| von Arno Stracke

Der nichtbündig einbaubare Induktivsensor vom Typ DW-AD-633-M12 in seiner kurzen und langen Bauform besitzt einen Schaltabstand von 8 mm.

Der nichtbündig einbaubare Induktivsensor vom Typ DW-AD-633-M12 in seiner kurzen und langen Bauform besitzt einen Schaltabstand von 8 mm.Contrinex

Mediziner implantieren Stents, um Gefäße dauerhaft zu stabilisieren und offen zu halten. Üblicherweise im kosten- weil materialintensiven Laserschneidverfahren aus Materialien wie rostfreien Stählen, Cobalt-Chrom- oder Tantal-Legierungen hergestellt, flechtet man Stents heute immer häufiger aus feinsten Drähten der Formgedächtnislegierung Nitinol (Nickel-Titan). Spezielle Flechtmaschinen verarbeiten die Drähte mit Durchmessern von unter 50 µm zu einer textilen Struktur, bei der vier oder mehr Metallfäden parallel ineinandergreifen. Nitinol-Stents können aus 16 bis 288 Drähten bestehen. Typisch im Medizinbereich sind 24, 32, 48, 64, 80, 96 oder 144 Drähte.

Induktive Sensoren vom Typ DW-AD-613-M12-120 erkennen einen Drahtbruch selbst bei hoher Flechtgeschwindigkeit sicher und schalten dann die Anlage zuverlässig ab.

Induktive Sensoren vom Typ DW-AD-613-M12-120 erkennen einen Drahtbruch selbst bei hoher Flechtgeschwindigkeit sicher und schalten dann die Anlage zuverlässig ab.Contrinex

Diese geflochtenen Gefäßimplantate sind nicht nur filigraner als geschnittene Stents, sondern auch kostengünstiger, da Flechten ein kontinuierlicher Prozess ohne Materialverluste ist. Dank der speziellen Legierung entfällt ein mechanisches Aufweiten mit einem Ballonkatheter nach der zum Einsetzen erforderlichen radialen Komprimierung. Ein Nitinol-Stent erinnert sich an seine ursprüngliche Form und dehnt sich bei Körpertemperatur wieder aus, bis er die Ausgangsform erreicht hat. Das gilt sowohl für geflochtene als auch gelaserte Stents aus Nitinol.

Ein Entwickler von Flechtmaschinen zur Herstellung von Nitinol-Stents ist der Nachfolger von Körting, Wilhelm Steeger aus Wuppertal. Das Unternehmen entwickelt und fertig seit mehr als 130 Jahren Flecht- und Zubehörmaschinen für unterschiedliche Anwendungen. Dazu zählen textile Flechtereien und Modegeflechte, Bauteile aus Carbonfasern, Drahtseile und Geflechte aus ultrafeinen Materialien für die Medizintechnik. Das Produktprogramm des Unternehmens umfasst Horizontalflechtmaschinen mit oder ohne Raupenabzug, Flechtmaschinen mit Einzelantrieb, Kabel-, Draht- und Schlauchflechtmaschinen, Packungsflechtmaschinen und Flechtaggregate im Baukastensystem.

64 feine Nitinoldrähte (links) flechtet die Maschine um einen Kern herum zu einem filigranen Gefäßimplantat.

64 feine Nitinoldrähte (links) flechtet die Maschine um einen Kern herum zu einem filigranen Gefäßimplantat.Contrinex

Das Unternehmen fertigt ebenfalls Anlagen und Maschinensteuerungen für die Fein- und Feinstdrahtverarbeitung, wie sie die Medizintechnik benötigt. Dazu zählen Flechtmaschinen für die Herstellung feiner chirurgischer Nähgarne ebenso wie Stentflechtmaschinen und Flechtmaschinen zur Herstellung von Kathetern.

