Heißkanalsysteme Heißkanaltechnik für Kunststoffe in der Medizin

Anbieter zum Thema

Günther Heisskanaltechnik GmbH

FAULHABER Antriebssysteme

PIA AUTOMATION HOLDING GMBH

Sobald Produkte aus Kunststoff in der Medizin zum Einsatz kommen, sind sichere und effiziente Fertigungsprozesse gefragt. Dafür eignet sich z. B. die Heißkanaltechnik. Bei der Auswahl und Konzeption von Werkzeugen und Anwendungen ist die Hilfe eines Experten von Vorteil.

Gerade die Pandemie hat gezeigt, dass das aktuelle Gesundheitswesen ohne Kunststoff nicht mehr auskommt, denn er ist in weiten Teilen dafür verantwortlich, dass hygienische Standards eingehalten werden können und Infektionen sowie bakteriellen Übertragungen vorgebeugt werden kann. Auch wenn es um medizinische Geräte geht, hat der Werkstoff einen hohen Nutzen, denn Gerätschaften wie Dialysegeräte würden ohne Kunststoff z. B. kaum funktionieren. Heute kommen Kunststoffe in fast allen Bereichen der Medizin zum Einsatz, etwa für sterile Verpackungen, Spritzen, Katheter und Schlauchsysteme, Implantate und Prothesen oder auch in der Medikamentenfreisetzung. So genannte Single-Use-Produkte, also Produkte zur einmaligen Verwendung, haben v. a. hygienische Vorteile und ersetzen daher zunehmend wiederverwendbare Artikel aus Glas oder Metall. Kurzum, ohne Kunststoff wäre die moderne Medizin nicht so weit, wie sie heute ist. Der Experte im Bereich Heißkanal- und Kaltkanaltechnik Günther Heisskanaltechnik kennt sich im Bereich Medizintechnik aus, wie die nachfolgenden Beispiele belegen.

Überall dort, wo Produkte aus Kunststoff in der Medizin im Einsatz sind, sind sichere und effiziente Fertigungsprozesse gefragt. Die Heißkanaltechnik von Günther sorgt hier für maximale Prozesssicherheit bei immer kleineren Formteilen oder komplexen Baugruppen. Ein aktuelles Beispiel sind die zwei Komponenten der Trägerkarte für Lateral-Flow-Tests. Bei dem Test handelt es sich um eine Trägerkarte, deren oberes und unteres Kunststoffgehäuse einen Verbundstreifen umschließt, auf dem verschiedene Chemikalien imprägniert sind. Im März 2020 erhielt ein britischer Hersteller den Auftrag, ein 8-fach-Versuchswerkzeug und das entsprechende 32-fach-Serienwerkzeug für die oberen und unteren Abdeckteile herzustellen. Ein Projekt, das neben einem technisch kompetenten Werkzeugmacher auch einen innovativen Heißkanallieferanten erforderte. Günther Heisskanaltechnik kam hier zum Zuge, weil man schon in der Vergangenheit solch spezielle Medizinindustrie-Projekte realisiert hatte und bekannt war, dass die Nadelverschlusstechnik optimal für dieses Projekt ist. Die Anforderungen an das Heißkanalsystem waren ein sauberer Angusspunkt, eine gleichmäßige Füllung aller Artikel und vor allem Zuverlässigkeit. Zum Einsatz kamen dann Nadelverschlussdüsen des Typs 6NMT mit einem kleinen Düsenkopf, um die erforderlichen geringen Nestabstände zu ermöglichen. Diese Nadelverschlussdüse mit konventionellem Heizelement besteht aus einem zweigeteilten Schaft aus einer Titanlegierung und Edelstahl, der in Verbindung mit dem Heizelement ein sehr homogenes Temperaturprofil über die gesamte Länge der Düse gewährleistet. Das Material wird somit schonend bis in die Kavität geleitet. Während der Verschlussbewegung wird die Nadel zunächst über einen Konus bis zur zylindrischen Vorzentrierung geführt, um dann präzise in den zylindrischen Anspritzpunkt einzutauchen. Die zum Einsatz kommende Nadelbetätigung von Günther ermöglicht eine präzise und intelligente Nadelsteuerung bei einfacher Montage und Anschlusstechnik. Das gleichmäßige Öffnen der einzelnen Nadelverschlussdüsen ermöglicht einen sicheren Spritzprozess auch bei kleinsten Schussgewichten. Zum Einsatz kommt sowohl beim 8-fach-Versuchswerkzeug als auch beim 32-fachigen-Serienwerkzeug der Hubmechanismus ANEH.

