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Werkstoffe

Keine Angst vor Kunststoffen

Ausgetüftelte Kunst- und Verbundwerkstoffe eröffnen der Medizintechnik immer speziellere Anwendungsfelder. Damit landen jedoch auch neue Herausforderungen auf den Schreibtischen der Werkzeug- und Formenbauer.  Wie bewältigt man sie am besten?

Neben konventionellen Werkstoffen wie Metall, Glas oder Keramik werden mit steigender Tendenz Kunststoffe in dieser wachstumsintensiven Branche eingesetzt. Für sie eröffnen sich hier kontinuierliche neue Einsatzmöglichkeiten. Das liegt an ihren spezifischen Eigenschaften, ihren flexiblen Gestaltungsmöglichkeiten und nicht zuletzt an der kostengünstigen und einfachen Verarbeitung. Mittlerweile haben sich Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polystyrol (PS) und Polyvinylchlorid (PVC) hier zu echten Standardmaterialien entwickelt. Etwa 80 Prozent des gesamten Verbrauchs entfällt auf diese Sortierungen. Bei den restlichen 20 Prozent handelt es sich um technische Kunststoffe wie Polycarbonat (PC), Polyamid (PA), Polyurethan (PUR), Polyester (PET) oder auch Copolymere. Das sind aus zwei oder mehr unterschiedlichen Monomeren aufgebaute Polymere wie beispielsweise Acryl-Butadien-Styrol (ABS). Die Beliebtheit von Kunststoff in der Fertigung liegt sicher auch in dem guten Support begründet, die Hersteller von den Großen unter den Rohstofflieferenten wie der BASF bekommen.

Spezialrezeptur für Medizintechnik

Die bündelt beispielsweise unter dem Markennamen PlasticsPlus™ auch ein eigenes Portfolio an Spezialkunststoffen für die Medizintechnik. Mit im Paket sind die Garantie für langfristige Rezepturstabilität, Produktreinheit und die Ergebnisse aus verschiedenen Basisuntersuchungen zur Chemikalienverträglichkeit. „Weil unsere Kunden das Servicepaket positiv aufgenommen haben, wurde dieses Angebot jetzt auch auf unser neu entwickeltes Luran HD ausgeweitet“, erklärt Business Manager Thomas Wiles. Diese Rezeptur, das erste Styrol-Acrylnitril-Copolymer (SAN) der BASF für die Medizintechnik, kombiniert Transparenz mit Chemikalienresistenz und ist widerstandsfähig gegen Temperaturschwankungen. Damit ergänzt es bereits existierende Produkte wie Terluran HD, das ein besonders günstiges Verhältnis von Zähigkeit und Steifigkeit bietet und Ultraform PRO, das als technischer Kunststoff mechanisch besonders belastbar ist und gute Gleitreibeeigenschaften hat. Typische Anwendungen sind zum Beispiel spritzgegossene Gehäuse für Inhalationsgeräte. Im Geschäftsbereich Plastic Systems der Gerresheimer AG, Düsseldorf, der alle Aktivitäten auf dem Kunststoff-Sektor einschließlich der im Januar 2007 erworbenen Wilden-Gruppe zusammenfasst, werden solche Inhalatoren aller Kategorien bis hin zu Trockenpulver-Inhalatoren in großer Stückzahl aus Kunststoff herstellt. Fragt man nach den Besonderheiten bei der Verarbeitung, sagt Gerhard Luber, Director Corporate Mold Making der Gerresheimer Wilden Werkzeug- und Automatisierungstechnik GmbH, Wackersdorf dazu: „Die Spritzguss-Werkzeuge müssen generell reinraumtauglich sein. Sie sollten so ausgeführt sein, dass Verunreinigungen während des Spritzprozesses vermieden werden.“ Zudem sollte man grundsätzlich von Kaltkanal- und Tunnel-Anguss absehen, da hier eine Partikelbildung beim Abriss und bei der Entformung des Angusses entstehen kann. Zudem hält Gerhard Luber „Nadelverschlussdüsen für die bessere Lösung, da hier keine Gefahr der Fadenbildung entsteht.“

