Stack und Multi

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Ohne Kunststoffe wäre die moderne Medizin nicht annähernd das, was sie heute ist. Der Technologieexperte für Heiß- und Kaltkanaltechnik Günther Heißkanaltechnik kann auf umfassende Expertise in der Medizintechnik verweisen, wie die folgenden Beispiele belegen.

Die Pandemie hat gezeigt, dass die heutigen Gesundheitssysteme nicht mehr ohne Plastik auskommen. Denn Kunststoff ist maßgeblich dafür verantwortlich, dass Hygienestandards eingehalten werden und Infektionen sowie bakterielle Übertragungen verhindert werden. Dasselbe gilt auch für medizinische Geräte. Kunststoff ist ein großer Vorteil, da Geräte wie Dialysemaschinen ohne das Material nicht wirklich funktionieren würden. Kunststoffe werden heute in nahezu allen Bereichen der Medizin eingesetzt, beispielsweise in Sterilverpackungen, Spritzen, Kathetern, Schlauchsystemen, Implantaten, künstlichen Ersatzstoffen oder Darreichungsformen zur Wirkstofffreisetzung. Einwegprodukte bieten vor allem hygienische Vorteile und ersetzen dadurch immer häufiger wiederverwendbare Teile aus Glas oder Metall.

Überall dort, wo Kunststoffprodukte in der Medizin zum Einsatz kommen, sind zuverlässige und effiziente Fertigungsprozesse gefragt. Die Heißkanaltechnik von Günther sorgt für höchste Prozesssicherheit bei komplexen Baugruppen und immer kleineren Formteilen. Ein aktuelles Beispiel sind die beiden Gehäusekomponenten für Lateral-Flow-Tests. Das Testgerät verfügt über eine Kassette, deren oberes und unteres Kunststoffgehäuse einen Verbundpolsterstreifen umschließt, der mit verschiedenen Chemikalien imprägniert ist. Im März 2020 erhielt ein britischer Hersteller den Auftrag zur Herstellung eines Acht-Tropfen-Testgeräts und des dazugehörigen 32-Tropfen-Serienwerkzeugs für den oberen und unteren Abdeckungsbereich. Das Projekt erforderte nicht nur einen technisch versierten Formenbauer, sondern auch einen innovativen Heißkanallieferanten. Hier kam Günther Hot Runner Technology ins Spiel, da man bereits in der Vergangenheit solche Spezialprojekte in der Medizintechnik durchgeführt hatte und wusste, dass die Nadelverschlusstechnologie für dieses Projekt ideal ist.

Die Anforderungen an das Heißkanalsystem umfassten eine saubere Angussstelle, eine gleichmäßige Füllung aller Teile und vor allem Zuverlässigkeit. Um die geforderten geringen Kavitätenabstände realisieren zu können, kamen 6NMT-Nadelverschlussdüsen mit kleinem Düsenkopf zum Einsatz. Diese Nadelverschlussdüse mit konventionellem Heizelement besteht aus einem zweiteiligen Schaft aus Titanlegierung und Edelstahl, der durch sein integriertes Heizelement ein äußerst homogenes Temperaturprofil über die gesamte Länge der Düse gewährleistet. Dadurch wird das Material schonend in den Tropfen geleitet. Bei der Absperrbewegung wird die Nadel zunächst über einen Konus bis zur zylindrischen Vorzentrierung geführt und taucht dort präzise in die zylindrische Angussspitze ein. Der verwendete Günther-Nadelbetätiger bietet eine präzise, ​​intelligente Nadelsteuerung für eine einfache Installation und Anschlusstechnik. Das gleichmäßige Öffnen der einzelnen Nadelverschlussdüsen gewährleistet einen zuverlässigen Einspritzvorgang auch bei kleinsten Schussgewichten. Der ANEH-Hubmechanismus kommt sowohl im Acht-Tropfen-Testgerät als auch im 32-Tropfen-Serienwerkzeug zum Einsatz.