Leicht zu reinigendes Heißkanalsystem für Disposables

Speziell Mehrkomponenten-Anwendungen oder Familienwerkzeuge sind sehr herausfordernd, wie etwa jenes für die Herstellung eines Arretiergriffs mit Injektionsnadel, bei dem die Metallnadel umspritzt wird. Da das Artikeldesign für den Arretiergriff verändert wurde, musste das Werkzeug von Grund auf neu konzipiert werden. Da lag es nahe, die Werkzeugkonzeption so auszulegen, dass man auch Einsparungen hinsichtlich der Spritzzeiten erreichen würde. Aber das Ausbalancieren der unterschiedlichen Teilevolumen bereitete hierbei Probleme. Und hier kam Günther Heisskanaltechnik mit seinem elektrischen Antrieb für Nadelverschlusssysteme ins Spiel. Der elektrische Antrieb hat aufgrund seiner präzisen Regelung große Vorteile. Denn um einen sicheren Spritzprozess zu gewährleisten, ist eine genaue und intelligente Ansteuerung der Nadelverschlusstechnik vonnöten. Elektrisch angetriebene Nadelverschlusssysteme ermöglichen ein variables und zugleich präzises Einstellen der Nadelposition und der Hublänge in mehr als zwei Positionen. Zudem bewirkt die Synchronität der Nadelbewegung eine große Genauigkeit bei der Reproduktion. Man kann die Nadeln dementsprechend zeitversetzt öffnen und das Werkzeug so ausbalancieren, dass beide Teile gleichmäßig gefüllt werden. In diesem Falle kam ein elektrisches Nadelverschluss-Heißkanalsystem zum Einsatz, das mit Schrittmotoren ausgestattet wird. Der Schrittmotor Typ SMA 10 ermöglicht eine hohe Präzision, verbunden mit einem optimalen Kraft-Weg-Verhalten. Mit dem entsprechenden Steuergerät DPE ist die präzise Nadelverschlusssteuerung gewährleistet. Zudem ist eine Nadeljustage im Bereich von 1/100 mm möglich. Die Nadelverschlussdüse mit KA-Nadelführung mit Blue-Flow-Heizung und zweigeteiltem Schaft rundete diese reinraumtaugliche Anwendung ab.

Der Knackpunkt bei diesem Projekt war die Balancierung der verschiedenen Teile mit unterschiedlichen Volumen, deshalb wurde die Steuerung wiederum mit Temperatur- und Innendruckfühlern von Priamus gekoppelt, so dass die Balancierung über Temperaturfühler erfolgt, die am Fließwegende eingebaut sind. Erreicht die Schmelze die Fühler, wird über die Steuerung das Nadelventil zurückgenommen. Mit dem Innendruckfühler wurde dann noch die Nachdruckumschaltung ermöglicht. Das System der Temperatur- und Innendruckfühler hat auch den Vorteil, dass es hervorragend mit dem Nadelverschlusssystem von Günther über die entsprechende Regeltechnik kommuniziert.

Etagenwerkzeuge können helfen, Kosten zu senken

Stetige Forschungen und Marktveränderungen wie steigende Lohnkosten oder demografische Wendungen treiben Krankenhäuser und andere medizinische Einrichtungen dazu, die Aufbereitungskosten für wiederverwendbare Instrumente, die etwa bei 2,50 bis 3,50 Euro je Instrument und Zyklus liegen, durch Einmalinstrumente abzulösen, denn die Anschaffungskosten für Single-Use-Produkte sind zum Teil deutlich geringer als die Aufbereitungskosten wiederverwendbarer Instrumente. Zudem fallen durch die Verwendung von stets nur neuem Instrumentarium keine Reparaturkosten an.

