborene

Die Antriebstechnik spielt in der Medizintechnik eine wichtige Rolle.

Frühgeborene sind häufig noch nicht selbstständig überlebensfähig. Brutkästen schaffen die bestmöglichen Bedingungen für die Versorgung. Auch der Antriebstechnik kommt eine wichtige Rolle dabei zu.

Für die gesunde Entwicklung eines Babys ist es am besten, wenn es möglichst lange im Bauch der Mutter bleibt. Dank moderner Neonatalmedizin haben heute Babys aber schon ab der 25. Schwangerschaftswoche eine gute Chance, außerhalb des Mutterleibs zu überleben.

Etwa 80 % der Frühchen holen ihr Wachstumsdefizit sogar innerhalb der ersten zwei Jahre vollständig auf. Dies ist der modernen Technik zu verdanken. Allerdings muss die Technik, die in einem derart sensiblen Bereich eingesetzt wird, hohen Ansprüchen gerecht werden. Das gilt auch für die benötigten Antriebe.

Per Definition ist ein Inkubator ein Medizinprodukt, das kontrollierte Außenbedingungen für diverse Brut- und Wachstumsprozesse schafft und erhält. Dazu erzeugt er ein Mikroklima mit eng geregelter Luftfeuchtigkeit und -temperatur. Daneben bieten Inkubatoren verschiedene Möglichkeiten, um das Neugeborene bei der Ernährung zu unterstützen.

Ein Brutkasten simuliert also die physiologischen Bedingungen, die normalerweise im Mutterleib herrschen: konstante Wärme und gleichbleibende Luftfeuchtigkeit. Je nachdem, wie viel zu früh ein Kind geboren wird, sind seine Organe nicht vollständig entwickelt. Der kleine Körper ist also noch nicht in der Lage, seine Temperatur selbst zu regeln. Auch die Lungen sind noch nicht ausgereift. Damit sie genügend Sauerstoff aufnehmen können, benötigen sie zudem oft mit Sauerstoff angereicherte Luft.

Impeller für konstante Wärme

Das türkische Unternehmen Tende Elektronik stellt schon seit den 1990er-Jahren als OEM-Lieferant für andere Firmen Brutkästen für Frühgeborene her und verkauft die Produkte inzwischen auch unter eigenem Namen. Die Brutkästen werden mit genau temperierter und befeuchteter Luft versorgt (Bild 1). Diese wird durch einen Impeller, also einen von einem Gehäuse umschlossenen Propeller, in das Innere des Kastens befördert. Der Lüfter ist damit eine entscheidende Komponente für die Funktion des Inkubators und das Wohlergehen des Babys

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Impeller für konstante Wärme, Bilder 1-3

Impeller für konstante Wärme, Bilder 1-3

Ein Brutkasten kann jedoch nicht durchgehend geschlossen bleiben. Zur Pflege und Behandlung des Babys und natürlich für den Körperkontakt zu den Eltern wird der Brutkasten regelmäßig ganz oder teilweise geöffnet. Der Lüfter sorgt dann für einen »Luftvorhang«, der das Eindringen kälterer Luft weitgehend verhindert. Zugleich führt er mehr warme Luft zu, um den dennoch unvermeidlichen Temperaturabfall auszugleichen. Über die Drehzahl des Impellers (Bild 2) wird deshalb auch die Temperatur im Brutkasten geregelt.

Bei der Entwicklung des Inkubators wurden verschiedene Anforderungen an den Antrieb gestellt. Der Impeller samt Antrieb sollte langlebig sein, denn der Inkubator ist 24 h pro Tag in Betrieb und die Neonatalkliniken wollen die Geräte sehr lange nutzen. Ziel war eine Einsatzzeit von mindestens 10 Jahren.

Als Antriebe wurden letztlich bürstenlose DC-Servomotoren von Faulhaber ausgewählt, die sich durch ihre Langlebigkeit und Zuverlässigkeit auszeichnen. Der Motor 2232…BX4 SC (Bild 3) kommt in stationären und der 3153…BRC in mobilen Brutkästen zum Einsatz. Die Servomotoren mit Speed Controller der Serie 2232…BX4 SC haben einen Durchmesser von 22 mm, eine Länge von 32 mm und ein maximales Drehmoment von 17,5 mNm.

Leiser Antrieb für gesunde Ohren

Zudem war eine geringe Geräuschentwicklung gefordert, denn Lüfter und Antrieb werden permanent in der Nähe des Kindes betrieben. Wie die anderen Organe sind auch die Ohren des Frühchens noch nicht voll entwickelt und deshalb besonders empfindlich. Steigt der Lärmpegel über einen bestimmten, für Erwachsenenohren sehr niedrigen Wert, besteht die Gefahr dauerhafter Hörschäden.

