antriebstechnik 12/2024

SPECIAL: ANTRIEBSTECHNIK

SPECIAL: ANTRIEBSTECHNIK IN MEDIZIN UND LABORMINIATURMOTOREN IN DER LABORTECHNIKPRÄZISERE UND SCHNELLEREHANDHABUNG VON FLÜSSIGKEITENSie haben die Genomik-,Arzneimittel- und Impfstoffforschungvorangebracht:automatisierte Arbeitsstationen fürdie Handhabung von Flüssigkeiten.Die Geschwindigkeit, mit derreproduzierbare Ergebnisse erzieltwerden, hängt maßgeblich vondiesen Geräten ab. Um diekomplexen Z-Achsen optimalanzutreiben, werden hier präziseund hochdynamische Motorenbenötigt, weiß ein internationalerSpezialist für Miniaturmotoren.Arbeitsstationen für die Handhabung von Flüssigkeitenübernehmen eine Vielzahl repetitiver Aufgaben. TypischeBeispiele sind das Öffnen und Verschließen vonReagenzgläsern, die genaue Dosierung von Flüssigkeitsprobensowie das Mischen, Rühren und Transportieren verarbeiteterReagenzgläser. Bislang wurden diese Arbeiten manuell vongeschulten Technikern mit elektronischen Pipetten durchgeführt.Die Geschwindigkeit, Präzision und Genauigkeit dieses Prozesseshingen vollständig von den Fähigkeiten und der Erfahrungdes Bedieners ab. Die Automatisierung dieser Aufgaben ermöglichteinen höheren Durchsatz, eliminiert das Risiko menschlicherFehler und verbessert die Zuverlässigkeit und Konsistenzdes Prozesses.Die manuelle Bedienung von Pipetten ist anspruchsvoll: UnterschiedlicheDosiergeschwindigkeiten für Flüssigkeiten unterschiedlicherViskosität spielen ebenso eine Rolle wie die langeKonzentration beim Pipettieren, die für komplexe Analysen erforderlichist. Folglich steigt auch das Risiko kostspieliger Fehler,wie etwa durch Spritzer und Kreuzkontaminationen. Die manuelleHandhabung ist zudem von Natur aus langsamer und senktden Durchsatz im Vergleich zu automatisierten Systemen, vorallem bei Mehrkanalsystemen mit bis zu 64 parallelen Röhrchen.Mit Automatisierung können mehr Proben schneller analysiertwerden. Zudem werden Präzision und Genauigkeit verbessert,was dazu beiträgt, konsistente Ergebnisse über mehrere Experiment-Iterationenhinweg zu liefern. Durch die Eliminierung vonVariationsquellen in Bezug auf die Flüssigkeitsvolumina werdenValentin Raschke, Anwendungstechniker,Portescap S. A., La Chaux-de-Fonds (Schweiz)Ergebnisse reproduzierbar und es können genaue Schlussfolgerungengezogen werden.HERAUSFORDERUNG Z-ACHSE INKARTESISCHEN ROBOTERNFür die Handhabung von Flüssigkeiten sind je nach Aufgabe verschiedeneAusführungen von automatisierten Laborgerätenerhältlich. Bei der Analyse einer geringen Anzahl von Reagenzgläsernkann ein einzelner Roboterarm mit mehreren Drehgelenkenund einem Greifer ausreichend sein. Für größere Voluminaund eine parallele Probenverarbeitung empfiehlt sich indes eineKonstruktion auf Basis eines kartesischen Roboters mit linearenBewegungsachsen. In diesen Systemen werden statische Reagenzgläserverwendet, während die Pipette über den Reagenzgläsernauf drei linearen Achsen positioniert wird: X, Y und Z.In diesem Konzept ist die Z-Achse schwieriger zu betätigenund stellt ein interessantes Dilemma hinsichtlich der Auswahldes Miniaturmotors dar. An der Z-Achse wird die Pipettenspitzezum Ansaugen in die Flüssigkeit geführt und nach erfolgreichemAbschluss wieder angehoben. Geschwindigkeit muss mit einergenauen Positionierung kombiniert werden, wobei ein höhererDurchsatz gegen ein sehr präzises Pipettieren von Flüssigkeitenmit unterschiedlicher Viskosität auszugleichen ist.Die Pipette wird zunächst mit hoher Geschwindigkeit in Richtungdes Flüssigkeitsbehälters abgesenkt. Die schnelle Bewegungerfordert ein Ansteuerungssystem mit gutem Beschleunigungsmomentund guter Drehzahl. Sobald sich die Pipette dem Füllstandnähert, muss der Kopf aber langsamer werden. Wenn dieOberfläche der Flüssigkeit von einem Sensor erkannt wurde, wirddie Pipette auf einer definierten Ebene unterhalb der Fläche positioniert,um das Ansaugen zu ermöglichen. Nach Abschluss30 antriebstechnik 2024/12 www.antriebstechnik.de

