Elektrische Miniaturantriebe
Die stille Revolution im Stator
Antriebe für die Medizintechnik müssen immer kleiner, leiser und energieeffizienter werden – und dabei höchste Präzision halten. Backlack-Verklebung und segmentierte Statoren sind der Schlüssel. Wie hochpräzise Elektroblechpakete chirurgische Instrumente, Robotik und Implantate neu definieren.
Roboter-Assistenzsysteme, chirurgische Handgeräte oder miniaturisierte Pumpen benötigen leistungsstarke Elektromotoren, die trotz geringen Bauraums nicht nur kraftvoll, sondern auch hochpräzise arbeiten. Bereits eine geringfügige Unwucht oder Geräuschentwicklung kann bei sensiblen Anwendungen die Genauigkeit beeinflussen; Wärmeentwicklung und Vibrationen müssen ebenso auf ein Minimum reduziert bleiben. Gleichzeitig steigen die Anforderungen an Energieeffizienz und thermische Stabilität, damit Geräte auch bei langen Einsatzzeiten zuverlässig funktionieren. Die Grenzen konventioneller Fertigungsmethoden werden dabei zunehmend sichtbar – insbesondere wenn sehr kleine oder komplexe Geometrien, enge Toleranzen und höchste magnetische Güte gefordert sind. Neue Fertigungs- und Paketierungsprozesse gewinnen deshalb an Bedeutung, die sowohl technische als auch regulatorische Anforderungen moderner Medizintechnik erfüllen.
Warum Präzision und Laufruhe entscheidend sind
»Der Trend geht klar zu immer kleineren, kompakteren und leiseren Antrieben«, erklärt Thomas Stäuble, CEO der Schweizer SWD AG, die sich auf die Produktion hochpräziser Stator- und Rotortechnik, u.a. für die Medizintechnik, spezialisiert hat. In chirurgischen Instrumenten, etwa Fräsen, Sägen oder Bohrern, sei die Kombination aus hoher Leistung, Vibrationsarmut und minimaler Erwärmung essenziell. Auch Geräte für die minimalinvasive Chirurgie setzen zunehmend auf elektrische Antriebe, die ohne störende Geräusche und mit maximaler Energieeffizienz arbeiten.
Ein weiteres Beispiel sind Blutpumpen oder kardiovaskuläre Assistenzsysteme, die im Dauerbetrieb laufen und selbst kleinste Temperaturanstiege vermeiden müssen. »Implantierbare oder körpernahe Systeme vertragen keinerlei Effizienzverluste, weil jede Erwärmung oder unnötige Reibung ein potenzielles Risiko darstellen kann«, so Stäuble. Gerade hier rücken aus diesen Gründen hochwertige Elektroblechpakete mit optimierten magnetischen Eigenschaften in den Mittelpunkt.
Backlack-Verklebung für präzise Statoren und Rotoren
Die Medizintechnik profitiert besonders von Fertigungsverfahren, die vollflächige Verklebungen nutzen und damit klassische Schweiß- oder Stanzprozesse hinter sich lassen. Beim sogenannten Backlack-Verfahren etwa werden die einzelnen Lamellen der Elektrobleche formstabil miteinander verbunden. Die resultierenden Blechpakete weisen eine deutlich erhöhte Steifigkeit und Präzision auf.
»Durch die vollflächige Backlackverklebung im Rahmen der Fertigungsverfahren etwa bei SWD werden Vibrationen und Geräusche erheblich reduziert«, erläutert Stäuble. Gleichzeitig ermögliche die hohe strukturelle Stabilität, dass Kupferwicklungen mit einem höheren Zug und in größerer Geschwindigkeit eingezogen werden können. Dies steigere den Kupferfüllfaktor und senke die Wickelzeit – ein besonderer Vorteil im Bau kompakter Hochleistungsantriebe.
Zusätzlich erlaubt die präzise Verklebung im Fall von SWD engere Luftspalte zwischen Stator und Rotor, was den Wirkungsgrad der Motoren erhöht. Vor allem in der Medizintechnik, wo es auf maximale Leistungsdichte und minimale Verluste ankommt, wird dieser Vorteil zu einem entscheidenden Differenzierungsmerkmal.
Segmentierte Statoren: Flexibilität und Materialeffizienz
Ein wesentlicher technologischer Vorteil ergibt sich durch segmentierte Statoren, die individuell bewickelt werden können. Diese Segmente lassen sich präzise fertigen, stabil fügen und kompakt verbauen.
»Segmentierte Statoren bieten enorme Vorteile hinsichtlich, Reproduzierbarkeit und Prozessgeschwindigkeit«, betont Stäuble. Einzelne Segmente können mit höherem Wickelzug und schneller verarbeitet werden, ohne dass die Struktur leidet. Dadurch lassen sich größere Kupferfüllfaktoren erzielen. Dies stellt einen entscheidenden Parameter für die Effizienz von Miniaturantrieben dar.
