Hersteller von Geräten für die Bereiche Life Science, Medizin und Biomedizin müssen kontinuierlich fortschrittliche Technologien, Arbeitsabläufe und Prozesse verbessern, um im Wettbewerb bestehen und Marktwachstum erzielen zu können. Fortschritt darf sich jedoch nicht allein auf die Steigerung des Erfolgs konzentrieren; er muss auch Präzision, Zuverlässigkeit und Funktionalität im Betrieb gewährleisten – und somit Ausfälle während der Anwendung verhindern.

Die Vernachlässigung von Verbesserungen und Sicherheitsvorkehrungen in einer scheinbar unbedeutenden Komponente von linearen Bewegungssystemen im laufenden Betrieb kann Folgen haben, die von Unannehmlichkeiten bis hin zu katastrophalen Konsequenzen reichen. Hersteller wie Anwender müssen daher wachsam bleiben.

Mit dem richtigen Fokus können Linearbewegungssysteme der nächsten Generation spezifiziert, konstruiert, installiert und gewartet werden, um die Vorteile von Geräten aus den Bereichen Life Science, Medizin und Biomedizin in wichtigen und sogar lebensrettenden Anwendungen zu fördern und sicherzustellen.

Konsequenzen

Da zuverlässige Linearbewegung eine betriebliche Notwendigkeit ist, müssen Gerätehersteller und -anwender selbst relativ seltene Ausfallrisiken in Linearbewegungskomponenten oder -systemen während des gesamten Prozesses überwachen. Dies betrifft Geräte von der DNA-Sequenzierung über den Biodruck bis hin zu Rasterkraftmikroskopen (AFMs).

Es steht enorm viel auf dem Spiel.

Der Ausfall eines einzelnen Bauteils oder Systems kann Gerätebetreibern selbst bei relativ kurzen Ausfallzeiten Hunderttausende von Dollar kosten. Je nach Standort, Schweregrad und Reaktionszeit für Reparatur oder Austausch können die Kosten sogar noch deutlich höher ausfallen.

Die Gefährdung der Personensicherheit ist ein weiteres vorrangiges Anliegen. Konstruktionsfehler oder die Nichteinhaltung von Betriebssicherheitsvorkehrungen können zwar selten vorkommen, aber zu Gefahrensituationen wie Quetschungen, unkontrollierten Unfällen und schweren Verletzungen durch Quetschungen oder Stromschläge führen.

Spezifikation und Design

Die Fertigungsanlage für Linearantriebe muss vollständig ISO-zertifiziert sein, um die Konsistenz aller Schlüsselprozesse zu gewährleisten. Sorgfältig gefertigte Prototypen helfen zudem, die entscheidenden Schritte für die Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit der fertigen Antriebskomponente oder des Systems zu identifizieren. Das Auslassen oder fehlerhafte Ausführen eines der vielen kleinen, aber wichtigen Schritte bei der Montage oder Prüfung kann letztendlich zu einem Systemausfall im praktischen Einsatz führen.

Viele Hersteller legen zudem Zielvorgaben fest, die eine langjährige zuverlässige Nutzung vor einem Geräte-Upgrade gewährleisten. Daher ist die korrekte Berechnung der Bauteillebensdauer unerlässlich. Da die Betriebszyklen je nach Anwendung variieren können, wird die Lebensdauer vieler Linearantriebskomponenten in zurückgelegten Kilometern angegeben. Der Hersteller von Linearantrieben muss diese Berechnung anschließend in verschiedene Produktentscheidungen einbeziehen.

Ein weit verbreitetes Kabel beispielsweise ist für über 10 Millionen Biegezyklen ausgelegt, sofern ein Biegeradius von mindestens 50 mm eingehalten wird. Ist der Biegeradius jedoch nicht korrekt dimensioniert, können sich vom Kabel lösende Partikel oder Belastungen der Kabelkanäle bzw. Steckverbinder zu vorzeitigem Ausfall führen (insbesondere wenn Wartungspläne nicht strikt eingehalten werden).