SPECIAL: ANTRIEBSTECHNIK IN MEDIZIN UND LABOR01 Bürstenloser, genuteter DC-Flachmotor mitAußenläufer: Der leistungsstarke undhoch effiziente 20ECF14 überzeugt mit einemmaximalen Dauerdrehmoment von 9 mNm02 Die Innenrotorkonstruktion des nutlosenDC-Motors 16ECP24 kann höhere Drehzahlenvon bis zu 30.000 U/min erreichen01 02wird der Pipettenkopf zurückgezogen, um die Flüssigkeit bei Bedarfzu dosieren. Letztlich muss jeder für diesen Zweck ausgewählteMotor auch langsame, genaue Bewegungen unterstützen,wenn eine präzise Positionierung erforderlich ist. Gleichzeitigmuss er eine hohe Beschleunigung und Drehzahl beim Absenkenoder Zurückziehen des Pipettenkopfs bieten.ZWEI MOTOREN IM VERGLEICHLeistungsdichte, bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC) sindeine gute Wahl für den Antrieb der Z-Achsen von automatisiertenArbeitsstationen für die Handhabung von Flüssigkeiten: Sie erfüllendie hohen Anforderungen hinsichtlich des begrenzten Platzbedarfsund der geforderten Dynamik. Sie sind bei Portescap inzwei Ausführungen erhältlich. Nutenlose Motoren mit Innenrotorwie der Portescap 16ECP24 bieten einen kleinen Durchmesser,aber eine größere Länge, während genutete Motoren mitAußenrotor wie der Portescap 20ECF14 flacher sind, was aber zuLasten eines größeren Durchmessers geht. Kombiniert mit einemEncoder können beide hohe Leistungen und eine genaue Positionierungbieten.BESCHLEUNIGUNGSWERTE ZÄHLENDie Unterschiede zwischen den beiden Motoren gehen jedochüber ihre Abmessungen hinaus. Die Beschleunigung ist die wichtigsteMotorkennlinie für ein solches Antriebssystem. Die Kennliniehängt von Faktoren wie der Rotorträgheit des Motors, demmaximal zur Beschleunigung verfügbaren Motordrehmomentund der Lastträgheit des Motors ab. Die Beschleunigung isthauptsächlich von der Trägheit des Rotors und dem verfügbarenDrehmoment abhängig.Die Innenrotorkonstruktion des 16ECP24 kann höhere Drehzahlenvon bis zu 30.000 U/min erreichen, was ein Vorteil für dieZ-Achsenbewegung darstellt, doch die in diesen Geräten verwendetenGewindespindeln oder Kugelgewindespindeln sind inder Regel auf eine maximale Drehzahlgrenze von unter10.000 U / min beschränkt. Außerdem kann der lineare Verfahrabstandzwischen den Pipettiervorgängen kurz sein, sodass derMotor nur wenig Zeit hat, um hohe Drehzahlen zu erreichen.Andererseits erzeugt die größere bewegte Masse des 20ECF14mit dem Außenrotor eine höhere Trägheit als beim 16ECP24.Dies wird jedoch durch den multipolaren Außenrotor und dessengrößeren Durchmesser ausgeglichen, der einen deutlich geringerenMotorregelungsfaktor bietet (also Drehzahländerungdurch Lastmomentänderung). Daher ist der 20ECF14 mit einemmaximalen Dauerdrehmoment von 9 mNm (im Vergleich zu4 mNm beim 16ECP24) effizienter und leistungsstärker. Er kannsomit ein höheres Spitzendrehmoment für die Beschleunigungerreichen. Ein hohes Spitzendrehmoment erzeugt Wärme, undder geringere thermische Widerstand des Motors ermöglicht es,diese Wärme bei starker Beschleunigung effektiver abzuführen.Dies ist ein weiterer Vorteil der Konstruktion.FAZITLetztendlich eignen sich beide Motoren hervorragend für die Anwendungin Z-Achsenbewegungen. Der 16ECP24 bietet eine geringereTrägheit und höhere Drehzahlen, während der 20ECF14über eine höhere Drehmomentkapazität und bessere Wärmeableitungverfügt. Beide haben eine kompakte Stellfläche undsind daher eine gute Wahl für eine Vielzahl von automatisiertenArbeitsstationen für die Handhabung von Flüssigkeiten.www.portescap.comDIE IDEE„Verschiedene Motoren bietenunterschiedliche Vorteile undLeistungen. Für die richtige Auswahleines Miniaturmotors müssenmehrere Faktoren mit den gewünschtenGeräteeigenschaftenverglichen werden. Gerätebauerkönnen hier von der großen Erfahrungder Experten von Portescapprofitieren und erhalten einen Motor,der gleichermaßen hochoptimiertund kostengünstig ist. Die Auswahldes richtigen Motors für eineautomatisierte Arbeitsstation zurHandhabung von Flüssigkeitengewährleistet höhere Zuverlässigkeit,Leistung und Durchsatz. So tragenunsere Motoren auch dazu bei, dieForschungsarbeit in Laboren deutlichzu beschleunigen und letztlich dieZeit bis zur nächsten wissenschaftlichenEntdeckung zu verkürzen.“Valentin Raschke,Anwendungstechniker,Portescap S. A., La Chaux-de-Fonds(Schweiz)www.antriebstechnik.de antriebstechnik 2024/12 31