Die Medizintechnik profitiert hiervon gleich in mehrfacher Hinsicht: Einerseits ermöglicht die Segmentierung ultrakompakte Designs für minimalinvasive Instrumente. Andererseits verbessern sich Sicherheit und Performance, da die magnetischen Eigenschaften der Statoren durch das Verfahren optimiert werden.
Werkstoffvielfalt und Präzision für neue Antriebsgenerationen
Moderne medizinische Anwendungen erfordern oft Spezialwerkstoffe wie Kobalt-Eisen-Legierungen oder sehr dünne Elektrobleche, teilweise <0,1 mm. Solche Materialien bieten sehr geringe magnetische Verluste, stellen aber gleichzeitig hohe Anforderungen an Stanzbarkeit, Stanzpräzision und Prozessstabilität.
»SWD arbeitet bereits seit Jahren mit sehr dünnen Werkstoffen und kennt deren Besonderheiten genau«, sagt Stäuble. Präzise Stanzwerkzeuge und automatisierte Prozesse sorgen dafür, dass die Schnittkantenqualität hoch bleibt und magnetische Verluste minimiert werden. Das ist entscheidend für alle Anwendungen, die auf maximale Energieeffizienz angewiesen sind, wie etwa Implantate oder motorisierte Endoskopiesysteme.
Digitale Messsysteme und digitale Zwillinge stellen zudem sicher, dass jedes Bauteil dokumentiert und exakt reproduzierbar gefertigt wird. »Diese Rückverfolgbarkeit ist in der hochregulierten Medizintechnik unverzichtbar«, betont Stäuble.
Kleinserien, Spezialanforderungen und Wachstumsmärkte
Die Herstellungsverfahren spezialisierter Partner wie bspw. der SWD AG sind darauf ausgelegt, sowohl individuelle Kleinserien als auch mittlere Serienvolumina effizient zu fertigen. Gleichzeitig können dieselben Technologien für den Hochlauf größerer Produktionen skaliert werden.
»Unsere Spezialmaschinen etwa sind für Stückzahlen von etwa 1.000 bis 10.000 Bauteilen pro Jahr ausgelegt, lassen sich aber problemlos weiter automatisieren«, erklärt Stäuble. Erfahrungen aus Großserien – etwa in der E‑Mobility oder Robotik – fließen in die Prozesse ein und ermöglichen es, auch medizinische Anwendungen wirtschaftlich zu industrialisieren.
Von chirurgischen Werkzeugen bis zu bildgebenden Systemen
Miniaturisierte Statoren und Rotoren mit optimierten Eigenschaften eignen sich für ein breites Spektrum medizinischer Anwendungen, darunter:
- chirurgische Handgeräte mit hohen Drehzahlen,
- robotische Assistenzsysteme mit präzisen, vibrationsarmen Bewegungen,
- Blutpumpen und weitere kardiovaskuläre Systeme,
- Dentalgeräte, die zunehmend elektrische Antriebe anstelle von Druckluft nutzen,
- kompakte Motoren für Endoskopie, Pumpen und mikrofluidische Systeme.
In allen Fällen ermöglicht die Kombination aus Backlacktechnologie, segmentierten Statoren und präziser Prozesssteuerung eine neue Stufe der Leistungsfähigkeit.
Die Medizintechnik steht vor der Herausforderung, immer kleinere, leisere und energieeffizientere Antriebe zu realisieren. Innovative Fertigungsverfahren für Elektroblechpakete eröffnen hier neue technologische Möglichkeiten. Durch vollflächige Verklebungen, segmentierte Statoren, die Verarbeitung hochspezialisierter Werkstoffe und hochautomatisierte Produktionsprozesse entstehen Statoren und Rotoren, die Präzision, Performance und Stabilität in kompakter Form vereinen. Damit lassen sich moderne medizinische Anwendungen – von chirurgischen Werkzeugen über Robotik bis hin zu Implantaten – sicherer, leistungsfähiger und effizienter gestalten. (uh)
| Über die SWD AG |
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Die SWD AG mit Sitz in Densbüren (Schweiz) ist Spezialist für Stator- und Rotortechnik. Das Unternehmen entwickelt, produziert und realisiert modulare Maschinenkonzepte und Technologien für die Herstellung von Elektroblechpaketen. Dazu zählen unter anderem innovative Verfahren der automatisierten Segmentierung. Mit ihrem Know-how unterstützt SWD die Elektromobilität und neue Antriebskonzepte in verschiedenen Industrien, indem Effizienzpotenziale erschlossen und CO₂-Emissionen reduziert werden. International aktiv, begleitet SWD ihre Kunden von der Konzeption bis zur Umsetzung und schafft damit die Grundlage für zukunftsweisende Fertigungslösungen. www.swd-technology.com |
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