Komponenten für Instrumente der Medizintechnik und Life Science müssen schnell, zuverlässig und energieeffizient sein. Piezotechnologie trägt signifikant zum Fortschritt in der Medizintechnik bei – etwa durch die Miniaturisierung von Geräten, aber auch mit der intelligenten Patientenüberwachung oder schonenderen Therapiemöglichkeiten sowie bei der Automatisierung von Laborprozessen.
Piezotechnologie trägt signifikant zur Verbesserung minimalinvasiver Diagnostikverfahren bei. Endoskopieanwendungen beispielweise werden dadurch schneller, kraftvoller und somit patientenfreundlicher. Kleinste Piezorohre werden z. B. in der Scanning-Fiber-Endoskopie (SFE) verwendet; das Sichtfeld des Endoskops wird dadurch deutlich vergrößert, die so erzeugten Bilder sind schärfer und bieten daher mehr Informationen.
Ultraschalltechnologie wird in der Medizintechnik insbesondere bei chirurgischen Eingriffen für sogenannte schnittfreie Operationen genutzt. Piezoelektrische Wandler sind dafür ideal: außerhalb des Körpers platziert, projizieren sie einen fokussierten Ultraschall in den Körper hinein. Indem sie die von Schallwellen generierte akustische Energie absorbieren, können Gewebereiche gezielt manipuliert werden, um z. B. um Krebstumoren zu zerstören oder die kontaktlose Medikamentenverabreichung auf minimalinvasive Weise zu ermöglichen.
Die Anforderungen an das Liquid Handling in medizinischen Prozessen wie der In-vitro-Diagnostik sind äußerst anspruchsvoll: Sehr kleine Flüssigkeitsvolumina mit unterschiedlichen Eigenschaften müssen mit hoher Präzision dosiert oder bewegt werden. Auch muss die verwendete Technik in der Lage sein, perfekte Tröpfchen zu generieren oder kontaktlos zu mischen und zu sortieren.
Ultraschallbetriebene Handstücke wie Ultraschallskalpelle, Phakohandstücke oder Scaler nutzen akustische Wellen, um die Bearbeitung von Hart- oder Weichgewebe zu erleichtern und werden vermehrt in der Medizin eingesetzt, z. B. bei offenen oder minimalinvasiven chirurgischen Eingriffen.
Chronische Atemwegserkrankungen wie Mukoviszidose, Asthma oder die chronisch obstruktive Lungenerkrankung (COPD), aber auch Bronchitis und Grippe erfordern eine umfassende medizinische Behandlung. Medizinische Vernebler zerstäuben Medikamente so fein, dass sie bis tief in die Lunge inhaliert werden können und ermöglichen so die Therapie von teils lebensgefährlichen Lungenerkrankungen.
In den Körper implantierte Systeme wie Arzneimittel-Dosierpumpen für Schmerzmittel oder Hörhilfen sind fast unsichtbar und verbessern die Lebensqualität der Patienten enorm. Sie funktionieren mit ultrakompakten und energieeffizienten miniaturisierten Piezoaktoren.
Patientenüberwachung mit Ultraschall intelligenter machen
Viren und andere Infektionen betreffen vor allem Menschen mit Vorerkrankungen, z. B. der Nieren oder des Herz-Kreislauf-Systems. Im Hinblick auf die Behandlung und Therapie solcher Erkrankungen steigen auch die Anforderungen an die eingesetzten Medizinprodukte stetig. Die Piezotechnologie bietet hier verschiedene Verbesserungsmöglichkeiten: Piezo-Ultraschallwandler beispielsweise machen Intensivpflegegeräte wie Infusionssysteme intelligenter und erleichtern die Überwachung lebenswichtiger Körperfunktionen.
Kleinste Flüssigkeitsvolumina schnell und präzise pumpen
Die Anwendungsbereiche für piezoelektrische Mikropumpen liegen in der Labor- und Medizintechnik, der Biotechnologie, der chemischen Analytik und der Verfahrenstechnik, wo kleinste Mengen Flüssigkeit und Gas zuverlässig dosiert werden müssen.
