Baugruppe für drahtlose Energieübertragung

„Embedded 4.0“: 3D-Leiterplatte in neuer Aufbautechnologie

Baugruppe für drahtlose Energieübertragung

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Halbierung des Aufbauvolumens, Einsatz zukunftssicherer Bauteile, Verkürzung von Montagezeiten, Baugruppenprüfung direkt nach der Bestückung und Erweiterung der Funktionalität – dies waren die wesentlichen Ziele des Redesigns der Elektronik des subkutan implantierbaren Receivers für den Verlängerungsmarknagel Fitbone. Beim Design Award 2016 des FED Fachverband Elektronik Design e.V. konnte die von Wittenstein entwickelte Baugruppe in der Kategorie 3D/Bauraum einen Spitzenplatz belegen.

Der Verlängerungsmarknagel Fitbone der Wittenstein intens GmbH ist ein intramedulläres Verlängerungssystem zur Extremitätenverlängerung in Femur und Tibia. Der Verlängerungsmarknagelverfügt über eine Empfängerspule und wird minimalinvasiv im Knochen implantiert. Zur Aktivierung der Distraktion setzt der Patient den Transmitterkopf mit der integrierten Sendespule direkt auf der Haut auf. Die kontaktlose Energieübertragung zwischen dem Transmitterkopf und der Empfängerspule des Implantats nutzt elektromagnetische Felder, um der Elektronik im Verlängerungsmarknagel elektrische Energie zuzuführen. Die Leistungsaufnahme kann bis zu mehreren Watt betragen.

