Keramiklager für medizinische Roboter

Aug 16, 2023

von Chris Johnson

13. Juni 2023

14:00

Chris Johnson, Geschäftsführer des auf Keramiklager spezialisierten Anbieters SMB Bearings, erklärt, warum hochpräzise Keramiklager die Antwort sind.

Phonlamai Foto Shutterstock

3D-Rendering-Operationsraum mit Roboterchirurgie und leerem Bett

Roboter sind in medizinischen Umgebungen auf dem Vormarsch und werden zunehmend zur Durchführung komplexerer Verfahren eingesetzt. Obwohl martensitische rostfreie Stähle für Lager in Roboteranwendungen bevorzugt werden, bleibt ihre Leistung im Vergleich zu steigenden Standards zur Verhinderung von Kontaminationen in medizinischen Umgebungen zurück.

Der Analyst GlobalData prognostiziert, dass der Markt für medizinische Robotik von 4,7 Milliarden US-Dollar im Jahr 2020 auf 14,5 Milliarden US-Dollar im Jahr 2030 ansteigen wird und dass diese Roboter „eher als Begleiter zur emotionalen Unterstützung und nicht als Werkzeuge angesehen werden“. Das Zitat bezieht sich auf die Weiterentwicklung der künstlichen Intelligenz (KI), die es Robotern ermöglicht, Patienten zunehmend auf heute unvorstellbare Weise therapeutisch zu unterstützen und dem Personalmangel entgegenzuwirken.

Von chirurgischen Assistenzrobotern, die bei der Durchführung minimalinvasiver Operationen helfen, bis hin zu mit KI ausgestatteten Therapierobotern, die in der Rehabilitation nach Verletzungen und Lähmungen eingesetzt werden, haben medizinische Roboter seit der Einführung einfacher Roboterarmtechnologien in den 1980er Jahren einen langen Weg zurückgelegt. Obwohl chirurgische Roboter immer billiger werden, erfordern moderne medizinische Anwendungen auch höhere Präzisions- und Geschwindigkeitsfähigkeiten von diesen Robotern.

Traditionell werden in medizinischen Instrumenten Lager – die die Drehung von Achsen wie Roboterarmen optimieren, indem sie Reibung und Stöße begrenzen oder vermeiden – aus hochreinen Metallen wie martensitischem Edelstahl hergestellt. Beispiele hierfür sind medizinische Roboter, die bei Schlüssellochoperationen helfen, bei denen höchste Präzision erforderlich ist. Chirurgische Roboterlager müssen die höchstmögliche Rotationsgenauigkeit bieten und gleichzeitig klein genug sein, um in diese oft kompakten und tragbaren Krankenhausgeräte zu passen.

Allerdings weisen Stahllager Einschränkungen auf, einschließlich Verunreinigungen. Während Stahllager robust sind und stark korrosiven Umgebungen standhalten können, sind sie aufgrund des sehr hohen Kontaktdrucks gegen den Stahl innerhalb des Lagers während der Bewegung anfällig für Partikelverunreinigungen. Wenn diese Verschmutzung nicht kontrolliert wird, kann sie zu Dellen und Verschleiß führen.

Natürlich ist eine Kontamination im Gesundheits- und Sicherheitsbereich im Allgemeinen nicht akzeptabel. Mit der zunehmenden Verbreitung von Robotern in medizinischen Anwendungen werden die Vorschriften zur Verhinderung von Kontaminationen immer strenger.

Stahl ersetzen

Die Notwendigkeit, Verunreinigungen zu vermeiden, geht mit anderen Designanforderungen wie hohen Geschwindigkeiten, geringem Lärm und nichtmagnetischen Eigenschaften einher. Da beispielsweise Magnetresonanztomographen (MRT) ein starkes Magnetfeld verwenden, um zwei- oder dreidimensionale Bilder von lebenden Objekten zu erzeugen, können Stahllager aufgrund ihrer magnetischen Eigenschaften nicht verwendet werden.

All diese Faktoren beeinflussen die Materialwahl für Lager in medizinischen Umgebungen – aber welches Material kann Stahl ersetzen? In der Medizingerätebranche werden zunehmend Lager ausschließlich aus Zirkonoxid (ZrO2) oder anderen exotischen Keramikverbindungen gewählt. Nach Angaben des Institute of Materials, Minerals and Mining sind „Keramiklager aus ZrO₂ robust und haben ähnliche Ausdehnungseigenschaften wie Chromstahl und 440-Edelstahl, obwohl sie 30 % leichter sind.“

Tatsächlich sind Vollkeramik-Präzisionslager härter als Stahl, weisen eine bessere Korrosions- und Hitzebeständigkeit, eine höhere Dimensionsstabilität und eine geringere Dichte auf. Allerdings sind Keramiklager teuer. Dies ist ein großes Problem für Gesundheitsinstitute, die mit knappen Budgets arbeiten, daher muss die Entscheidung, in sie zu investieren, gut überlegt sein. Glücklicherweise bieten Keramiklager für medizinische Umgebungen mehrere Vorteile.

Zum einen reagieren die Lager nicht auf Chemikalien. Das bedeutet, dass sie nicht korrodieren oder schwächer werden, wenn sie aggressiven Chemikalien ausgesetzt werden, die zur Sterilisation in Krankenhäusern verwendet werden. Keramik erfordert keine Schmierung, die andernfalls Verunreinigungen wie Staub, Wasser oder Feuchtigkeit anziehen würde, und dadurch entfallen auch Wartungsprozesse wie Nachschmieren. Sie sind außerdem wasserbeständig und können daher regelmäßig abgewaschen werden.

Hochwertige Anwendungen

Lohnt sich also die Investition in Keramiklager für medizinische Umgebungen? Es gibt immer noch bestimmte Anwendungen, bei denen die Geschwindigkeit und Präzision von Stahl entscheidend sind, wie zum Beispiel bei chirurgischen Robotern. Es gibt jedoch auch andere Fälle, in denen die Verwendung falscher Komponenten in solchen medizinischen oder Laborgeräten die Studienbedingungen verunreinigen oder dazu führen kann, dass die Studie ganz abgebrochen wird.

Stattdessen kann die zusätzliche Investition in Keramiklager dazu beitragen, dass medizinische Roboter effektiv und langlebig laufen – insbesondere, da sie „eher als Begleiter zur emotionalen Unterstützung und nicht als Werkzeuge angesehen werden“.

von Chris Johnson

13. Juni 2023

14:00