Heiße Läufer

Intuitive Bedienung von Temperiergeräten

Spezielle Mehrkomponentenanwendungen oder Familienformen stellen eine große Herausforderung dar, wie beispielsweise bei der Herstellung eines Verriegelungsgriffs mit Injektionsnadel, bei dem die Metallnadel umspritzt wird. Da das Teiledesign für den Verriegelungsgriff geändert wurde, musste die Form von Grund auf neu konstruiert werden. Die Logik erforderte, dass das Formdesign so gestaltet werden musste, dass auch Einsparungen bei den Einspritzzeiten erzielt werden konnten. Allerdings bereitete der Ausgleich der unterschiedlichen Teilevolumina Probleme. Hier setzte die Günther Heißkanaltechnik mit ihrem elektrischen Antrieb für Nadelverschlusssysteme an.

Der Elektroantrieb bietet aufgrund seiner präzisen Steuerung erhebliche Vorteile. Um einen zuverlässigen Einspritzvorgang zu gewährleisten, ist eine exakte und intelligente Bedienung der Nadelverschlusstechnik erforderlich. Elektrisch angetriebene Nadelverschlusssysteme ermöglichen eine variable und dennoch präzise Einstellung der Nadelposition und der Hublänge in mehr als zwei Positionen. Die synchronisierte Nadelbewegung sorgt zudem für eine hohe Reproduktionspräzision. Hierzu können Sie die Nadeln zeitverzögert öffnen und die Form so ausbalancieren, dass beide Teile gleichmäßig gefüllt werden. Dabei kam ein elektrisches Nadelverschluss-Heißkanalsystem mit Schrittmotoren zum Einsatz. Der Schrittmotor SMA 10 E02 sorgt für hohe Präzision bei optimalem Kraft-Weg-Verhalten. Durch den Einsatz des Motors zusammen mit der entsprechenden DPE-Steuereinheit ist eine präzise Nadelverschlusssteuerung gewährleistet. Die Nadel kann auch im Bereich von 1–100 mm verstellt werden. Die Nadelverschlussdüse mit KA-Nadelführung mit Blue-Flow-Heizung und der zweiteilige Schaft runden die reinraumtaugliche Anwendung ab.

Das Hauptproblem bei diesem Projekt bestand darin, die verschiedenen Teile mit unterschiedlichen Volumina auszugleichen. Daher wurde die Steuerung mit Priamus-Temperatur- und Innendrucksensoren verknüpft. Dadurch wird sichergestellt, dass die Bilanzierung auf Basis der Daten der Temperatursensoren erfolgt, die am Ende des Fließweges installiert sind. Wenn die Schmelze die Sensoren erreicht, fährt das Steuersystem das Nadelventil zurück. Über den internen Drucksensor wird dann auf Nachdruck umgeschaltet. Die Temperatur- und Innendrucksensorik bietet zudem den Vorteil, dass sie über die zugehörige Steuerungstechnik hervorragend mit dem Günther-Nadelverschlusssystem kommuniziert.

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Stand vom 23.03.2021

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Ständige Forschung und Marktveränderungen wie steigende Arbeitskosten oder demografische Veränderungen zwingen Krankenhäuser und andere medizinische Einrichtungen dazu, Einweginstrumente anstelle von wiederverwendbaren Instrumenten anzuschaffen, deren Aufbereitungskosten bei etwa 2,50 bis 3,50 Euro pro Instrument und Zyklus liegen. Denn die Anschaffungskosten für Einwegprodukte sind zum Teil deutlich geringer als für die Aufbereitung von Mehrweginstrumenten. Wenn Gesundheitsorganisationen nur neue Instrumente verwenden, fallen für sie auch keine Reparaturkosten an.

Allerdings sind die Hersteller gezwungen, ihre Produktionskapazität zu erhöhen, um diese Einweginstrumente zu einem kosteneffizienten Preis anbieten zu können. Deshalb sind Etagenwerkzeuge gefragt. Hersteller nutzen sie gerne im Spritzgussprozess, um die Größe ihrer Spritzgussmaschine relativ klein zu halten und dennoch die Menge der produzierten Teile zu erhöhen. Aus wirtschaftlicher Sicht wird für den Maschinenstundensatz eine deutlich erhöhte Produktionsmenge hergestellt. Dadurch produziert die Maschine die geplante Losgröße in nahezu der Hälfte der Zeit und schafft gleichzeitig zusätzliche Produktionskapazitäten.

