Die Polyamide mit intelligenter Molekularstruktur eignen sich für Ladeluftkühler im Kfz-Motorraum. (Bildquelle: Solvay)
Eine eigene Lounge war den Polyamiden Technyl von Solvay gewidmet. Dabei wurden drei Spezialitäten in den Vordergrund gestellt. Eine davon war Technyl RED J 218 HP V35, ein auf einer patentierten PA66/6T-Technologie basierendes Produkt für Wärmemanagementsysteme. Mit 35 Gewichtsprozent Glasfasern verstärkt, erreicht es Dauereinsatztemperaturen von 220 °C bei 2.000 h oder 210 °C bei 3.000 h – bei gleicher Fließfähigkeit wie PA66. Für den Einsatz im Motorraum kombiniert es hohe Schlagzähigkeit, Beständigkeit gegen Säurekondensate, gute Fließfähigkeit sowie eine sehr gute Oberfläche und gute Vibrations- und Heißgas-Schweißbarkeit für Teile mit hoher Berstdruckfestigkeit. Eine weitere Spezialität: Technyl 4Earth, ein umweltschonendes PA66-Rezyklat aus Airbag-Abfällen mit der Performance von Neuware.
Thermoplastische Elastomer Hybride (TEH) – die Synergie zweier Welten. (Bildquelle: alle Kraiburg TPE)
Schon kurze Zeit nach der Markteinführung der TPE-Materialien, Mitte der 80iger Jahre, war es der erklärte Wunsch, die hervorragenden Eigenschaften von Gummi mit den Vorzügen der Thermoplastischen Elastomere zu verbinden. Die Verarbeiter von TPE schätzten zwar die neu gewonnenen Vorteile hinsichtlich der thermoplastischen Verarbeitbarkeit und die damit verbundene kürzere Zykluszeit, die deutlich größere Freiheit in Bezug auf das Bauteildesign und die Möglichkeiten des 2-Komponenten-Spritzgießens – materialtechnisch anspruchsvolle Anwendungen blieben ihnen jedoch weiterhin verschlossen. Der Bedarf an einer universellen Materiallösung auf TPE-Basis war groß und wurde im Laufe der Zeit größer.
Bedingt durch ihre chemische Zusammensetzung waren thermoplastische Copolyester Elastomere (TPC) oder thermoplastische Polyamid Elastomere (TPA) relativ früh im Fokus der Entwicklungen. Diese sollten den hohen Ansprüchen hinsichtlich Öl-, Fett- und Kraftstoffbeständigkeit bei gleichzeitig hoher Temperaturstabilität genügen. Es wurden zahlreiche Ansätze im Bereich von Shore D Reaktor-TPE wie TPC und TPA verfolgt, diese konnten jedoch nicht mit der Elastizität und Weichheit von Gummi konkurrieren.
Weiche, im Shore A Bereich angesiedelte TPE, wie TPS, TPO oder EPDM/PP (TPV), weisen hingegen eine maximale Dauereinsatztemperatur von 125 °C bei mäßiger oder keiner Beständigkeit gegenüber Ölen, Fetten und Kraftstoffen auf.
Vor über zehn Jahren führte das zu einem regelrechten Boom an Entwicklungen in dem technologisch noch zu besetzenden Feld mit hohen Anforderungen an die Temperatur- und Medienbeständigkeit im Bereich von Shore A. Zahlreiche sogenannte Super-TPE bzw. Super-TPV kamen auf den Markt und verschwanden nach und nach wieder.
Erfolgreiche Vertreter dieser TPE-Klassen sind zum Beispiel auf Acrylat-Kautschuk basierte Super-TPV. Auch Kraiburg TPE hat weiche TPE-Compounds unter dem Namen Hipex entwickelt, die in Getrieben und Schmierkreisläufen von Automobilen eingesetzt werden.
Es gibt zahlreiche Gründe, weshalb sich diese Entwicklungen wenig im Markt etablieren konnten. Auffällig ist jedoch, dass diese Thermoplastischen Elastomere sich auf jeweils nur eine und somit relativ starre Rohstoffbasis beziehen. Immer wieder wurde versucht, mit einer TPE-Klasse und ihrer speziellen Rohstoffbasis möglichst viele Anwendungsfälle zu bedienen. Der gewünschte Erfolg einer „Universallösung“ blieb aus.
