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Elektronisches Distraktor mit miniaturisiertem linearem Inchworm-Motor mit großer Betätigungskraft und kompakter Bauweise für die Medizintechnik

Kurzfassung

Der neuartige piezoelektronischer Inchworm-Linearmotor ist gut miniaturisierbar bei hohem Wirkungsgrad und großer Betätigungskraft und deshalb besonders für den Einsatz in der Medizintechnik (z.B. als Distraktor in Orthopädie oder Kieferorthopädie) geeignet.

Hintergrund

Die hohe Betätigungskraft von Piezo-Motoren wird durch große Baugrößen realisiert. Die piezoelektrischen Linearmotoren sind in verschiedenen Ausführungen und Betriebskonzepten auf dem Markt erhältlich. Sie werden hauptsächlich auf der Basis von lnchworm-, Stick-Slip- oder Ultraschall-Betriebskonzepten hergestellt. Für die Miniaturisierung und die Betätigungskraft müssen jedoch Kompromisse gefunden werden, so dass sie nicht überall, z.B. in der Implantationsmedizin einsetzbar sind.

Distraktoren werden zum Knochenaufbau im Körper implantiert (ca. 6 Monate). Derzeit werden diese manuell von außen betrieben was Gefahr von Fehlbedienung und Entzündung mit sich bringt. Daher zeigt ein vollständig implantierbares elektronisches Distraktor zahlreiche Vorteile. Darüber hinaus finden piezoelektrische Linearmotoren breite Anwendung in der nicht-invasiven Medizintechnik, z. B. in der künstlichen Befruchtung, der Mikroüberwachung, in Nanomikroliterpumpen und in modernen chirurgischen Geräten.

Problemstellung

Viele Entwürfe von piezoelektrischen Linearmotoren oder Aktoren wurden in Fachzeitschriften und Patenten veröffentlicht, um eine kompakte Größe und einen großen Hub oder eine große Kraft zu erreichen. Dennoch geht ein großer Energieverlust mit der mechanischen Reibung oder mit einer hohen inneren mechanischen Spannung einher. Durch den Schermodus kommt es zudem zu einer nicht effizienten Energiewandlung der piezoelektrischen Stacks. Ein weiteres Problem stellen die zerbrechlichen Strukturen wegen der verwendeten Scharniere da.

Lösung

Die Innovation von Wissenschaftlern der Hochschule Furtwangen ist die Methodik der Integration und des Einsatzes von piezoelektrischen Stapeln und Mechanismen, um einen neuen Motor zu realisieren. Im Gegensatz zu den bekannten Lösungen basiert diese Erfindung nicht auf verschachtelten oder mehrstufigen Einheiten, die die Vorteile der Miniaturisierung und der geringen Eigenspannung beeinträchtigen, und auch nicht auf Scharnieren, die die dynamische Zuverlässigkeit negativ beeinflussen.

Der Piezoelektrischer Inchworm Linearmotor (Bild 1) besteht aus zwei Klemmzellen und eine Vorschubzelle. Bei anlegen einer Spannung erstreckt sich die Vorschubzelle in Richtung der Bewegungsachse 1 und die beiden Klemmzellen dehnen sich in einer Richtung quer (Achse 2), in einem Winkel von 90 Grad, zur Bewegungsachse 1 aus. Die Klemmzellen können somit an beiden Enden ein Eingriff herstellen oder Lösen. Die Klemmzellen bilden mit der Vorschubzelle eine monolithische Struktur. Der Inchworm-Motor kann aus Aluminium oder Edelstahl oder Titan ausgebildet werden. Die Klemmzellen weisen eine Höhe von ca. 2 mm, eine Breite von ca. 3 mm und eine Länge von ca. 3 mm auf. Die Vorschubzelle weist eine Höhe von ca. 2 (bzw. 9) mm, eine Breite von ca. 3 mm und eine Länge von ca. 3 mm auf. Die Hubauflösung liegt in von Nano- (Bild a) bis ins Micrometerbereich (Bild b).

Abb.: Kloub, Fakultät Mechanical and Medical Engineering, Hochschule Furtwangen

Vorteile

  • Weniger zerbrechlich und zuverlässig da keine Scharniere verbaut werden
  • Betätigung einer größeren Belastungskraft im Bereich von mehreren zehn Newton
  • Hoher Wirkungsgrad
  • Effizientere Nutzung der Energieumwandlung da kein mechanischer Reibungsverlust
  • Realisierung eines miniaturisierten Geräts, mit einer große Betätigungskraft (z.B. für medizinische Implantate)
  • Selbstklemmung im Ruhezustand
  • kleine Masse/Volumen in Verbindung mit großer Betätigungskraft

Anwendungsbereiche

Der neuartige Inchworm-Motor ist hervorragend im Bereich der Medizintechnik / Orthopädie, etc. einsetzbar. Durch die gute Miniaturisierung und die elektronische Steuerung des Motors in Verbindung mit großer Betätigungskraft könnte er bei Kallus Distraktor Implantaten (z.B. in der Kieferchirurgie) zum Einsatz kommen.

Exposé
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Entwicklungsstand
TRL4
Patentsituation
DE102020002199A1 anhängig
Referenznummer
20/014TLB
Service
Die Technologie-Lizenz-Büro GmbH ist mit der Verwertung der Technologie beauftragt und bietet Unternehmen die Möglichkeit der Lizenznahme.