Mikromanipulatoren arbeiten in sehr kleinen Dimensionen. Als Zusatzinstrumente für Mikroskope bei mechanischen Eingriffen bewegen sie sich im Bereich von Mikrometern oder darunter, wie beispielsweise in Zellen, Bakterien oder Kolloidteilchen. Ihr spezielles Einsatzgebiet: die Mikroskopie in Chemie, Medizintechnik, Gen-Technik und Halbleiterentwicklung. Mit ihrem Anspruch auf höchste Präzision empfiehlt sich die Miniaturbalgkupplung als perfekter Partner für Mikromanipulatoren.

Mit Hilfe von Zusatzinstrumenten wie feinsten Mikrokapillaren, Nadeln, Elektroden und anderen Instrumenten ermöglicht der Mikromanipulator äußerst präzise Eingriffe. Die für den Mikrometerbereich viel zu groben Bewegungen der menschlichen Hand verwandeln sich auf diese Weise zu sehr feinen Bewegungen der benutzten Instrumente, die sich mechanisch, hydraulisch oder elektronisch und typischerweise in allen drei Dimensionen des Raumes steuern lassen.

Hilfreich ist das beispielsweise in der Mikrochirugie, wo unter optischer Kontrolle mit dem Mikroskop Operationen an Geweben und Zellen von Lebewesen vorgenommen werden. Für viele Zeitraffer- oder multidimensionale Experimente markiert die Zellmanipulation den Ausgangspunkt für die nachfolgende Analyse. In der Reproduktionsmedizin wird die Mikroinjektion von DNA, Stammzellen oder Spermatozoen in Eizellen oder Blastozysten genutzt, um transgene oder geklonte Organismen zu erzeugen oder im Rahmen der künstlichen Befruchtung, z.B. In-Vitro-Fertilisation (IVF), Eizellen zu befruchten. In der CRISPR/Cas9-Technik wird sie eingesetzt, um transgene Tiere zu produzieren. Auch in der Mikroelektronik werden Mikromanipulatoren angewendet: Hier dienen sie an integrierten Schaltkreisen zum Beispiel zum Positionieren der Messelektrode in der Patch-Clamp-Technik, einer Messmethode in der Elektrophysiologie.

Die Miniaturbalgkupplung MK6

Höchste Präzision mit Miniaturbalgkupplungen

Die kompakte Microflex- Kupplung FK1 für Miniaturanwendungen mit Drehmoment bis 1Nm

Die Technologien in solchen Industrien entwickeln sich rasant weiter. Innovation und Kreativität sind gefragt, um die veränderten Ansprüchen anzupassen. Christopher Monka, Vertrieb R+W Antriebselemente, erklärt: „Durch den Trend zur Miniaturisierung in Branchen wie der Labor- Medizintechnik, dem feinmechanischen Apparatebau oder bei Mikrodosierpumpen, fällt der Miniaturbalgkupplung eine entscheidende Rolle in diesen Wachstumsmärkten zu.“ Sie ist der perfekte Partner für die Übertragung von Drehmomentbereichen ab 0,05 Newtonmeter und wenn ein Bohrungsdurchmesser ab einem Millimeter erzielt werden soll.

Eine sichere Lösung

Wie bei jeder Metallbalgkupplung ist auch bei der Miniaturbalgkupplung der Metallbalg gleichzeitig zentrales Bestandteil und Ausgleichselement. Christopher Monka erklärt: „Wie der Metallbalg dimensioniert ist, hängt davon ab, welche Anforderungen die Anwendung in der Praxis fordert, welches Drehmoment übertragen wird und wie hoch der auszugleichende Versatz ist.“ Miniaturbalgkupplungen müssen maximale Steifigkeit in Rotationsrichtung beweisen und Rückstellkräfte, die beim Ausgleichen der Versätze entstehen, so gering wie möglich halten. Beides schafft die Miniaturbalgkupplung von R+W mühelos. Der torsionssteife Metallbalg überträgt das Drehmoment hochpräzise und gleicht radiale und axiale Versätze sowie den Winkelversatz sicher aus. Das ist wichtig innerhalb des gesamten Antriebsstranges, um Schäden an den nachfolgenden Bauteilen zu vermeiden und eine hohe Betriebssicherheit zu gewährleisten.