Energieeffizienz

Formtechnologie: Blue Düse spart bis zu 50 Prozent Energiekosten

Bei Etagenwerkzeugen ist jedoch eine enge Abstimmung zwischen Werkzeugbauer, Spritzgießer und Heißkanalhersteller von entscheidender Bedeutung, da der Aufbau des Heißkanalsystems sehr komplex ist, wie am Beispiel eines 16+16-Tropfen-Werkzeugs für a Sondermessen für Medizintechnik-Komponenten. Das herzustellende Teil besteht aus Polyolefin und hat ein Volumen von 10,5 cm3.

Zunächst müssen folgende Informationen eingeholt werden: Wie soll das Teil angespritzt werden: mit offener Düse oder mit Nadelverschluss? Der Düsentyp wird dann basierend auf der Kunststoffart und der Teilegeometrie ausgewählt. Die Antriebsart der Nadelverschlusskonstruktion hängt dann davon ab, ob Einzelventile oder Plattenantriebe zum Einsatz kommen. Gefragt sind Antworten auf Fragen wie: Werden die Teile Rücken an Rücken oder versetzt angeordnet? Wird die Schmelze über einen langen Ausguss oder über einen geteilten Transferweg in den beweglichen Formbereich geleitet? Wie groß ist die zu erwartende Einspritzzeit bzw. der Materialdurchsatz pro Zeiteinheit? Im letzten Schritt können dann die Formgröße und die mögliche Anlagenhöhe ermittelt werden.

Welche Düsentypen zum Anspritzen des Teils ausgewählt werden, hängt im Allgemeinen von der erforderlichen Angusspunktqualität ab. Nur ein Nadelverschlusssystem ermöglicht eine völlig faserfreie Anspritzung. Entscheidet man sich aus Kostengründen oder aus Einschränkungen der Formhöhe für den Einsatz offener Heißkanaldüsen, muss sichergestellt werden, dass im Prozess eine ausreichende Dekompression erreicht werden kann. Bei unzureichender maschineller Dekompression kann es beim Öffnen der Form dazu kommen, dass die Schmelze in die Trennfuge läuft. Dieser Überschuss führt im nächsten Zyklus zu einem kalten Butzen, der anschließend entweder im Teil gefunden wird oder verhindert, dass sich der Anguss während des Einspritzens öffnet. Zur Unterstützung der Dekompression können am Verteiler geeignete Dekompressionseinheiten angebracht werden. Wenn die Dekompressionsproblematik im Vorfeld nicht eindeutig geklärt werden kann, empfiehlt es sich, den Platzbedarf für die Überdruckventile in die konstruktive Gestaltung einzubeziehen. Bei der Verwendung von Nadelverschlussdüsen kann bei rechtzeitigem Schließen der Nadeln die Schmelze nicht aus den Angussstellen austreten. Bei der Auswahl der Düse müssen Montage- und Demontagemöglichkeiten berücksichtigt werden.

Die von Günther erhältlichen STT- bzw. STF-Düsen für offene Systeme und NTT- bzw. NTF-Düsen für den Nadelverschluss sind so konzipiert, dass ein Ein- und Ausbau in der Trennfuge möglich ist. Das bedeutet, dass der Rest des Heißkanalsystems nicht demontiert werden muss. Bei Bedarf kann die Düse auch bei eingespannter Form gewechselt werden. Die Düsen sind mit Steckanschlüssen zum Anschluss von Strom und Heizung ausgestattet. Zeit und Mühe werden gespart, da beim Austausch der Düsen die Verkabelung bis zum Anbaugehäuse nicht verlötet werden muss. Dadurch wird die Ausfallzeit der Spritzgießmaschine reduziert. Die Düse wird über zwei Einstellräder am Kopf positioniert. Das obere Zifferblatt bietet außerdem Auslaufschutz. Durch die Führung der Kabel durch die Düsenhalteplatte in Richtung Trennfuge wird eine thermische Überlastung der Kabel vermieden. Für das 16+16-Tropfen-Werkzeug wurde die Nadelverschlussdüse 6NTT3-150VA mit einem Angussdurchmesser von 1,2 mm verwendet. Der Nadelführungstyp VA ist aus einem pulvermetallurgischen Stahl gefertigt und gewährleistet durch eine Härte von rund 60 HRC eine lange Lebensdauer und einen hervorragenden Anschnitt nahe der Nadelführung.