Ultraschallwandler werden häufig im industriellen Umfeld eingesetzt. Als Sensorkomponente gewährleisten sie einen kontaktlosen und kontaminationsfreien Fluss und ermöglichen die Füllstandsmessung von Flüssigkeiten und Gasen, die Detektion von Luftblasen oder die Bestimmung der Viskosität. Die Piezotechnologie trägt wesentlich zur Prozessautomatisierung bei, indem sie Prozessschritte beschleunigt und effizienter gestaltet, z. B. in Industrieanlagen oder Produktionslinien.
Eine vollautomatische Durchflussmessung oder Luftblasendetektion ist die Basis vieler industrieller Systeme, in denen Flüssigkeiten bewegt oder überwacht werden. Ob in Wasserzählern für Verbraucher oder in großen Anlagen, bei Gasflussmessungen in Rohrleitungen oder in der Luftblasendetektion in der Lebensmittel- oder Pharmaindustrie – Ultraschall kann den Fluss verschiedener Medien kontaktlos und damit völlig kontaminationsfrei erkennen.
Über mehrere Kilometer hinweg unter Wasser kommunizieren
Ultraschall wird nicht nur von Delfinen und Walen genutzt, sondern auch in der Sonartechnologie: In Sonargeräten sind es Piezokomponenten, die Ultraschallwellen generieren und erfassen. So lässt sich der Meeresgrund ähnlich wie bei der geographischen Kartierung an Land scannen und abbilden. Die gewonnen Daten können leicht ferngesteuert, das heißt ohne Kabel, übermittelt werden. Sonartechnologie wird außerdem für die Kommunikation oder zur Steuerung von Marinesystemen wie autonome Unterwasserfahrzeuge eingesetzt.
Die hochpräzise und dynamische Dosierung unterschiedlicher Flüssigkeiten ist eine Grundvoraussetzung für viele automatisierte Prozesse. Das Drucken auf Platinen mit Klebstoffen oder das präzise Dosieren von Lötpasten auf elektronischen Chips, die Dosierung von geschmolzenen Polymeren oder das Drucken mit Tinte und anderen Medien – mithilfe von Piezoaktoren ist all das möglich.
Ultraschnelle Dosierung von Klebstoffen und Lötpasten
Hochpräzises Dispensen kommt besonders in automatisierten industriellen Produktionslinien zum Einsatz, z. B. bei der Herstellung elektronischer Bauteile durch Drucken von Kontakten, etwa auf Platinen, Mikrochips, oder Klebstoffpunkten. Dabei werden hochviskose Medien wie Klebstoffe oder Lötpasten ultraschnell in Form von feinsten Tröpfchen dosiert. Die dafür verwendeten Piezoaktoren arbeiten mit schnellsten Ansprechzeiten von Mikrosekunden und Frequenzen bis zu einigen Kilohertz.
Die additive Fertigung mit 3D-Druckverfahren eröffnet völlig neue Möglichkeiten zur Produktion komplexer Bauteile: Individualisierte Prototypen oder kundenspezifische Produkte lassen sich anhand von CAD-Daten in kürzester Zeit herstellen. So werden komplexeste geometrische Strukturen erzeugt, die auch mit wechselnden Materialien und Materialeigenschaften gedruckt werden können. Die dafür genutzten Piezoaktoren arbeiten mit schnellsten Ansprechzeiten und vor allem mit hoher Kraft.
Schon lange hat sich die Drucktechnologie weit über die Grenzen der Papieranwendungen hinaus entwickelt. Papier, Kunststoff, Keramik oder Metall. Besonders in der dynamischen Druckbilderzeugung wie dem Digitaldruck lassen sich in kürzester Zeit große Flächen kontinuierlich mit höchster Bildauflösung bedrucken. Die dafür verwendeten Piezoaktoren arbeiten mit ultraschnellen Ansprechzeiten und hoher Frequenz. Sie sorgen in diesen Anwendungen durch einen Druckimpuls auf eine Flüssigkeitskammer für die berührungslose Tropfenerzeugung mit kleinsten Flüssigkeitsvolumina bis in den Pikoliterbereich.