Case: Miniaturbalgkupplung in der Neurowissenschaft

Für einen führenden Hersteller von Forschungsgeräten liefert der Kupplungsspezialist R+W Antriebselemente aus Wörth am Main seit 30 Jahren die passende Kupplungslösung: eine Miniaturbalgkupplung. Der Kunde entwickelt und fertig seit Jahrzehnten Manipulatoren, die in Positionierungssystemen für Elektrophysiologie, Injektions- und Badkammern zum Einsatz kommen. Relativ neu in der Produktlinie sind die sogenannten Neuropixel-Sonden. Das sind Geräte, die in der neurowissenschaftlichen Forschung ein elektrophysiologisches Verfahren ermöglichen, um die Aktivität von Hunderten von Neuronen aus vielen verschiedenen Gehirnregionen gleichzeitig aufzuzeichnen. (s. Kasten) „Das Besondere an der Ausführung der Miniaturbalgkupplung für diese Anwendungen ist ihre Direktanbindung der Spindel mit Feingewinde. Neben der maximalen Steifigkeit und absoluten Spielfreiheit ist dies ein weiterer Beitrag für den Gesamtbeitrag der Präzision.“

Individuelle Anwendungen dank flexiblem Sortiment

Die Baureihe der Metallbalgkupplungen eignet sich mit einer Vielzahl an unterschiedlichen Anbindungsmöglichkeiten für viele Anwendungsfälle. „Es gibt sie mit radialen Klemmschrauben, geschlitzten und geteilten Klemmnaben, als Konusspannsatz oder als Modell mit Konusspreizdorn für Hohlwellenanbindungen. Für die besonders einfache Montage können wir steckbare, ebenfalls spielfreie Versionen anbieten, bei denen ein glasfaserverstärktes Kunststoff-Konusstecksegment die Spiel- und Wartungsfreiheit sowie die elektrische und thermische Isolation sicherstellt. Die steckbaren Ausführungen zeichnen sich durch eine unkomplizierte und schnelle Montageverbindung aus. Der Endkunde spart viel Geld, indem er seine Rüstzeiten optimiert, denn es muss nicht die komplette Kupplung demontiert werden“, resümiert Christopher Monka. Für viele Applikationen ist die Standardausführung ausreichend, für besondere Anforderungen beispielsweise mit Vakuum oder Reinraum können Sonderlösungen z. B. mit Sondermaterial bezogen werden.

Neuropixel-Sonden: revolutionäres Verfahren

Neuropixel-Sonden gibt es noch nicht sehr lange. Das Revolutionäre an ihnen: Sie können die Aktivität von Hunderten von Neuronen aus vielen verschiedenen Gehirnregionen gleichzeitig aufzeichnen. Ihre Aufnahmeelektroden sind entlang ihrer Länge dicht gepackt, was es den Forschern leichter macht, die zellulären Quellen der Gehirnaktivität zu bestimmen. Schließlich verfügt jede der neuen Sonden über ein nahezu vollständiges Aufzeichnungssystem, wodurch Hardwaregröße und -kosten reduziert werden und Hunderte von Ausgangsdrähten entfallen.

Ob in der Automatisierungs- oder der Medizintechnik, Kupplungen finden in den verschiedensten Branchen und Industrien sowie in den unterschiedlichsten Applikationen Ihren Einsatz. Dabei ist in vielen Bereichen des Maschinen- und Anlagenbaus eine fortschreitende Miniaturisierung zu beobachten.


Dies stellt sowohl die Konstrukteure als auch die Komponentenhersteller vor immer neue Herausforderungen. Der Kupplungsspezialist R+W kommt diesem Trend nach und bietet dem Markt mit seinen verschiedenen Modellreihen von Miniaturkupplungen für vielfältigste Anforderungen die passende Kupplung. Die spielfreien Antriebselemente des Herstellers übertragen dabei das Drehmoment, je nach Anforderung und Ausführung, torsionssteif oder schwingungsdämpfend und kompensieren zudem gleichzeitig radiale, axiale und angulare Wellenversätze.

Exakt und verdrehsteif

Die primäre Aufgabe von Miniatur-Metallbalgkupplungen ist eine exakte Drehmoment- und Drehwinkelübertragung. Eine hohe Verdrehsteifigkeit bei gleichzeitiger Flexibilität sind dabei besonders wichtige Kriterien, die hierfür erfüllt werden müssen. Diese beiden Eigenschaften werden durch den Einsatz eines Metallbalges, als Ausgleichs- und Übertragungselement, erreicht. Dieser zeichnet sich besonders durch seine hohe Torsionssteifigkeit sowie durch einen möglichen Ausgleich von Wellenversätzen aus. Die R+W Miniatur-Metallbalgkupplungsbaureihe MK bietet neben einer Vielzahl unterschiedlicher Anbindemöglichkeiten zudem weitere Vorteile. Die Modellreihe ist von 0,05 bis 10 Nm verfügbar und kann mit Bohrungsdurchmessern von 1 bis 28 mm angeboten werden. Die verschiedenen Modelle und Serien sind unter anderem mit Klemmnaben – in geschlitzter, geteilter und Konusausführung – oder mit einem Konusspreizdorn für Hohlwellenanbindungen erhältlich. Für eine besonders einfache und schnelle Montage können weiterhin steckbare Ausführungen geliefert werden. Diese sind ebenso absolut spielfrei und, bedingt durch ein spezielles glasfaserverstärktes Kunstsoff-Konusstecksegment, elektrisch als auch thermisch isolierend. Die Konstrukteure können dabei zwischen einer synchron- oder mehrfachsteckbaren Version auswählen.