Ressourcen schonen

Wie innovative Heißkanaltechnologie Material effizienter nutzt

Der Heißkanalverteiler dient zur Übertragung der plastifizierten Schmelze von der Verbindungsdüse zur Heißkanaldüse. Beim 16+16-Tropfen-Werkzeug wurden die Kanaldurchmesser im Verteiler, den Heißkanaldüsen und der Verbindungsdüse mit der Simulationssoftware Sigmasoft berechnet. Zusätzlich zu den Berechnungsergebnissen zu Druckverlust und Materialscherung werden die thermischen Eigenschaften des Verteilers berechnet. Die Verteilung erfolgt nun über einen geraden Hauptverteiler mit zwei Zweigen auf vier Unterverteiler mit jeweils acht Zweigen. Der Durchmesser des Schmelzekanals beginnt bei 16 mm am Verteilereinlass und verringert sich auf 6,2 mm im Auslassloch zur Nadelverschlussdüse. Durch die versetzte Anordnung der Düsen im Etagenwerkzeug ist es möglich, mit einer geringeren Anzahl an Schmelzeverteilern zu arbeiten. Dadurch reduziert sich die Anlagenhöhe und auch das Gewicht der Form.

Der Schmelzetransfer in Heißkanalsystemen für Etagenwerkzeuge erfolgt entweder kontinuierlich mit einer langen, durchgehenden Verbindungsdüse oder mit einer geteilten Transferstrecke. In unserer Anwendung war ein geteilter Transfer erforderlich, da die Form nicht als Ganzes eingespannt werden konnte. Die feste Düsenseite, der bewegliche Mittelblock mit Heißkanal und die bewegliche Auswerferseite werden separat aufgespannt und auf der Spritzgießmaschine zusammengefügt. Der Schmelzekanal in den Verbindungsdüsen hat einen Durchmesser von 16 mm. Auf der Seite der festen Düse ist eine offene Düse und auf dem bewegten Mittelblock eine Verbindungsdüse mit Nadelverschluss angebracht. Dieser Nadelverschluss sorgt dafür, dass beim Öffnen des Werkzeugs keine Schmelze in die Trennfuge eindringen kann. Der Schieber für die Verbindungsdüse wird von einem einzigen Pneumatikzylinder angetrieben. Bei der 16+16-Tropfen-Anwendung kam die Back-to-Back-Lösung mit EEV-Einzelpneumatikventilen zum Einsatz. In diesem Fall müssen die Luftzufuhrlöcher zu den Ventilen gut ausbalanciert sein. Auswuchtung und ausreichend große Lochdurchmesser sind für die einwandfreie Funktion der einzelnen Ventile verantwortlich. Die Temperatur der Düsenplatten, an denen die EEVs montiert sind, sollte während des Betriebs 100 °C nicht überschreiten. Dies stellte für diese Anwendung kein Problem dar, da die allgemeine Werkzeugtemperatur während des Prozesses 20 °C beträgt.

Die Beispiele zeigen, dass der zunehmende Kostendruck im Gesundheitswesen die Hersteller vor extreme Herausforderungen stellt, ihre Produktionskapazitäten zu erhöhen und kosteneffiziente Arbeitsweisen einzuführen. Um den Erfolg solcher Projekte zu gewährleisten, empfiehlt es sich daher, bei der Konzeption von Etagen- und Familienwerkzeugen oder Mehrkomponentenanwendungen frühzeitig eine enge Abstimmung mit dem Werkzeugbauer und Heißkanalhersteller einzuholen.

* Horst-Werner Bremmer ist Vertriebsleiter von Günther.

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