Steuerung Schleifringe helfen Leben retten

Die bei Schleifring, in der Medizintechnik zum Einsatz kommenden Drehverbindungen (Schleifringe) dienen zur Versorgung der Röntgenquelle (ca. 1000 V/100A) und der kontaktlosen Übertragung von digitalen Bilddaten (ein einziges dreidimensionales Bild verschlingt die Speicherkapazität von über 30 CDs) in Computer Tomographen. Das Unternehmen liefert diese Drehverbindungssysteme an Hersteller in Deutschland, USA, Japan China und Israel und hält damit einen Weltmarktanteil von weit über 90%.

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Schleifring GmbH

Herkömmliche kontaktierende Schleifringe stoßen mit zunehmend höheren Übertragungsraten an ihre physikalischen Grenzen. Der so genannte Slip-Stick-Effekt (= abwechselndes Haften und Gleiten des Abnehmers, hängt u.a. vom Reibungs-koeffizienten der Werkstoffpaarung ab) kann bei hohen Datenraten zu unvertretbaren Informationslücken führen. Für kleinere Durchmesser bis etwa 20 mm können theoretisch noch bis zu 1 GBit/s kontaktierend übertragen werden, bei großen Schleifringen wie sie für die Computertomographie benötigt werden ist die Grenze schon bei 50 MBit/s.

Deshalb hat man sich vor etwa zehn Jahren entschlossen, kontaktlose Übertragungsverfahren

zu realisieren. Damals wurden für Radaranwendungen erstmals kapazitive Übertragungsmethoden angewendet, da hier hohe Datenraten und hohe MTBF (Mean Time Between Failure) Forderungen gestellt wurden.

Bei SCHLEIFRING in Fürstenfeldbruck ist die Drehübertragung von Energie, Signalen und Medien zur technischen Perfektion gereift. Interessant: Die kleinsten Schleifring-Module haben einen Durchmesser von 2,5 mm, also kleiner als ein Kugelschreibermine, die größten Module sind für Computer-Tomographen mit Durchmessern von 1800 mm bis hin zur Spezialanfertigung für das Schleifringsystem einer mobilen Erdölförderanlage mit einem Durchmesser von 2000 mm und einem Gesamtgewicht von 7,5 Tonnen.

Erfolgsstory auf dem medizinischen Sektor

Geschäftsführer Kurt Dollhofer: „Wir weiten uns mehr in die Peripherie aus, d. h wir bieten nicht nur den reinen Schleifring bzw. die Drehverbindung, sondern auch die Datenübertragungstechnologie, Encoder, Direct Drive, usw. Ein ganzes Subsystem, in dem der Schleifring nur ein Teil des Pakets ist.“

Beinahe konkurrenzlos ist die Präsenz der Präzisionsteile aus Fürstenfeldbruck auf dem Medizin-Technik Sektor. Die hier zum Einsatz kommenden Drehverbindungen dienen zur Versorgung der Röntgenquelle (ca. 1000 V/100A) und der kontaktlosen Übertragung von digitalen Bilddaten (ein einziges dreidimensionales Bild verschlingt die Speicherkapazität von über 30 CDs) in Computer Tomographen.

SCHLEIFRING liefert diese Drehverbindungssysteme an Hersteller in Deutschland, USA, Japan China und Israel und hält damit einen Weltmarktanteil von weit über 90%.

Drehverbindungen mit Innendurchmessern von bis zu 1,80 Metern dienen unter anderem der Übertragung von Datenraten mit bis zu 10 GBit/s bei 300 Umdrehungen in der Minute. Diese Übertragungstechnologie könnte theoretisch 100.000 Telefongespräche pro Sekunde gleichzeitig übertragen. Das ist 6250-mal schneller als die aktuelle DSL Internetübertragung.

Kontaktlose Übertragungstechnologien

Die moderne Computertomographie sucht ständig nach Möglichkeiten, das Scannen von Patienten zu beschleunigen. Heutige Geräte können dreidimensionale Aufnahmen mit hoher räumlicher Auflösung innerhalb kürzester Zeit erstellen. Dies trägt wesentlich zum Komfort der Patienten bei, die früher für die gleichen Untersuchungen mitunter Stunden auf dem Untersuchungstisch ausharren mussten. Außerdem wird die Strahlenbelastung dadurch enorm reduziert.

Viele der heutigen „Einsichten“ in sich bewegende Organe waren noch vor wenigen Jahren gar nicht denkbar gewesen. Neben stetigen technischen Verbesserungen bei den eigentlichen Scannern steigt auch die Rechenleistung der Auswertesysteme ständig.