Um die technischen Eigenschaften der Kupplungen voll auszunutzen ist eine präzise Fertigung der Kupplungen entscheidend. R+W produziert daher die Baureihe auf einem hochpräzisen Montagedorn. Aufgrund der damit erzielten hohen Fertigungsqualität wird eine absolute Konzentrizität der beiden Bohrungen zueinander sichergestellt sowie geringe Rückstellkräfte und somit minimale Lagerbelastungen gewährleistet. Zudem können die Kupplungen, aufgrund ihres generell niedrigen Massenträgheitsmoments, in feingewuchteter Ausführung je nach Modell bis 120.000 U/min und mehr eingesetzt werden.

Die Produktreihe MK von R+W



Miniatur-Metallbalgkupplungen werden unter anderem überall dort eingesetzt, wo höchste Präzision und Positioniergenauigkeit gefragt sind. Beispielsweise finden diese in der Medizin- und Pharmaindustrie in modernen Compounder-Systemen ihren Einsatz. Diese automatisieren sicher und rationell den Misch- und Abfüllprozess von patientenspezifischen Rezepturen. In diesem höchst sensiblen Prozess stellt eine Miniatur-Metallbalgkupplung der Baureihe MKS zwischen Schrittmotor und Kolbenadapter eine absolut spielfreie und torsionssteife Drehmomentübertragung sicher.


Ein weiteres Anwendungsgebiet ist in Dosieranlagen für die Abdruckmasse von Zahngebissen. In diesem Bereich ist es von entscheidender Bedeutung, dass die Komponenten der Abdruckmasse immer in genau dem gleichen Mischungsverhältnis dosiert werden. Andernfalls ist kein geeigneter Zahnabdruck, der in kürzester Zeit gefordert und benötigt wird, zu gewährleisten. Hierbei handelt es sich meist um Tischgeräte, die oftmals nicht größer als gewöhnliche Seifenspender sind. Das Innenleben dieser Geräte besteht aus hochgenauen Miniaturkomponenten, wie beispielsweise kleinen Spindeln und Servomotoren, die das Mischgut exakt dosieren. Da die Gehäuse dieser Apparate aus Kunststoff hergestellt werden, können die Zwischenflansche nicht so präzise gefertigt werden, dass diese eine exakte Fluchtung zwischen den Wellen von Motor und Spindeln garantieren. Als Lösung wurde hierbei auf eine R+W Miniatur-Metallbalgkupplung zurückgegriffen. Diese ermöglichte es, die auftretenden Versatzarten auszugleichen und einen Verdrehwinkel bei Nenndrehmomentbelastung von unter 0,05 Grad sicherzustellen. Somit konnten Miniaturkugelrollspindeln und Servomotoren exakt und spielfrei miteinander verbunden werden und es wurde ferner, aufgrund der hohen Verdrehsteifigkeit, ein genaues Mischungsverhältnis der Komponenten gewährleistet.

Robust und schwingungsdämpfend

In manchen Einsatzgebieten, wo Schwingungen und Stöße auftreten, sind dämpfende Eigenschaften gefordert. Für diese Anwendungsfälle eignen sich die Elastomerkupplungen der Modellreihe EK. Durch ein Verbindungelement aus TPU, dem sogenannten Elastomerkranz, ermöglicht diese Kupplungsart genau diese Eigenschaft. Je nach Anforderung kann hierbei aus verschiedenen Shorehärten, also Härtegraden, mit unterschiedlichen Dämpfungseigenschaften ausgewählt werden.

Die Einsatzgebiete und Anwendungsmöglichkeiten für Miniatur-Elastomerkupplungen, welche in verschiedenen Nabenausführungen bzw. Anbindemöglichkeiten erhältlich sind, sind ebenfalls vielfältig. Unter anderem werden diese in Pressen zur Herstellung von Zahngebissen eingesetzt. Den R+W Ingenieuren ist es hier gelungen, den speziellen Anforderungen mittels einer kompakt bauenden und leicht steckbaren Elastomerkupplung gerecht zu werden. Die besondere Herausforderung dieser Applikation waren die sehr dünnen Wellendurchmesser der Motoren und Spindeln in Verbindung mit relativ hohen Drehmomenten. Erschwerend kam hier noch hinzu, dass Vibrationen, welche während eines Pressvorganges entstehen, gedämpft werden mussten. Besonderes Augenmerk wurde daher auf die entsprechende Auswahl des Elastomerkranzes gelegt. Um das Rutschen der Naben auf den Wellen zu vermeiden und höhere Klemmkräfte aufbringen zu können, wurde auf ein spezielles hochfestes Aluminium zurückgegriffen. Die hohe Zugfestigkeit des Materials ermöglicht wesentlich höhere Klemmkräfte und gewährleistete somit eine sichere Drehmomentübertragung.