Anpassungsmöglichkeiten in Betracht ziehen

Standardbauteile spielen bei vielen Gerätemontagen eine entscheidende Rolle. Ein Problem besteht beispielsweise darin, dass ein Standardelement für einen Lineartisch möglicherweise nicht für die exakte Kombination anderer Komponenten und Strukturen ausgelegt ist, die der Lieferant montiert. Dadurch können unerwartete Inkompatibilitäten auftreten.

Die Frage ist: Wird ein Hersteller Probleme im Rahmen seiner routinemäßigen Konstruktions-, Qualitätskontroll- und Inspektionsprozesse erkennen? Wahrscheinlich. Aber nicht sicher.

Oftmals können nur kundenspezifische Lösungen die spezifischen Leistungs- und Designanforderungen erfüllen. Sie ermöglichen es dem Hersteller, sich auf die für die jeweilige Anwendung erforderlichen Designaspekte der Bühne zu konzentrieren und Faktoren wie Geschwindigkeit, Beschleunigung und Stabilität gezielt anzupassen. Durch den Wegfall unnötiger Standardfunktionen von Standardbühnen lassen sich sogar Kosten senken. Zudem gewährleisten sie eine integrierte Lösung ohne versteckte Inkompatibilitäten.

Lieferanten sollten vom Hersteller der Linearantriebe eine lückenlose Kontrolle über ihren Auftrag – von der Spezifikation bis zum Prototypenbau – erwarten. Eine solche intelligente Anpassung ist unerlässlich, um Produktmängel vorherzusehen und zu beheben, Integrationsprobleme zu vermeiden und Ausfälle im gesamten Prozess zu verhindern.

Spezifizieren Sie Produkte mit den exakt erforderlichen Abmessungen, Formen, Beschichtungen oder Materialien für den jeweiligen Auftrag. Bestehen Sie auf Lösungen, die die spezifischen Anforderungen an Genauigkeit, Geschwindigkeit, Ebenheit, Vorspannung (zur Erhöhung der Steifigkeit durch Eliminierung von Innenspiel), Lebensdauer, Wartungsaufwand und Preis erfüllen.

Manchmal können innovativere Materialien auch dazu beitragen, Risiken bei kundenspezifischen Konstruktionen zu reduzieren. So kann beispielsweise die Konstruktion aus Kohlefaser die Festigkeit, Steifigkeit und Stabilität optimieren (trotz des geringeren Gewichts und der geringeren Dicke). Gleichzeitig können Keramiklager eine praktikable Lösung für bestimmte Schmierprobleme darstellen.

Vorsichtig behandeln

Sobald eine für eine bestimmte Anwendung vorgesehene Komponente für die Linearbewegung beim Gerätehersteller eintrifft, können weitere Risiken entstehen.

Hersteller von Linearantrieben werden möglicherweise hinzugezogen, um eine Vielzahl von Problemen zu lösen, die in dieser Zwischenphase auftreten. Beispielsweise kann ein Linearmotor blockieren, wobei die Spule im Inneren der Motorschiene an der Schiene reibt. Dies kann durch unsachgemäße Handhabung aufgrund von Erschütterungen verursacht werden, die die Spule oder die Schiene leicht verschieben. Es ist möglich, dass der Schlitten – das bewegliche Segment – ​​angestoßen wird und sich verformt. Beim Bau des größeren Werkzeugs können zu lange Schrauben verwendet werden, die durch eine Linearantriebsplatte in eine andere drücken und so Kratzer und das Risiko unvorhersehbarer Kräfte im Betrieb verursachen. Es ist auch möglich, dass eine Spule von ihrer Halterung abgeschraubt wird, um Zugang für ein zusätzliches Kabel zu erhalten, und anschließend falsch wieder angeschraubt wird.

