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Engel Austria Hüftgelenke und Stents aus Metalllegierungen spritzgießen

Autor / Redakteur: Autorin | Kathrin Schäfer / Kathrin Schäfer

Liquidmetal – so heißt eine neue Gruppe von Werkstoffen für die Medizintechnik. Wie ernst man diese nehmen muss? Nun, der Spritzgießmaschinenhersteller Engel Austria hat eigens dafür eine Maschine konzipiert.

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Die Liquidmetal-Maschine: Die Rohlinge werden automatisiert vereinzelt und der Schmelzekammer zugeführt.
Die Liquidmetal-Maschine: Die Rohlinge werden automatisiert vereinzelt und der Schmelzekammer zugeführt.
(Bild: Engel)

Es gibt viel Neues zu verkünden am 16. und 17. Juni auf dem Engel Symposium 2015 in Linz. Vor allem für die Medizintechnik. Denn obgleich sich der Spritzgießmaschinenbauer auf eine weiter wachsende Kunststoffindustrie einstellt, ist er eine Kooperation mit der kalifornischen Liquidmetal Technologies eingegangen – zur Verarbeitung von Metalllegierungen.

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Ergebnis dieser Partnerschaft ist eine Spritzgießmaschine auf Basis der vollelektrischen Maschinenreihe Engel E-Motion. Doch was ist Liquidmetal überhaupt? Liquidmetal wurde vor zirka 25 Jahren am Institute of Technology in Kalifornien entwickelt. Das Material ist 2,5-mal härter als Titan. Dennoch ist es elastisch, was zu einem sehr guten Rückstellverhalten führt, und – für die Medizintechnik wichtig – korrosionsbeständig.

Was ist Liquidmetal?

Sein Geheimnis: Die Zirkoniumlegierung erstarrt aufgrund ihrer Abkühlungsgeschwindigkeit amorph, nicht kristallin. Die Schmelztemperatur liegt bei 1.100 °C. Weil der Werkstoff der Festigkeit von Glas nahekommt, wird er gerne als metallisches Glas bezeichnet. Aufgrund der metallisch amorphen Struktur ist er sehr zäh. Kinetische Energie nimmt er nicht auf. All das prädestiniert die Legierung für die Fertigung mechanisch beanspruchter Bauteile. In der Medizintechnik könnten dies medizinische Zangen oder Endoprothesen wie Hüftgelenke und Stents sowie Dentalimplantate sein. Denn es lassen sich auch mit geringen Wanddicken robuste Teile verwirklichen.

Was den Verarbeitungsprozess angeht, so wurde Liquidmetal in der Vergangenheit oft auf Druckgießmaschinen verarbeitet. Nachhaltiger ist jedoch die Verarbeitung im Spritzgießprozess. Engel liefert nun weltweit exklusiv eine zertifizierte Spritzgießproduktionszelle. Lizenzgeber hierfür ist Liquidmetal Technologies. Das Material stammt von der Firma Materion, Werkzeuglieferant ist unter anderem die Firma Saga. Für Medizintechnikunternehmen, die an dieser Technologie interessiert sind, bieten sich im Wesentlichen drei Fertigungsmöglichkeiten: Produkte direkt bei Liquidmetal Technologies produzieren zu lassen, sie bei einem Lizenznehmer produzieren zu lassen oder aber eine Lizenz zu erwerben, um sie im eigenen Haus zu produzieren.

Die Liquidmetal-Maschine unterscheidet sich vor allem auf der Einspritzseite von einer herkömmlichen Spritzgießmaschine für die Kunststoffverarbeitung. Die Liquidmetal-Legierungen sind in Form von abgelängten Rundstäben erhältlich. Diese Rohlinge werden automatisiert einer Schmelzekammer zugeführt, wo das Material im Hochvakuum mittels Induktion aufgeschmolzen wird. Statt einer Schnecke besitzt die Maschine einen Kolben, mit dessen Hilfe die aufgeschmolzene Metalllegierung in ein temperiertes Werkzeug eingespritzt wird. Durch das schnelle Abkühlen unter Sauerstoffabschluss bildet sich die amorphe Gefügestruktur, die, wie bereits erwähnt, für die herausragenden Eigenschaften verantwortlich ist. Für die Entnahme der Bauteile kommen Standard-Roboter – zum Beispiel aus der Engel Viper-Baureihe – zum Einsatz. Der Anguss lässt sich unter anderem mit Hilfe einer Wasserstrahlschneidmaschine oder einer mechanischen Schere abtrennen. In der Verarbeitung von Liquidmetal sieht Engel eine Alternative zu Metal Injection Moulding (MIM) und der CNC-Bearbeitung, die in einem Arbeitsschritt und in kurzen Zyklen einsatzfertige Bauteile in einer sehr hohen Oberflächenqualität liefert.

Besser als MIM und CNC?

Bei der CNC-Bearbeitung werden Metallkomponenten einzeln aus einem Metallblock herausgearbeitet. Im Vergleich zum Spritzguss ist dieses Fertigungsverfahren jedoch sehr zeit- und kostenintensiv. Beim MIM-Prozess handelt es sich zwar ebenfalls um ein Spritzgießverfahren, allerdings werden keine Metalllegierungen, sondern Metall/Kunststoff-Pulver verarbeitet. Der Kunststoff muss nach dem Spritzgießen thermisch entfernt, das Fertigteil durch Sintern erhalten werden. Zudem ist häufig eine Nachbearbeitung der durch das Sintern rauen Oberfläche notwendig. Diese zusätzlichen Prozessschritte können – je nach Wanddicke – sehr viel Zeit in Anspruch nehmen.

Diese Nachteile vermeidet die Liquidmetal-Technologie und liefert wirtschaftlich einbaufertige Präzisionsteile mit sehr hoher Oberflächenqualität. Die Zykluszeiten bewegen sich zwischen 2 und 3 Minuten und liegen damit deutlich unter den Bearbeitungszeiten von CNC-Zentren. Weiterer Vorteil der Liquidmetal-Verarbeitung: Es fällt kein Abfall an, da die Angüsse recycelt werden können. Einziger Nachteil, der nicht unerwähnt bleiben soll: Der Rohmaterialpreis von Liquidmetal liegt derzeit bei 100 Euro pro kg. Er ist stark abhängig vom Zirkoniumpreis, dem Hauptbestandteil von Liquidmetal. Doch auch das könnte sich eines Tages ändern.

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