Hohe Ansprüche an die Qualität

Speziell für die Stent- und Katheterherstellung aus Nitinolfäden entwickelte Steeger eine horizontale Feinstdrahtflechtmaschine. Die Anlage vom Typ HS-48/64 ist in der Lage, Feinstdrähte mit einem Durchmesser von nur 20 µm (üblich sind 50 µm) mit sehr hohen Geschwindigkeiten zu Stents mit Durchmessern von 0,5 mm zu verarbeiten.

Die dabei erreichte Punktdichte beziehungsweise die Größe des Gitterrasters kann bis zu 300 ppi (pixel per inch) betragen. Auch das Umflechten von Kathetern ist möglich. Die Flechtmaschine dafür besteht aus einem Maschinenbett, Klöppeln und einem Drahtabzug. Die Klöppel kontrollieren die Flechtdrahtspannung und bewegen sich angetrieben durch Flügelräder entlang vorgegebener Führungsbahnen umeinander. Dabei tanzen 64 Klöppel mit 220 Flügelradumdrehungen pro Minute umeinander und erzeugen dadurch ein rohrförmiges Geflecht mit einem Zickzackmuster auf der Oberfläche.

Unglaublich filigran: ein aus Nitinoldrähten geflochtener Stent im Vergleich mit einem Streichholzkopf.

Unglaublich filigran: ein aus Nitinoldrähten geflochtener Stent im Vergleich mit einem Streichholzkopf.Contrinex

Das Geflecht besteht aus zwei, sich alternierend überlagernden Drahtsystemen – eines bewegt sich spiralförmig im, das andere gegen den Uhrzeigersinn um die Geflechtachse. Jedes System muss aus der gleichen Anzahl von Drähten bestehen, damit der erzeugte Stent eine absolut symmetrische und torsionsfreie Struktur besitzt. Ein Gefäßimplantat läßt sich wahlweise ohne oder um einen festen Kern herum flechten. Die Flechtmaschine HS48/64 setzt feste oder flexible Kerne ein, die den Innendurchmesser des Geflechts festlegen.

Da die hergestellten Produkte am und im menschlichen Körper Verwendung finden, muss schon das Ausgangsmaterial ohne Fehler sein. Eventuelle Knoten im Garn oder variierende Faden- oder Drahtstärken beeinflussen die Stabilität und das Verhalten des fertigen Geflechtes negativ und sind daher nicht akzeptabel. „Wichtig sind aber vor allem eine gleichbleibende Drahtspannung und das sichere Erkennen von gebrochenen Drähten“, erläutert Axel Ludwig, geschäftsführender Gesellschafter des Flechtmaschinenherstellers. Speziell für diesen Zweck verbaut Steeger in der Feinstdrahtflechtmaschine induktive Sensoren, die selbst bei hohen Geschwindigkeit einen Drahtbruch sicher erkennen und damit das zuverlässige Abschalten der Anlage sichern. Die insgesamt acht Sensoren sitzen direkt am Flechtkörper und überwachen neben einem möglichen Drahtbruch auch den Leerlauf der Materialspulen.

Auf einen Blick

Gerade bei Implantaten für den menschlichen Körper ist eine hohe Qualität der Produkte wichtig; das gilt auch für Stents. Um Risiken schon im Produktionprozess zu erkennen, setzt der Hersteller Steeger induktive Sensoren für seine Flechtmaschinen ein, die zuverlässig Fehler erkennen. Die Sensoren stellen eine gute Alternative zu mechanischer Überwachung durch Aussetzschalter mit Hebelmechanismus dar.

„Eigentlich würde bereits ein Sensor zur Fehlererkennung ausreichen. Doch mit der Anzahl der Schalter steigt auch die Geschwindigkeit der Fehlererkennung. Mit acht Sensoren erreichen wir das Optimum bei Geschwindigkeit und Wirtschaftlichkeit“, erklärt Axel Ludwig. Die Sensoren ersetzen die bisherige mechanische Überwachung durch einen Aussetzschalter mit Hebelmechanismus, denn die kommt für das Stentflechten nicht mehr in Frage. Grund sind die filigranen Klöppel und Drähte, die eine Überwachung mit einem klassischen Hebelsystem unmöglich machen.

