„Metallische Muskeln“ eröffnen ungeahnte Möglichkeiten

MED Geräte Nanotechnik
Formgedächtnislegierungen (FGL) dienen der Fertigung vielfältiger
Halbzeuge, die als Rohr, Draht oder Flachbleche weiterverarbeitet
werden. Elektrisch ansteuer- und sensierbar, um eine Sensor/AktorKombination auf kleinstem Raum darzustellen.
„Metallische Muskeln“
eröffnen ungeahnte
Möglichkeiten
ekannt geworden sind die FGL-Materialien in der Medizintechnik maßgeblich aufgrund ihres pseudoelastischen Verhaltens. Das heißt, das Material kehrt wiederholbar, ohne Temperaturänderung, beim Entlasten seiner
inneren Spannung wieder in die Ursprungsform zurück. Halbzeuge in der Medizintechnik werden zu Stents, Gide wires
oder in der Dentaltechnik zu Speed Brackets weiterverarbeitet
und sind dort als Industrie-Standard etabliert.
B
In der Automobil-Industrie werden seit mehr als zehn Jahren
bis zu 15 Millionen Fluidikventile jährlich produziert. Die
Fluidikventile können Gase und Flüssigkeiten sehr genau proportional dosieren und sind gegenüber vergleichbaren nichtproportionale Elektromagnetventilen in Bezug auf Gewicht
und Raumbedarf um Faktoren kleiner. Diese Ventiltechnik
wird aufgrund seines hohen Automatisier- und Skaliergrads
nach wie vor in Deutschland weiter entwickelt und gefertigt.
Weniger bekannt ist, dass diese FGL-Materialien zusätzlich
elektrisch ansteuer- und sensierbar und damit in der Lage
sind, eine Sensor/Aktor-Kombination auf kleinstem Raum
darzustellen. Darüber hinaus sind die erfolgreichen Umsetzungen dieser Fähigkeiten in Serienprodukte in der Automobil- und Smartphone-Industrie nicht breit veröffentlicht.
Noch kleiner und präziser arbeitet die FGL-Technologie in Verstellmechanismen, integriert in Smartphone Kameras. Um
ein Gefühl dafür zu entwickeln, welche Dimensionen dabei erreicht werden, seien ein paar Dimensionsangaben – als Beispiel die vom Komplexitätsgrad einfachste Verstellung, der
Fokusiereinrichtung - aufgeführt: Ein 25 μm dicker FGL-
MEDengineering 11-12/2015
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Draht bewegt die 6-teilige 6,5 mm durchmessende Linse, in
der 8 x 8 mm großen Kamera senkrecht zum Bildsensor um
0,4 mm auf und ab. Der gesamte Verstellweg wird in weniger
als 50 Millisekunden durchlaufen. Die 50 anzufahrenden
Einzelpositionen regelt das System in weniger als 20 μsec mit
einer Genauigkeit von 3 μm ein. Selbstredend sind für diese
Applikationen extrem hohe Schaltzyklen (> 1 Million) und ein
breit angelegter Temperaturbereich vorausgesetzt.
Komplexere Verstellungen in der Smartphone Kamera bewegen
das gesamte Kameramodul mit Hilfe von vier hauchdünnen
FGL Drähten in zwei Achsen, um z. B. eine Bildstabilisierung zu
realisieren. Eine aktuell nur durch FGL realisierbare Verstellung zielt auf einschwenkbare Farbfilter, die eine selektive Auswahl an Farbbandbreiten zum Bildsensor gewährleisten – dies
wird mit einer maximalen Aufbauhöhe von 0,5 mm erreicht.
Die eigentlich entscheidenden Faktoren zur Auswahl von Aktuatoren, die mit FGL Technologie angetrieben werden, sind
schnell zusammengefasst. Die FGL Technologie schlägt herkömmliche Technologien in folgenden Punkten:
+
+
+
+
Gewicht – FGL-Antriebe sind mehr als 5-mal leichter als
herkömmliche elektromotorische/-magnetische Antriebe
Lautstärke – der eigentliche Antrieb ist vollkommen geräuschfrei
Formfaktor – in aller Regel nutzt man Drähte dünner als
ein menschliches Haar, um große Kräfte zu entfalten, die
hoch in die Mechanik integriert werden sollen
EMV – der Draht wirkt als rein ohmscher Verbraucher und
entwickelt bei korrekter Ansteuerung minimalste elektromagnetische Abstrahlung
Des Weiteren ist man heute in der Lage, die Verstell-Position
sehr genau über den Draht-Widerstand zu ermitteln, was zusätzliche Positionssensoren überflüssig macht. Neben dem
reinen Kostenvorteil, ist es der Platzbedarf, der die FGL Technologie immer dann interessant macht, wenn andere Aktuatorik aus Platzbedarf nicht mehr integrierbar ist.
Gerade die neuen Herausforderungen in der Medizintechnik
Dipl.-Ing. (FH) Markus Köpfer
Geschäftsführer
www.med-eng.de
fragen nach diesen Fähigkeiten - Verstellungen auf kleinstem
Raum: regelbar, robust und verträglich mit menschlichem Gewebe. Damit bieten sich FGL-Aktuatoren in der Endoskopie
und der minimalinvasiven Chirurgie an, um z. B. im spezifischen bei Einflussnahme auf bildgebende Verfahren und Manipulation der Verfahr-Winkel (Krümmungen / Kanäle) nachzufahren und besser zugängig zu machen.
Eine andere Einsatzmöglichkeit besteht in der Prothetik oder
der Fernoperation, wobei der metallische Muskel einen
menschlichen Muskel nachempfinden kann. An der Universität
des Saarlands unter der Leitung von Prof. Stefan Seelecke wurden dazu bereits erste Funktionsmuster einer Hand aufgebaut.
Zuletzt soll die nahe liegendste Integration der heutigen FGLAktuatorik in der Medizintechnik noch erwähnt sein. Es sollte
relativ zügig gelingen bereits bestehende proportional regelbare Ventile zu Dosierzwecke
oder für Umlagerungssysteme
in der Dekubitus Prophylaxe
einzusetzen. Hier schlagen die
Vorteile der Geräuschlosigkeit,
die minimale elektromagnetische Abstrahlung und die präzise Durchflussregelung die konventionellen Antriebe um Längen. Die ASG ist nun dem
Forum MedTech Pharma beigetreten, um im Rahmen dieses
Netzwerks den Mitglieder die
Technologie zugängig zu machen und damit gemeinsame
Innovationen zu schaffen, die
die deutsche Medizintechnik
einen großen Schritt voranbringt.
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