Als Nadelöhr stellt sich die Übertragungsstrecke zwischen Aufnahmespule (dem CT- Scanner) und Darstellungssystem dar. Alle Daten müssen vom Scanner zum Bildverarbeitungsrechner gesendet werden. Doch während der CT-Scanner typischerweise mit drei Umdrehungen pro Sekunde um den Körper rotiert, steht der Bildverarbeitungs-rechner und Diagnosebildschirm fest, üblicherweise sogar in einem anderen Raum. Die Herausforderung besteht darin, eine Datenrate von derzeit typischerweise 10 GBit/s aus einem dynamischen System in ein statisches zu übertragen. Eine Funkstrecke kann wegen der möglichen elektromagnetischen Störungen nicht genutzt werden, eine Kabelverbindung scheidet aus, da die Rotation kontinuierlich erfolgen muss.

Das einzig machbare Übertragungsmittel ist ein Drehübertrager, der so genannte Schleifring. Allerdings stößt die Datenübertragung über einen klassischen kontaktierenden Schleifring bei den Größenordnungen, wie sie für ein CT- Gerät notwendig sind, bereits bei etwa 50 MBit/s an ihre Grenzen. Bei höheren Datenraten sind kontaktlose Verfahren notwendig. Kapazitive Übertrager, die aktuell genutzt werden, erfahren aber ebenfalls Beschränkungen, da mit sehr hoher Übertragungsgeschwindigkeit auch hier Abstrahlung und Dämpfung zu erheblichen Problemen führen.

Mechatronische Herausforderung

Mit der Entwicklung eines optischen Schleifringes auf der der Rotationsachse ist es gelungen, in den Übertragungsbereich von 10 GBit/s und mehr vorzudringen. SCHLEIF-RING ist es bisher als einziges Unternehmen gelungen einen optischen Drehübertrager zu entwickeln, mit dem eine Datenübertragung von 10 GBit/s und mehr auf der Rotationsdachse möglich ist.

GigaFOS ist die Bezeichnung einer Technik, für die das Unternehmen bereits zahlreiche Patente angemeldet hat. Bei den GigaFOS-Strecken handelt es sich um eine optische Übertragung, bei der (Licht-) Wellen entlang der lnnenseite einer Wölbung durch Reflexion weitergeleitet werden. Aus der Akustik ist das Phänomen als „Flüsterhalleneffekt“ bekannt.

Die Idee ist einfach: Ein Torus wird an der Innenseite verspiegelt, Lichtwellen werden mittels Lichtleiter tangential eingekoppelt und durch die Reflexionen an der Wand entlang geführt, bis eine „Leseeinheit“ die Lichtsignale abgreift. Vorteil: Der Abgriff der Information kann bei genügend guter Reflexion an beliebiger Stelle im Torus erfolgen.

Wichtig ist dabei, dass die Lichtwellen sehr nahe an der Wand geführt werden. Dazu ist eine optimale Geometrie des Spiegelgrabens notwendig, um eine möglichst verlustfreie Weiterleitung des Originalsignals zu gewährleisten.

10 GBit/s kontaktlose kapazitive Datenstrecke

Diese Technologie erlaubt die kontaktlose Übertragung hoher Datenraten auch bei Anwendungen mit einem freien Innendurchmesser 50 mm bis von 1500 mm oder mehr. Die Vorteile dieser Technologie sind die Abriebsfestigkeit, die hohe Störsicherheit bei elektrischem Rauschen, hohe Zuverlässigkeit sowie Bitfehlerraten von <10-13. Die Datenkanäle sind in unterschiedlichen Ausführungen erhältlich: als Single-channel (unidirektional / bidirektional) oder Multi-channel Version.

Die GigaCap-Kanäle bestehen aus einer Sende- und Empfangseinheit und sind mit einer elektrischen (ECL/PECL) oder einer optischen Schnittstelle erhältlich. Die Datenübertragung ist Protokolltransparent und elektrisch isoliert.

Durch den steigenden Bedarf an einer Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung, wird die Anwendung von Standardprotokollen immer interessanter. Mit dieser Technologie können beispielsweise alle gängigen Bus Systeme bis hin zu Fiberchannel und GigaBit Ethernet problemlos übertragen werden. Außerdem können bei Integration in bestehende Systeme gängige Komponenten wie z.B. COTS verwendet werden und der modulare Aufbau erleichtert einen schnellen und unkomplizierten Einbau in kundenspezifische Anwendungen.

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