2019/02 | Steinmeyer Mechatronik entwickelte eine Bewegungseinheit für Computertomographen, die die 1,2 Kilogramm schweren Blenden vor der Röntgenquelle so bewegt, dass der Röntgenstrahl auf die minimal notwendige Strahlendosis eingestellt werden kann.
Blendend positioniert
Hochpräziser Blendensteller für die Computertomographie von Steinmeyer Mechatronik
Als Spezialist für kundenspezifische Sonderlösungen verfügt Steinmeyer Mechatronik über langjährige Expertise bei der Entwicklung von innovativen und individuellen Positioniersystemen. Dass dabei weniger oft mehr ist, stellt der Blendensteller für einen Hersteller von Computertomographen eindrucksvoll unter Beweis.
Im Grunde genommen besteht ein Positioniersystem lediglich aus vier Hauptkomponenten: Motor, Gewindetrieb, Führung und Feedbacksystem. Ganz so einfach, wie es auf den ersten Blick scheint, ist es dann aber doch nicht. Denn für jeden Baustein steht eine ganze Reihe höchst unterschiedlicher Prinzipien und Varianten zur Verfügung. Welche davon letztendlich zum Einsatz kommen, hängt von zahlreichen Faktoren ab. Ausschlaggebend für die Wahl sind unter anderem die zu bewegende Last, die benötigte Genauigkeit und der vorhandene Bauraum. Auch Aspekte wie die Umgebungsbedingungen und der gewünschte Kostenrahmen spielen eine Rolle. Die besondere Kunst liegt dann auch in der optimalen Auswahl und Kombination der einzelnen Komponenten. Ziel ist dabei das applikationsspezifische Optimum aus Genauigkeit, Geschwindigkeit und Preis.
Spezialist für hochgenaue Positioniersysteme
Steinmeyer Mechatronik beherrscht diese Kunst perfekt. Seit mehr als 145 Jahren gilt der Name als Inbegriff von Qualität und Präzision. Längst hat sich das Dresdner Unternehmen weltweit als einer der führenden Hersteller von hochgenauen Positionierlösungen für optische und feinmechanische Systeme einen Namen gemacht. Zur Kernkompetenz gehört dabei neben der Fertigung von Standardprodukten die Realisierung individueller Sonderprojekte. Gemeinsam mit dem Kunden entwickeln die Positionierexperten innovative, auf die jeweilige Anwendung perfekt zugeschnittene Konzepte. Ob einzelnes Funktionsmuster, Projekte mit Stückzahlen von einigen Dutzend oder Serien mit mehreren tausend Exemplaren im Jahr – Steinmeyer Mechatronik stattet alle Produkte mit der notwendigen Steuerung aus, testet sie nach Kundenkriterien auf Herz und Nieren und liefert die Positioniersysteme vollständig montiert.
Das Geheimnis der hohen Innovationskraft? Elger Matthes, Entwicklung und Produktmanagement bei Steinmeyer Mechatronik, bringt es auf den Punkt: „Wichtig ist, Probleme immer wieder neu zu durchdenken, etablierte Lösungen zu hinterfragen und über den eigenen Tellerrand hinauszuschauen. Zum Ziel kommen wir nur, wenn wir die bessere Lösung über die Gewohnheit stellen und die Einfachheit mehr schätzen als Komplexität.“ Wie das in der Praxis aussieht, zeigt der Blendensteller, den Steinmeyer Mechatronik für einen Kunden im Bereich Medizintechnik realisiert hat.
Es geht rund
Die Aufgabe bestand darin, eine Bewegungseinheit für einen Computertomographen zu entwickeln, die die 1,2 Kilogramm schweren Blenden vor der Röntgenquelle so bewegt, dass der Röntgenstrahl auf die minimal notwendige Strahlendosis eingestellt werden kann. Die Verstelleinheit ist im Inneren des Ringtunnels (auch Gantry genannt) untergebracht und rotiert während der CT-Aufnahmen kontinuierlich um den Patienten – und zwar mehrmals pro Sekunde. Infolge der hohen Beschleunigungen wirken enorme Kräfte mit einem Vielfachen der Erdbeschleunigung auf die Blenden und den Blendensteller. Das kann Material und Konstruktion schnell an ihre Grenzen bringen. „Wir mussten also eine Lösung finden, die diesen rotationsbedingten Vibrationen und starken Beschleunigungen quer zur Bewegungsrichtung standhält und dabei den hohen Anforderungen an Betriebs- und Patientensicherheit, Zuverlässigkeit sowie Lebensdauer in der Medizintechnik gerecht wird“, blickt Matthes zurück. „Das verlangte einen besonders stabilen Aufbau mit minimalen Fehlermöglichkeiten.“
Genial einfach, einfach genial
Erreicht wurde dies durch eine bis ins Detail durchdachte Wahl der Komponenten sowie eine verblüffend simple Struktur. „Über die Jahre hinweg haben wir in einem mehrstufigen Prozess die Konstruktion soweit vereinfacht – man kann auch sagen „vollendet“ –, dass sie immer robuster und damit zuverlässiger geworden ist“, erklärt Matthes. Ganz nach dem Motto: Was nicht da ist, kann auch nicht kaputtgehen. Ziel war ein absolutes Minimum an Teilen und zu bearbeitenden Flächen, ohne Abstriche in puncto Qualität und Performance machen zu müssen. So wird beispielsweise die Spindel von zwei Lagern „in die Zange“ genommen statt von einer klassischen Festlager-Loslager-Anordnung gehalten. Auch von anfangs zwei Führungen blieb letztendlich nur eine übrig. „Das ist harte Entwicklungsarbeit. Probleme, komplex zu lösen, ist relativ einfach. Die eigentliche Herausforderung dagegen liegt im Einfachen“, so Matthes. „Dazu braucht es jahrelange Erfahrung und viel Know-how.“ Das Ergebnis überzeugt: Die Kombination aus Schrittmotor, geschliffenem Kugelgewindetrieb, Profilschiene und Inkremental-Encoder meistert die anspruchsvolle Aufgabe im Computertomographen mit Bravour und hat sich mit mehreren tausend Stück seit vielen Jahren bestens in der Praxis bewährt.