Solche Zwischenfälle bergen Risiken, die von einer leichten Leistungsminderung bis hin zu durchgebrannten Motoren und längeren Produktionsausfällen reichen. Auch die Oberflächenvorbereitung erfordert besondere Aufmerksamkeit. Die Toleranzen müssen in allen Details exakt eingehalten werden.

In manchen Fällen verwendet ein Werkzeughersteller für diese Prozesse eine Linearbewegungskomponente, die für eine Ebenheit des Verfahrwegs, beispielsweise 0,0005 Zoll, ausgelegt ist. Der Werkzeugmacher montiert diese Komponente dann jedoch an einer größeren Baugruppe mit einer Ebenheit von nur 0,005 Zoll. Die daraus resultierende Verdrehung des Tisches ist unter Umständen kaum wahrnehmbar. Dies kann beispielsweise zu einem Blockieren der Lager und damit zu vorzeitigem Verschleiß, zusätzlichen Kräften auf die Kugelumlaufspindel oder einem höheren Leistungsbedarf der Linearmotoren führen, was wiederum Überhitzung und potenziell einen Ausfall zur Folge haben kann.

Hausarrest

Die Sicherstellung einer ordnungsgemäßen Erdung aller Komponenten des Linearsystems ist eine weitere Vorsichtsmaßnahme, die Hersteller ergreifen können, um zukünftigen Problemen vorzubeugen. Ein solches Versäumnis kann zu Stromschlaggefahren für die Bediener führen und die Systemleistung beeinträchtigen.

Eine im System vorhandene Erdschleife, die über den Erdungspfad zurückfließt, kann zu falschen Messwerten des Encoders führen, sodass sich ein Bauteil beispielsweise nur 1 mm bewegt, die Steuerung aber 100 mm erfasst. Wird dieser Fehler übersehen, kann beispielsweise die Positionsgenauigkeit zu Messfehlern an den Instrumenten und somit zu ungenauen Analysen führen.

Transport und Installation

Die relativ geringe Widerstandsfähigkeit linearer Bewegungssysteme gegenüber Stoßbelastungen wurde bereits erörtert. Die Punkte mit dem größten Risiko treten naturgemäß in drei Zeiträumen auf:

• Während des Transports vom Lieferanten linearer Antriebstechnik zum Werkzeugmacher;
• Während der Ankunft und Integration des Systems in das Ausrüstungswerkzeug;
• Während des Transports der fertigen Anlagenbaugruppe zur Produktionshalle und der Installation.

Ein zuverlässiger und erfahrener Lieferant von Lineartechnik kann das Risiko von Stoßschäden in der ersten Phase deutlich reduzieren. Die Experten des Lieferanten erkennen frühzeitig die räumlichen Gegebenheiten in der Fertigung und konstruieren daher keine zu große oder zu schwere Vorrichtung, die sich nicht problemlos im Reinraum oder in der Fertigungshalle montieren lässt. Sie planen außerdem den Einsatz von Transportmitteln (Kräne, Rollwagen etc.) so, dass die Vorrichtung sicher vom Transportbehälter zum Werkzeug transportiert werden kann. Dadurch werden das Verletzungsrisiko für das Personal vor Ort sowie die Gefahr von Beschädigungen durch Stöße minimiert.

Schließlich kann während der Installation das Linearbewegungssystem oder der entsprechende Teil des Werkzeugs mit den erforderlichen passiven Isolationsmaßnahmen (wie z. B. Elastomerfüßen oder -polstern) oder aktiven Isolationsdämpfern (sensorgesteuerten Airbagsystemen) ausgestattet werden, um die Wahrscheinlichkeit übermäßiger Stöße oder Vibrationen bei nachfolgenden Arbeitsgängen zu verringern.