Um jedoch diese Einmalinstrumente auch günstig anbieten zu können, sind die Hersteller gezwungen, die Produktionsleistung zu erhöhen, weshalb Etagenwerkzeuge gefragt sind. Diese werden im Spritzgießprozess gerne eingesetzt, um die Größe der Spritzgießmaschine relativ klein zu halten, aber dennoch die Ausbringungsmenge der Artikel zu erhöhen. Und wirtschaftlich betrachtet verteilt sich der Maschinenstundensatz auf eine wesentlich erhöhte Fertigungsmenge. Dadurch produziert die Maschine eine geplante Losgröße in fast der halben Zeit und schafft gleichzeitig freie Fertigungskapazitäten.

Aber bei Etagenwerkzeugen ist eine enge Abstimmung zwischen Werkzeugbau, Spritzerei und Heißkanalhersteller wichtig, denn die Auslegung des Heißkanalsystems ist hochkomplex, wie das Beispiel eines 16+16-fach-Werkzeugs für eine spezielle Medizintechnikkomponente zeigt. Der zu fertigende Artikel ist aus einem polyolefinen Kunststoff und hat ein Artikelvolumen von 10,5 cm³.

Zu Beginn müssen folgende Informationen abgefragt werden: Wie sollte die Anspritzung der Artikel erfolgen, mit offener Düse oder mit Nadelverschluss? Die Auswahl des Düsentyps erfolgt dann in Abhängigkeit von Kunststoff und Artikelgeometrie. Die Antriebsart bei der Nadelverschlussausführung ist davon wiederum abhängig, ob Einzelventile oder Plattenantrieb eingesetzt werden. Geklärt werden müssen auch Fragen wie: Ist die Anordnung der Artikel „Back to Back“ oder versetzt? Erfolgt die Übergabe der Schmelze in den bewegten Werkzeugbereich in einem langen Schnorchel oder über eine geteilte Übergabe? Wie ist die erwartete Einspritzzeit oder der Materialdurchsatz pro Zeiteinheit? Abschließend lassen sich dann die Werkzeuggröße und der mögliche Höhenaufbau bestimmen.

Montage und Demontage aus der Trennebene

Die Auswahl der Düsen zur Anspritzung des Artikels ist in der Regel von der geforderten Anspritzpunktqualität abhängig. Ein absolut fadenfreier Anguss kann nur mit einem Nadelverschlusssystem erreicht werden. Entscheidet man sich aufgrund von Einschränkungen durch den Höhenaufbau des Werkzeugs oder unter Kostenaspekten für den Einsatz von offenen Heißkanaldüsen, muss beachtet werden, dass ausreichend Dekompression im Prozess gefahren werden kann. Reicht die Dekompression der Maschine nicht aus, kann es beim Öffnen des Werkzeugs zum Nachlaufen der Schmelze in die Trennebene kommen. Dieses Nachlaufen ergibt beim nächsten Zyklus einen kalten Pfropfen, der entweder dann im Artikel zu finden ist oder der das Öffnen des Anschnittpunktes beim Einspritzen verhindert. Entsprechende Dekompressionseinheiten können am Verteiler angebracht werden und unterstützen die Dekompression. Kann die Situation der Dekompression im Vorfeld nicht eindeutig geklärt werden, empfiehlt es sich, konstruktiv den benötigten Platzbedarf für die Entlastungsventile vorzuhalten. Kommen Nadelverschlussdüsen zum Einsatz, wird das Nachlaufen der Schmelze aus den Anschnittpunkten bei zeitlich richtigem Schließen der Nadeln ausgeschlossen. Hinsichtlich der Düsenauswahl muss die Montage- und Demontagemöglichkeit beachtet werden. Die bei Günther verfügbaren Düsentypen STT oder STF für offene Systeme beziehungsweise die Düsentypen NTT oder NTF für Nadelverschluss sind vom Konzept so aufgebaut, dass Montage und Demontage aus der Trennebene erfolgen. Das restliche Heißkanalsystem muss dafür nicht demontiert werden. Ebenso wird auch der Düsenwechsel im Bedarfsfall bei aufgespanntem Werkzeug ermöglicht. Die Düsen sind mit Steckverbindungen für den Strom- und Thermoanschluss ausgestattet. Das aufwendige Lösen der Verkabelung bis zum Anbaugehäuse beim Tausch der Düsen entfällt und reduziert dadurch die Stillstandszeit der Spritzgussmaschine. Über zwei Durchmesser am Kopf wird die Düse positioniert. Der obere Durchmesser dient zusätzlich als Leckageschutz. Die Verlegung der Kabel in der Düsenhalteplatte Richtung Trennebene schließt eine thermische Überlastung der Kabel aus. Für das 16+16-fach-Werkzeug ist die Nadelverschlussdüse 6NTT3-150VA mit einem Anspritzpunkt-Durchmesser von 1,2 mm zum eingesetzt worden. Die Nadelführung Typ VA ist aus einem pulvermetallurgischem Stahl und sorgt mit einer Härte von ca. 60 HRC für eine lange Standzeit und einen sehr gute Anschnitt nahe Nadelführung.