„Bei pneumatischen Systemen ist zu beachten, dass die entweichende Druckluft kontrolliert aus dem Prozessraum entweicht.“ Gute Formteilentlüftung in den Kavitäten schließt Ablagerungen aus, die sich im ungünstigsten Fall in Form von Partikeln lösen. In einzelnen Fällen ist eine Werkzeugabdichtung mit Vakuumabsaugung nötig. Der Experte für den Formenbau empfiehlt, „die Verwendung von Schmiermittel grundsätzlich zu vermeiden. Falls das dennoch unumgänglich ist, sollten nur geringste Mengen speziell für Reinraumanwendung geeigneter Schmierstoffen verwendet werden. Aber keinesfalls bei den Auswerfern, da dies zu Verunreinigungen auf den Teilen führt.“ Bei Gerresheimer Wilden kommen bevorzugt Werkzeuge mit gleitunterstützender Beschichtung, wie zum Beispiel DLC- oder WCC- Beschichtung, zum Einsatz. Zudem wird auf die saubere Teile-Entformung, zum Beispiel durch ausreichende und geschmirgelte Entformungsschrägen, geachtet. So wird Abrieb vermieden. Dr. Dirk Binkowski,  bei BASF für technische Kunststoffe in der Medizintechnik zuständig, kommt zu einer ganz ähnlichen Einschätzung: „Werkzeuge für die Kunststoffverabeitung in der Medizintechnik unterscheiden sich technisch kaum von ‚herkömmlichen’ Spritzgießwerkzeugen, jedoch werden sie oft im Reinraum betrieben: Die Anlage sollte in den Reinraum sowenig Staub, Schmutz und Wärme wie möglich emittieren.“

Da der Fertigungsprozess mit sämtlichen Produktions- und Maschinenparametern auf das fertige Produkt Einfluss nimmt, „muss eine reproduzierbare Prozessführung gewährleistet sein.“ Das schließt zum Beispiel auch die produktgerechte Gestaltung der Fließkanäle und des Werkzeugs mit einer eventuell erforderlichen Temperierung mit ein. Und er fordert:  „Es sollten hochwertige Materialen für Anlagen und Werkzeuge verwendet werden, so dass auch sie möglichst geringe Emissionen aufweisen und vor allem leicht gereinigt werden können. Das betrifft auch Betriebsmittel, wie zum Beispiel Öle und Fette, die bei der Produktion von Medizintechnik auch über eine entsprechende Zulassungen verfügen müssen.“

Mit einem ähnlich komplexen Werkstoff ist die SGL Group in der Medizintechnik vertreten. Der weltweit führende Hersteller von Produkten aus Carbon, Graphit und Faserverbundmaterialien bringt ihn unter dem Produktnamen SIGRAFIL CFK überall dort zum Einsatz, wo es auf hohe Stabilität und Bruchsicherheit bei gleichzeitig niedrigem Gewicht ankommt. SIGRAFIL-CFK-Bauteile, die mit speziellen Stützschäumen im Sandwichaufbau hergestellt werden, erlauben freitragende Konstruktionen mit minimaler Durchbiegung. Der Werkstoff weist zudem eine ausgezeichnete Transparenz für Röntgenstrahlen auf. Der Mediziner erhält dadurch hochauflösende Röntgenbilder bei minimaler Strahlenbelastung für den Patienten. Die Produktpalette der Medizintechnik umfasst zum Beispiel Patientenlagerungsplatten für Röntgenuntersuchungen, für die Computertomographie und Operationssäle, das Zubehör für Röntgen- und CT-Untersuchungen, sowie Kassetten für Röntgenfilme, Mammographieplatten, Kopfschalen und andere Halter. Die Röntgentische werden als Sandwichbauteil mit einem formgebenden Schaumteil und einer Decklage aus Kohlefaserverbundwerkstoff gefertigt. So lassen sich Prototypen und Kleinserien wirtschaftlich im Autoklavverfahren herstellen.

Großserien werden mit Aluformen und in einer Presse unter Druck- und Temperatur-Aufschlag in einem Schritt produziert. Die Konturendbearbeitung erfolgt auf herkömmlichen Fräsmaschinen mit hochharten Werkzeugen, um die aus Wirtschaftlichkeitsgründen geforderten, hohen Standzeiten zu erreichen. Damit erweist sich dieses Material als für die Medizintechnik überaus interessanter Werkstoff. An weiteren Anwendungen wird bereits gearbeitet.

Robert Wouters