Auch in dieser Beziehung punkten die Antriebe von Faulhaber, denn das eisenlose Design der Antriebe eliminiert das Rastmoment. Das Ruckeln bei jeder Umdrehung, das bei Elektromotoren mit Eisenanker unvermeidlich ist, kann konstruktionsbedingt nicht entstehen. Das Geräusch der elektromagnetischen Interferenz wird außerdem durch einen integrierten Speed Controller minimiert.

Denn eine weitere Geräuschquelle wäre die Pulsweitenmodulation (PWM): Durch sie wird die Stromversorgung des Motors in sehr kurzen Abständen an- und ausgeschaltet. Die Pulsweite – der Abstand zwischen den Schaltvorgängen und ihre jeweilige Dauer – beeinflusst die Drehzahl und erlaubt eine präzise Steuerung. Die PWM kann aber ein brummendes Geräusch verursachen. Dieses Elektrorauschen wird bei den im Brutkasten verwendeten bürstenlosen DC-Servomotoren durch die sehr hohe PWM-Frequenz sowie den Verzicht auf einen gesonderten Zuleitungsdraht zwischen Motor und Elektronik vermieden.

Antriebstechnik je nach Bedarf

Die Faulhaber-Gruppe mit ihren 1900 Mitarbeitern ist spezialisiert auf Entwicklung, Produktion und Einsatz von hochpräzisen Klein- und Kleinstantriebssystemen, Servokomponenten und Steuerungen bis 200 W Abgabeleistung. Dazu zählen die Realisierung von kundenspezifischen Komplettlösungen ebenso wie ein umfangreiches Programm an Standardprodukten, beispielsweise bürstenlose Motoren, DC-Kleinstmotoren, Encoder und Motion Controller.

Die Produkte von Faulhaber finden auch in komplexen und anspruchsvollen Anwendungsgebieten wie z.B. Medizintechnik, Fabrikautomation, Präzisionsoptik, Telekommunikation, Luft- und Raumfahrt sowie Robotik Verwendung. Vom leistungsstarken DC-Motor mit 200 mNm Dauerdrehmoment bis zum filigranen Mikroantrieb mit 1,9 mm Außendurchmesser umfasst das Standardportfolio des Unternehmens mehr als 25 Millionen Möglichkeiten, ein Antriebssystem zusammenzustellen.

 

Tiziano Bordonzotti hat bei Faulhaber die Zusammenarbeit mit Tende Elektronik koordiniert und die Entwicklung der kundenspezifischen Lösung organisiert. Er betont: »Entscheidend für eine möglichst geringe Geräuschentwicklung ist auch eine bestmögliche Balance und die sehr geringen Toleranzen der Einzelteile. Daraus resultieren die hervorragenden Laufeigenschaften der Motoren. Diese haben großen Anteil daran, dass die Inkubatoren von Tende Elektronik mit einem besonders niedrigen Geräuschpegel arbeiten, nämlich mit 42 bis 45 dB – das entspricht einem Flüstern. Für die präzise und zuverlässige Steuerung der Antriebe sorgt der Speed Controller. Da er integriert ist, bleiben die Einheiten sehr kompakt und leicht, was vor allem bei den mobilen Inkubatoren eine wichtige Rolle spielt.«

Neben der Qualität der Komponenten überzeugte Tende Elektronik auch die gute Zusammenarbeit, wie Tende-CEO Yildiz erklärt: »Faulhaber hat uns umfassend unterstützt und den für uns idealen Antrieb entwickelt. Die hohe Qualität der Motoren passt zur hohen Qualität unserer Inkubatoren. Ein weiterer Vorteil für uns ist, dass die Produktionsstätte der Motoren über die nötigen ISO-Zertifikate für Medizinprodukte verfügt und wir den Antrieb ohne zusätzlichen Zertifizierungsaufwand einbauen können.«

 

Die Autoren

 

Andreas Seegen

ist Leiter Marketing bei Faulhaber. Der Diplomingenieur (BA) ist seit 1999 für Faulhaber tätig; er arbeitete vorher als Produktmanager bei Endress+ Hauser Conducta.

 

 

 

 

 

 

Nora Crocoll

arbeitet seit 2005 für das Redaktionsbüro Stutensee. Die Diplomingenieurin (FH) studierte Technische Redaktion. In ihrer Diplomarbeit beschäftigte sie sich mit einer XML-basierten Arbeitsumgebung für Redaktionsleitfäden. Außerdem absolvierte sie ein Jahrespraktikum Fotografie und verfügt über praktische Erfahrungen in der Elektronikindustrie.