Geschliffene Präzision
Herzstück der kompakten Konstruktion mit Abmessungen von 140 mm in der Länge, 80 mm in der Breite und 25 mm in der Höhe ist der geschliffene Kugelgewindetrieb. Zusammen mit einem Schrittmotor bildet er das Antriebssystem der Verstelleinheit. „Nur mit einem geschliffenen Kugelgewindetrieb erreichen wir die gewünschten Werte an Genauigkeit, Zuverlässigkeit und Steifigkeit“, stellt Elger Matthes klar und ergänzt: „Er hat zwar einen stolzen Preis, ist in der Summe aber dennoch günstiger als eine aus mehreren Teilen bestehende Kompromisslösung.“ Die langlebigen Präzisions-Kugelgewindetriebe lassen sich extrem feinfühlig einstellen und gewährleisten die hohe Positioniergenauigkeit des Blendenstellers (unidirektional = ± 1,4 µm, bidirektional unidirektional = ± 2,5 µm). Von Vorteil ist dabei, dass die sächsischen Positionierspezialisten mit dem Unternehmen Steinmeyer in Albstadt (Baden-Württemberg), die ebenfalls Teil der Steinmeyer Gruppe sind, den direkten Draht zum führenden Hersteller von hochpräzisen Kugelgewindetrieben haben.
Und was sprach für den Schrittmotor? „Wir brauchten ein hohes Moment, extreme Zuverlässigkeit und einen geringen Preis – da ist der Schrittmotor einfach unschlagbar“, erklärt Matthes. Schrittmotoren können auch ohne Sensoren zur Positionsrückmeldung genau betrieben werden. Zur Erhöhung der Betriebs- und Patientensicherheit wurde allerdings auf den Open-Loop-Modus verzichtet und mit einem zusätzlichen Encoder ein inkrementelles Messsystem implementiert. Dieser erfasst die Drehbewegung des Motors und überwacht so den Öffnungsgrad und die Position der Blenden. Weiteres Plus: Dank des Encoders lässt sich der Schrittmotor in den Servomodus schalten und erreicht so höhere Geschwindigkeiten und Beschleunigungen.
Anspruchsvolle Serienfertigung für die Medizintechnik
Durch ständige Anpassungen und Optimierungen in der laufenden Serie konnte der Blendensteller über viele Jahre immer weiter verbessert und an sich ändernde Kundenbedürfnisse angeglichen werden. So haben sich allein die Anforderungen an die Geschwindigkeit – und damit die Mess- bzw. Scanzeit – längst verdoppelt. Auch sind aus ursprünglich einem Produkt inzwischen mehrere hervorgegangen, zum Beispiel für höhere Lasten oder unterschiedliche Verfahrwege. Diese hohe Flexibilität kommt nicht von ungefähr. Von der Entwicklung über die Fertigung und Montage bis hin zur Testabteilung erfolgt der komplette Prozess unter einem Dach. „Das gibt uns die Möglichkeit, unkompliziert auf Kundenwünsche zu reagieren und individuell zugeschnittene Lösungen innerhalb kürzester Zeit zu realisieren“, hebt Matthes hervor. „Bei uns bekommen die Kunden sowohl die Kernkomponente – nämlich den Gewindetrieb – als auch die Konstruktion und die Serienlieferung aus einer Hand. Das hebt uns klar vom Wettbewerb ab.“ Dabei ist das Einhalten der hohen Qualität im Seriengeschäft bei absoluter Zuverlässigkeit der Funktion auch bei tausenden gelieferten Einheiten garantiert.
Zuverlässig, langlebig, hochpräzise und dabei überraschend schlicht im Aufbau: Der Blendensteller für die Computertomographie steht beispielhaft für die hohe Lösungskompetenz und die branchenspezifischen Fähigkeiten von Steinmeyer Mechatronik bei der Entwicklung medizintechnischer Positioniersysteme und zeigt: Weniger kann wirklich mehr sein. Denn Einfachheit erzeugt Robustheit und damit Zuverlässigkeit.
Autor: Christoph John, Konstruktionsleiter, Steinmeyer Mechatronik