Große Variantenvielfalt

Alle bisher beschrieben Miniaturkupplungen
verbinden Wellen und übertragen Drehmomente zuverlässig. Was aber, wenn die Drehmomente ansteigen und die Gefahr einer Überlast besteht? Um Maschinen, Anlagen und Komponenten auch im Falle einer Kollision zu schützen, verfügt R+W ebenfalls über ein großes Angebot von drehmomentbegrenzenden Sicherheitskupplungen. Diese gewährleisten bereits ab einem Ausrückmoment von nur 0,1 Nm und Bohrungsdurchmessern von 3 mm einen sichereren Überlastschutz.

Das breite Sortiment verschiedenster Miniaturkupplungen wird schlussendlich durch zahlreiche Sonderlösungen ergänzt. Diese werden individuell auf die Kundenwünsche und Anforderungen der jeweiligen Applikation zugeschnitten. Je spezieller die Produkte an die jeweiligen Voraussetzungen angepasst werden, desto besser tragen sie zu sicheren und effizienten Prozessen bei. Eine wichtige Grundlage für die Entwicklung anwendungsnaher Lösungen ist dabei insbesondere die intensive Beschäftigung mit den tatsächlichen Kundenanforderungen in der Praxis. Die Ingenieure und Entwickler von R+W können hierbei auf ihre jahrelange Erfahrung in der Auslegung und Konstruktion von Sonderkupplungen für die verschiedensten Industrien und Branchen zurückgreifen.

R+W und Warwick rocken die Produktion!


Die Zusammenarbeit zwischen der Warwick GmbH & Co. Music Equipment KG und der R+W Antriebselemente GmbH ist ein beeindruckendes Beispiel für die Integration hochpräziser mechanischer Komponenten in die Musikinstrumentenfertigung. Warwick, ein renommierter Hersteller von Gitarren und Bässen, setzt auf moderne Automatisierungstechnologien, um ihre Produktionsprozesse zu optimieren und die Produktqualität zu sichern.

Warwick ist bekannt für die Herstellung von qualitativ hochwertigen Gitarren und Bässen und produziert bis zu 20 Instrumente pro Tag. Das Unternehmen hat sich in der Musikinstrumentenindustrie durch seine handwerkliche Exzellenz und seine hochwertigen Materialien einen Namen gemacht. Warwick-Gitarren und -Bässe werden von vielen internationalen Künstlern und Bands genutzt, darunter bekannte Namen wie Robert Trujillo (Metallica), Bootsy Collins und Adam Clayton (U2).

Produktbild der R+W Präzisionskupplung Miniaturbalgkupplung MKH

Das Projekt im Detail


Im Rahmen dieses Projektes wurde die Miniaturkupplung vom Typ MKH/15/30 von R+W eingesetzt. Diese Kupplung verbindet die Welle eines Elektromotors mit einer Aufnahme für ein Spannzangenfutter, das Bohrer mit einem Durchmesser von 25mm aufnimmt. Der Elektromotor läuft mit einer Drehzahl von 3000 U/min und liefert ein Drehmoment von 0,48 Nm.


Die spezifische Anwendung der Kupplung bei Warwick besteht im Antrieb der automatisierten Bohrspindeln, die für das Bohren von Befestigungslöchern für Gitarrenseitenspanner genutzt werden. Diese automatisierte Lösung ist Teil eines Systems, das entwickelt wurde, um den Bohrprozess zu automatisieren und zu optimieren.

Ausblick



Die erfolgreiche Implementierung der MKH-Kupplungen in die Produktionsprozesse von Warwick zeigt das Potenzial solcher Partnerschaften. Es ist geplant weitere Kupplungen zu liefern, die dann in Frässpindeln verbaut werden sollen. Diese Spindeln sind für das Abfräsen überstehender Bunddrahtenden nach dem Einpressen in den Gitarrenhals vorgesehen.

Durch die Zusammenarbeit mit R+W kann Warwick sicherstellen, dass ihre Produktionsanlagen auf dem neuesten Stand der Technik bleiben, was ihnen einen Wettbewerbsvorteil in der stark umkämpften Musikinstrumentenbranche verschafft. Die kontinuierliche Weiterentwicklung und Anpassung der Technologien zeigen das Engagement beider Unternehmen für höchste Qualität und Zuverlässigkeit in ihren jeweiligen Bereichen.