Den Höhenaufbau des Werkzeugs reduziert

Der Heißkanalverteiler hat die Aufgabe, die plastifizierte Schmelze von der Anschlussdüse zur Heißkanaldüse weiterzuleiten. Im Falle des 16+16-fach-Werkzeugs wurden die Kanaldurchmesser im Verteiler und der Heißkanaldüsen sowie der Anschlussdüse über die Simulationssoftware Sigmasoft berechnet. Neben den Berechnungsergebnissen zu Druckverlust und Materialscherung wird auch die thermische Situation des Verteilers berechnet. Die Verteilung erfolgt nun über einen geraden 2-fach Hauptverteiler auf vier 8-fach Unterverteiler. Der Schmelze-Kanaldurchmesser beginnt mit 16 mm beim Eintritt in den Verteiler und ist 6,2 mm in der Abgangsbohrung zur Nadelverschlussdüse. Die versetzte Anordnung der Düsen im Etagenwerkzeug ermöglicht es, mit einer geringeren Anzahl von Schmelze-Verteilern zu arbeiten. Das reduziert den Höhenaufbau und auch das Gewicht des Werkzeugs.

Die Schmelzeübergabe bei Heißkanalsystemen für Etagenwerkzeuge erfolgt entweder mit langer Anschlussdüse durchgehend oder mit geteilter Übergabe. In dieser Anwendung war der Einsatz einer geteilten Übergabe notwendig, da das Werkzeug nicht als Ganzes aufgespannt werden konnte. Feste Düsenseite, beweglicher Mittelblock mit Heißkanal und fahrende Auswerferseite werden getrennt aufgespannt und auf der Spritzgießmaschine verheiratet. Der Schmelzekanal der Anschlussdüsen hat einen Durchmesser von 16 mm. Auf der festen Düsenseite eine offene Düse, im bewegten Mittelblock eine Anschlussdüse mit Nadelverschluss. Dieser Nadelverschluss dient dazu, dass keine Schmelze beim Öffnen des Werkzeugs in die Trennebene gelingen kann. Der Antrieb der Nadel für die Anschlussdüse erfolgt über einen pneumatischen Einzelzylinder. In der 16+16-fach Anwendung wurde die „Back to Back“-Lösung mit pneumatischen Einzelventilen Typ EEV verwendet. Hier ist für eine gute Balancierung der Luftversorgungsbohrungen zu den Ventilen zu sorgen. Balancierung und ausreichend große Bohrungsdurchmesser sind für den einwandfreien Betrieb der Einzelventile verantwortlich. Die Temperatur der WZ-Platten, in den die EEV montiert werden, sollte im Betrieb nicht über 100°C liegen. Bei dieser Anwendung war das aufgrund der allgemeinen Werkzeugtemperatur im Prozess von 20°C kein Problem.

Herausforderung Medizintechnik

Die Beispiele zeigen, dass der steigende Kostendruck in der Medizin die Hersteller vor große Herausforderungen stellt, um die Produktionsleistung zu erhöhen und wirtschaftlich zu arbeiten. Es empfiehlt sich daher, bei der Konzeption von Etagen- und Familienwerkzeugen oder Mehrkomponenten-Anwendungen zu einem frühen Zeitpunkt die enge Abstimmung mit dem Werkzeugbau und dem Heißkanalhersteller zu suchen, um solche Projekte erfolgreich zu gestalten. (je)

* Der Autor: Horst-Werner Bremmer, Leitung Anwendungstechnische Beratung und Vertrieb, Günther Heisskanaltechnik GmbH

(ID:49532694)