Präzise Lagerstellen aus Kunststoff in der Medizintechnik

Ulf Hottung | 5. Juni 2020

„Geht nicht!“ sagen viele Konstrukteure und liegen damit nicht generell falsch, aber auch nicht immer richtig, besonders in der Medizintechnik.

Richtig ist: Kunststoff-Gleitlager, oder generell Lagerstellen in Kunststoff, sind verschiedenen Faktoren unterworfen, die Einfluss auf eine zu bevorzugende Lagerluft haben.

Einfluss auf die Präzision

Richtig ist: Kunststoff-Gleitlager, oder generell Lagerstellen in Kunststoff, sind verschiedenen Faktoren unterworfen, die Einfluss auf eine zu bevorzugende Lagerluft haben.

Die bekanntesten Einflussfaktoren sind:

  • Feuchtigkeit und
  • Temperatur

Je nach Grundmaterial und Ergänzungsstoffen, sowie der Bauteilgeometrie, können dort 1/100 mm und 1/10mm zusammenkommen, die bei der Auslegung berücksichtigt werden sollten.

Dabei spielen die Werkstoffkenndaten eine bedeutende Rolle, denn ein ungefülltes PA6 kann bei Sättigung in Wasser durchaus mehr als 6 Prozent in seinem Gewicht „zunehmen“, wogegen z.B. POM und PEEK bei ca. 1,3 bzw. 0,5 Gew.-% liegen.

Weitere Hundertstel mm mehr Lagerspiel können durch die thermische Ausdehnung erforderlich werden, die durch Temperatur-Wechsel in der Umgebung, oder durch Reibwärme entstehen können.

Warum sollte das in der Medizintechnik anders sein?

Stimmt, anders sind die Einflüsse nicht, aber sie sind häufig besser beherrschbar.

Warum? Die meisten Anwendungen für Gleitlagerungen in der Medizintechnik sind in relativ stabil temperierten Umgebungen zu finden. Die allermeisten Arztpraxen, Kliniken, OP-Säle sind dauerhaft temperiert, sodass Temperatur-Schwankungen von mehr als 20° C meist ausgeschlossen werden können. Ebenso wird selten „unter Wasser“ gearbeitet, womit auch der Einfluss der Feuchtedehnung in den Bauteilen verringert wird. Ausnahmen bestätigen natürlich die Regel, bspw. wiederholte Autoklav- oder Wasch-Reinigungen bei denen Feuchte im Lagerspalt verbleibt, oder Lagerstellen bewusst Flüssigkeiten ausgesetzt sind.

Präzision in der Herstellung

Sowie im Falle spritzgegossener Bauteile die sog. Fertigungstoleranzen, die ihrerseits nicht nur von Werkzeugqualität und Maschineneinstellungen abhängen, sondern auch an den Umgebungsbedingungen der Fertigung, die Toleranzen von wenigen 1/100 mm erforderlich machen.

Stellt man Bauteile dagegen spanabhebend her, können mit speziellen Maßnahmen nochmals Verbesserungen erzielt werden. Stichworte sind hier „werkstoffgerechtes Tempern“ von Rohmaterialien, wiederholte Bearbeitungsschritte um Werkstoff-Strapazen wie Verdrängung, Erhitzung und Rückstellung zu vermeiden.

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Was beeinflusst die Präzision einer Lagerstelle noch?

Ganz klar die Toleranzen der umgebenden Metallteile, wie z.B. Welle/Achse/Bolzen und Lageraufnahme. Vorteile der Metalle sind hier, dass Feuchte (ohne Korrosion) nicht zur Volumenvergrößerung führt und die geringere thermische Ausdehnung.

Bei Aluminium z.B. ist aber wieder auf gleichmäßige Temperaturen zu achten ist.

Ein Beispiel der konsequenten Umsetzung ist diese Spaltlampe:

Spaltlampen werden in der Ophthalmologie eingesetzt, um z.B. die Netzhaut im Inneren des Auges optisch begutachten oder z.B. durch das „Laserveröden“ von Blutgefäßen zu behandeln.

Hierzu muss das an einem Auslegerarm befestigte Makroskop, sowie die zugehörige Lichtquelle, leicht, ruck frei und ohne Aufmerksamkeit des Nutzers beweglich sein, da die 40-fache Vergrößerung im Stereo-Makroskop jeden „Stolperer“ mehr als deutlich macht.

Quelle: A.R.C. Laser GmbH, Nürnberg

Warum sollte hier Kunststoff eingesetzt werden ?

Das war auch der Grund, weshalb sich der Konstrukteur dieses Gerätes vor einigen Jahren an igus wandte. Bis dato waren die Lagerungen aus Buntmetall und Stahl gefertigt und die Versorgungs- und Datenleitungen innen durch die Verstellarme verlegt, was Durchbrüche in den Lagern erfordert.

Aufgrund der aufwendigen mechanischen Bearbeitung und geringen Wandstärken war es außerordentlich schwierig alle Toleranzen auszugleichen und z.B. geringste Gratrückstände zuverlässig zu vermeiden. Zusätzlich musste geschmiert werden, das Fett veränderte über die langjährige Nutzung jedoch seine Eigenschaften und die geforderten Qualitätskriterien waren nur schwer sicherzustellen.

Kunststoff als Problemlöser für hohe Passungsqualität

Kunststoff ist weicher als Metall. Stimmt. In dieser Anwendung aber eine äußerst positive Eigenschaft und zwar mehrfach.

Durch die ca. 250mm von der Lagerstelle entfernten Krafteingriffspunkte zur Verstellung und der Gewichtskraft, wird der Arm ständig auf die Kanten der Lagerelemente gedrückt. Metall quittiert dies mit Materialabtrag, der Anhaftung abgeriebener Partikel an den Schmierstoff, sowie eine nicht konstante Oberflächenbeeinträchtigung beider Gleitpartner.

Kunststoff dagegen ist wesentlich weicher und lässt sich deformieren. Hierdurch entstehen größere Auflageflächen, eine geringere Druckbelastung und weniger Verschleiß… sowohl am Metall, als auch am Kunststoff.

Beim eingesetzten Material iglidur J sind die Reibwerte bereits so gut, dass eine Initialschmierung (keine metall. Abriebpartikel) auf Lebensdauer ausreichend ist.

Ebenso sind die bei der Ausfräsung der Kabeldurchführungen entstehenden Kanten und Grate so weich, dass sie die Bewegung weder stören noch zusätzlichen Verschleiß erzeugen.

Ohne Know-How gehts aber auch nicht

Um die Steifigkeit weiter steigern zu können wurden noch zwei weitere Tricks angewandt, die bei definierten Raumtemperaturen und Feuchtegrenzen funktionieren…

  • Das Kunststofflager wurde mit 1,5mm dünnwandig ausgelegt und unter Ausschöpfung aller Toleranzen würden sich max. 12µm Überdeckung ergeben.
  • Durch die eingebrachten Ausbrüche in der Wand kann sich das verdrängte Volumen dorthin verlagern, sodass keine thermische Kalibrierung mehr notwendig wird.

Zur Vorauslegung von freien Konturen bietet sich unser neuer iglidur Designer an. Hier wird bereits mit Standardtoleranzen online die Fertigungsmöglichkeiten aus iglidur Halbzeugen überprüft. Haben Sie höhere Anforderungen an die Präzision, nutzen Sie bitte das Textfeld oder sprechen mich direkt an.

https://www.igus.de/info/n20-tribocut

Viele Grüße,

Ulf Hottung

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