Die Technologie dieser Baugruppe für die drahtlose Energieübertragung basiert im Wesentlichen auf einem Design, das bereits im Jahr 1997 entwickelt und in einem aufwändigen Verfahren für den medizintechnischen Einsatz zugelassen wurde. Die zyklische Überwachung elektronischer Bauteile im Rahmen des Obsoleszenz- und Lifecycle-Management, die Möglichkeiten innovativer Fertigungs- und Prüfverfahren sowie der Wunsch nach mehr Kompaktheit und nach neuen Funktionalitäten, waren der Startschuss für ein komplettes Redesign der elektronischen Implantatbaugruppe.
Neue Design-Generation erforderlich
Das bisherige Konzept der Elektronik im Verlängerungsmarknagel basierte auf einer gewickelten Spule mit Mittenanzapfung sowie zwei Leiterplatten, die nach der Bestückung zunächst einzeln getestet werden mussten, bevor die Spule montiert und der gesamte Systemstapel zusammengebaut, verlötet, ein weiteres Mal getestet und dann ausgegossen und mit Silikon umspritzt werden konnte. Um die Ziele eines reduzierten Baugruppenvolumens, der Einsparung von Bestückungsflächen und des Einsatzes von verfügbaren Standardbauteilen zu erreichen, war die Entwicklung eines völlig neuen Designs erforderlich. Fertigungstechnisch sollte es zudem möglich sein, aktive und passive Komponenten ohne spezielle Maschinen- oder Bestückungstechnologien in den Leiterplattenaufbau einzubetten. Die Integration der Funktionalität der Retraktion war ein weiterer zentraler Punkt des Lastenheftes. Die neue Elektronik des Verlängerungsmarknagels Fitbone sollte dem Patienten die Möglichkeit und den Komfort bieten, einen versehentlich zu langen Distraktionsimpuls rückgängig zu machen.
„Embedded Multilayerinduktivität“ – Aufbautechnologie neu gedacht
Die Umsetzung dieser und weiterer Anforderungen mündete in die Designentwicklung der Embedded Planar Inductance – kurz EPI. Realisiert wurde das neue Aufbaudesign in Zusammenarbeit mit dem Bereich Embedded Component Technologie der Würth Elektronik GmbH. Zusammen haben beide Partner eine 24lagige Spule mit etwa 170 Windungen als Leiterplatte realisiert. Zweigefräste, unterschiedlich tiefe Kavitäten auf der Ober- und der Unterseite bieten ausreichend Bestückungsvolumen, um aktive und passive Bauelemente im Zentrum der Spule – und damit innerhalb der Induktivität der Spule – anzuordnen.
Stapelsteckverbindungen wie in den bisherigen Ausführungen entfallen bei diesem neuen, robusten und zuverlässigen Design – was ebenfalls zu einer deutlichen Reduzierung des gesamten Aufbauvolumens beiträgt. Gleichzeitig konnte eine geeignete Teststruktur integriert werden, so dass die Baugruppe jetzt direkt nach der Bestückung ohne weitere Zwischenschritte auf ihre Funktion hin geprüft werden kann, bevor sie ausgegossen und umspritzt wird. Mit Blick auf die Auswahl und Verfügbarkeit der elektronischen Bauteile wurde das neue Fitbone-Design einem ständigen Life Cycle-Überwachungsprozess hinzugefügt, um eine hohe Zukunftssicherheit zu gewährleisten: Künftige Änderungen oder Abkündigungen können somit von Wittenstein intens als Medizintechnikhersteller frühzeitig bei der Adaption oder beim Redesign der Elektronik erkannt und berücksichtigt werden.
Prämiert und patentiert
Das Unternehmen hat EPI 2016 beim alle zwei Jahre ausgetragenen Design Award des FED Fachverband Elektronik Design e.V. angemeldet und sich damit für die Endrunde qualifiziert. Bei der Preisverleihung während der FED-Konferenz am 15. September 2016 hat das innovative Leiterplattendesign den ersten Platz in der Kategorie 3D/Bauraum zwar knapp verpasst – aber für so viel Aufmerksamkeit gesorgt, dass die neue Aufbautechnologie zum Patent angemeldet wurde.
Implantat auch interessant für Industrie 4.0 und das Internet of Things
Verschiedene Experten sehen in EPI ein Konzept für die Leistungs- und Datenübertragung, wie es in der Umsetzung von Industrie 4.0, z. B. beim Einsatz in Cyber-Physischen Systemen und IoT-Modulen eingesetzt oder eindesignt werden kann. Aber auch die zunehmende Miniaturisierung von Sensorik-, Aktorik- und Mechatronikkomponenten, die in ihrer jeweiligen Anwendung eine flexible und gleichzeitig hoch verfügbare Energieversorgung benötigen, ist ein weiterer Treiber dieser Technologie.
Der Trend zur verstärkten Automatisierung, zum Aufbau intelligenter Monitoringsysteme, zur weiteren Erschließung von Optimierungspotenzialen in der Produktion sowie zur Steuerung von Wertschöpfungsketten in Echtzeit mit Hilfe CPS-autonomer Entscheidungsprozesse wird einer entsprechend adaptierten EPI-Technologie zahlreiche industrielle Anwendungsfelder erschließen.
Aber auch die Medizintechnologie, für die die drahtlose Energieübertragung ursprünglich entwickelt wurde, bleibt als weltweiter Wachstumsmarkt für die EPI-Technologie interessant. Vielfältige medizintechnische Mechatroniksysteme können profitieren, z. B. Retina-Implantate (künstliche Netzhaut), Miniatur-Magnetventile zur Hirndruck-Steuerung, urologische Implantate zur Behebung von Inkontinenz, dehnbare Magenbänder zur Behandlung von Adipositas (Fettleibigkeit), Kunstherzen, Medikamentenpumpen, Stimmband- oder Blasenschrittmacher sowie auch Hüftgelenke und andere herkömmliche Implantate, die jetzt mit Sensorik z. B. zur Belastungsmessung ausgestattet werden können.
Mit EPI ist dem Unternehmen die Entwicklung und Umsetzung eines ultrakompakten Leiterplattendesigns mit hoher Funktionalität und Zukunftssicherheit gelungen, das der kontaktlosen Energie- und Datenübertragung in der Industrie- und der Medizintechnik viele neue Türen öffnen kann.
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