Im Reinraum

Sowohl in der ersten als auch in der zweiten Phase sollte der Lieferant von Linearantrieben bewährte Verfahren beim Bau von Transportkisten und Verpackungssystemen anwenden. Ein führender Anbieter verpackt das System beispielsweise in zwei Säcke: einen unter Stickstoffatmosphäre und den zweiten im Reinraum. Für den Transport empfindlicher Teile stellt er spezielle Hebevorrichtungen und Transportwagen bereit.

In der dritten Phase, wenn das System von oben auf die Werkzeugbaugruppe aufgesetzt werden soll, kann der Kran des Werkzeugmachers ausreichen. Ist jedoch ein anspruchsvolleres seitliches Verlademanöver erforderlich, stellt der Lieferant eine spezielle Kammerbox zur Verfügung, die bis zur Montage seitlich am Werkzeug verschraubt werden kann.

Schmierung

Obwohl Linearantriebe in der Regel problemlos und ohne zusätzlichen Aufwand laufen, ist eine regelmäßige Wartung unerlässlich. Dabei sind drei Dinge entscheidend für eine effektive Wartung: Schmierung, Schmierung und nochmals Schmierung.

Jeder Anbieter von Linearantriebssystemen liefert seine Produkte mit einem vorgegebenen Schmierintervall aus. Doch wie es nun mal so ist, lassen sich viele Probleme auf einfache Fehler bei der Einhaltung dieses Intervalls zurückführen. Ohne die notwendige Schmierung steigen die Reibungsspannungen und führen schließlich zu äußerst unerwünschten Ereignissen wie Systemausfällen oder Motorschäden.

Zu den weiteren Problemen bei der Schmierung gehört der vorzeitige Ausfall der Lager, der zu einer Verringerung der Leistungsfähigkeit, wie z. B. Geradheit, Ebenheit, Nick-, Roll- und Gierverhalten, führt.

Es ist wichtig, für jede Maschine ausschließlich das richtige Fett zu verwenden. Unverträgliche Öle oder Fette dürfen niemals gemischt werden. Dies gilt insbesondere für die Verwendung unterschiedlicher Fette bei der Wartung einer Maschine von einem Zyklus zum nächsten. Dadurch ändert sich die erforderliche Viskosität, was häufig zur Bildung eines klebrigen, zementartigen Materials führt – ein absolutes No-Go bei empfindlichen Geräten. Enthält das Material zudem Partikel von einem überbogenen Kabel, einer Kabeltraverse oder anderen Quellen, kommt es in der Regel bald zu einem Schienenbruch.

Leistungs-Roadmap

Als Reaktion auf die Anforderungen der Gerätehersteller arbeiten die Hersteller von Lineartechniksystemen kontinuierlich daran, die Leistungsfähigkeit ihrer Systeme zu verbessern. Zuvor müssen sie jedoch sicherstellen, dass jegliche Verbesserungen nicht unbeabsichtigt das Risiko von Ausfällen der Lineartechnik erhöhen.

Ein guter Anbieter von Linearantrieben liefert einen „Leistungsfahrplan“, der die Systemelemente hervorhebt, die nicht nur für die aktuellen Anforderungen, sondern auch für zukünftige Anwendungen ausgelegt werden können. Dieses Engagement ist insbesondere bei der Herstellung fortschrittlicher Technologien für die Lebenswissenschaften, die Medizin und die Biomedizin von entscheidender Bedeutung.

Lineare Bewegungssysteme gehören zwar nicht zu den auffälligsten Elementen moderner Technologiegeräte und stehen auch nicht unbedingt im Fokus der meisten Anwender. Ihr Ausfall kann jedoch schwerwiegende Folgen für alle Beteiligten haben. Glücklicherweise kann durch sorgfältige Konstruktion, Installation, Betrieb und Wartung sichergestellt werden, dass lineare Bewegungssysteme eine entscheidende Rolle für den kontinuierlichen – und möglicherweise sogar lebensrettenden – Betrieb modernster Geräte in den Bereichen Life Science, Medizin und Biomedizin spielen.