Induktivsensoren mit erhöhtem Schaltabstand

Die Sensoren müssen sicher bei jeder Geschwindigkeit einen Klöppel ohne Drahtspannung erkennen können. Diese Anforderung erfüllen sowohl die bündig als auch die nichtbündig einbaubaren Varianten der induktiven Näherungsschalter der Basic-Serie 600 von Contrinex in Nettetal bei Düssldorf. Diese zylindrischen Sensoren arbeiten nach dem klassischen Verfahren (Bild 1). Dabei erzeugt die Spule eines konventionellen Schwingkreisoszillators im Sensor ein hochfrequentes Magnetfeld, das an der aktiven Schalterfläche austritt. Ein metallischer Gegenstand, der sich in diesem Feld befindet, entzieht ihm Energie. Dies erkennt die im Sensor integrierte Elektronik und wertet die Information entsprechend aus. Objekte aus ferromagnetischen Metallen wie Stahl, Nickel oder Kobalt absorbieren am meisten Energie. Die erzielbaren Schaltabstände sind daher für diese Metalle am größten. Gut leitende, nicht ferromagnetische Metalle wie Aluminium entziehen dem Feld weniger Energie. Dadurch fallen die Schaltabstände im Vergleich zu Stahl um etwa 25 bis 45 Prozent geringer aus.

„Unsere induktiven Sensoren aus der Serie 600 erfassen ausschließlich metallische Teile und sind daher unempfindlich gegen Verschmutzung. Sie sind zudem robust, preisgünstig und, weil genormt, auch einfach einzusetzen“, erklärt Norbert Matthes, Produktmanager für Sensorik bei Contrinex. Die Sensoren sind in Gleichspannungsausführung in Drei-Leitertechnik als NPN- oder PNP-Schaltung sowie mit Kabel- oder Steckeranschluss erhältlich. Sie sind in Baugrößen mit einem Durchmesser von 3 mm glatt bis M30 sowie als Quader C5 und C8 lieferbar. Eine LED zur Anzeige des Schaltzustands ist standardmäßig vorhanden. Bei allen Ausführungen stehen Schließer- und Öffnertypen durchgehend zur Verfügung. Des Weiteren sind alle wichtigen Schutzfunktionen wie Kurzschluss- und Überlastschutz, Rundum-Verpolungsschutz, Induktionsschutz sowie EMV-Schutz eingebaut.

Die Tabelle stellt die technischen Daten der Sensoren gegenüber.

Die Tabelle stellt die technischen Daten der Sensoren gegenüber.Contrinex

Neben Zuverlässigkeit und Präzision kam es den Konstrukteuren von Steeger vor allem auf einen hohen Schaltabstand an. Daher testeten sie vor der endgültigen Entscheidung für eine konkrete Sensorvariante sowohl nichtbündig einbaubare Sensoren vom Typ DW-AD-633-M12 mit einem Schaltabstand von 8 mm (Schaltfrequenz 1,4 kHz) als auch vom Typ DW-AD-613-M12 mit 4 mm Schaltabstand und einer Schaltfrequenz von 2 kHz jeweils in der kurzen und langen Variante.

„Je höher der Schaltabstand, desto sicherer erkennt der Sensor einen fehlerhaften Klöppel. Entsprechend fiel unsere Entscheidung auf den Sensor DW-AD-633-M12-120 mit 8 mm Schaltabstand. Aus rein optischen Gründen zogen wir dabei die kurze Variante mit 35 mm der längeren Bauform mit 50 mm vor“, erläutert Axel Ludwig, der sich auch in vielen anderen Bereichen seines Unternehmens zur Positionierung und zur Überwachung in Flecht- und Spulmaschinen auf Contrinex-Sensoren verlässt, beispielsweise bei der Tänzersteuerung.

Arno Stracke

ist Vertriebsingenieur im Geschäftsfeld Sensorik Deutschland bei Contrinex Sensor in Nettetal.

(rao)

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