Bei Betrachtung der Kautschuk- und Gummimischungen fällt auf, dass es eine breitgefächerte Rohstoffbasis gibt, welche die unterschiedlichen Applikationen mit unterschiedlichen Ansprüchen an Temperatur- und Chemikalienbeständigkeit bedient. Dazu zählen unter anderem NBR, H-NBR, EVM, AEM, ACM, ECO, CR, SBR, IIR, BR, EPDM, VMQ, die repräsentativ für entsprechend daraus gefertigte Gummicompounds stehen. Die Applikationen und deren Materialanforderungen in den angegebenen Temperatur- und Beständigkeitsbereichen sind derart unterschiedlich, dass starre Materialantworten nur einen Bruchteil der Anwendungen erschließen würden. Der Erfolg der Gummimischungen liegt im individuellen Compounding, welches sich der Vielzahl an Elastomeren bedient. Es ist daher naheliegend, dass dies auch für neuartige TPE-Materialien gilt. Das Konzept, vielfältige technische Anwendungen mit einer TPE-Universallösung zu ersetzen, musste folglich scheitern.
Einordnung von Gummitypen basierend auf unterschiedlichen Elastomeren nach Temperatur und Medienbeständigkeit.
Wie in der Vergangenheit gibt es für TPE-Materialien auch heute noch Hürden, die einem breitgefächerten Einsatz entgegenstehen. Gummimaterialien haben seit Jahrzehnten einen angestammten Platz in anspruchsvollen Anwendungen. Dabei spielt die Beständigkeit bezüglich Temperatur und Chemikalien eine zentrale Rolle. Hinzu kommt, dass sich der Maschinenpark der Gummiverarbeitung grundlegend von dem der thermoplastischen Verarbeitung unterscheidet. Selbst wenn die technische Performance von TPE genügt, werden Kautschuk-Compounds nur zögerlich durch TPE-Compounds ersetzt werden.
Ausgangssituation für die Entwicklung der neuen Technologieplattform und der Thermoplastischen Elastomer Hybride
Es zeichnete sich bei Kraiburg TPE ab, dass das bisherige Konzept der Universallösung überdacht werden musste. Mit dem Gummiwerk Kraiburg hat Kraiburg TPE einen kompetenten Partner in Sachen Kautschuktechnologie und deren Anwendungsfelder an der Seite.
Die Welt des Kautschuks und die Vielfalt ihrer verwendeten Elastomere eröffnet ganz neue Horizonte für mögliche TPE-Materialien. Interessant ist, dass unterschiedliche Kautschukmischungen nahezu alle mit derselben Technologie hergestellt werden. Trotz chemischer Unterschiede der verwendeten Elastomere und deren Vernetzungschemie liegt der Schlüssel zum Erfolg in der Flexibilität des Herstellverfahrens. Das Ziel von Kraiburg TPE war es, eine Kombination aus flexibler Herstelltechnologie mit einer großen Vielfalt an Rohstoffen zu erzielen.
Application engineered TEH
Nach intensiver Forschung und Prozessentwicklung ist es gelungen, eine Technologieplattform zu realisieren, die es erlaubt, eine Vielzahl von Thermoplast-Elastomer-Kombinationen in kurzer Zeit zu erproben. Bedurfte es für die ersten Entwicklungen noch Monate, kann heute innerhalb weniger Versuchszyklen und nach wenigen Wochen der Prüfung eine Aussage über die Eignung einer neuen Rohstoffkombination getroffen werden. Die jeweilige Anwendung mit ihrem spezifischen und technischen Anforderungsprofil bestimmt dabei die Wahl der Rohstoffkombination aus passendem Thermoplast und Elastomer.
In den vergangenen Jahren wurden bei Kraiburg TPE unterschiedliche Thermoplaste, wie PP, PE, EVA, PA, PBT sowie modifizierte Thermoplaste aber auch Thermoplastische Elastomere, wie TPE, TPC, TPA, TPU als Thermoplast-Phase getestet. Als Elastomere kamen unter anderem NBR, H-NBR, EVM, AEM, ACM, SBR, IIR, BR, NR, EPDM und VMQ zum Einsatz.
Essentiell bei der Auswahl der Elastomere war die Verfügbarkeit der eingesetzten Rohstoffe. Der Übertrag in den Produktionsmaßstab wurde für ausgewählte TEH-Compounds erfolgreich absolviert, sowie Patente zu den Thermoplastischen Elastomer Hybriden und deren Herstelltechnologie bereits veröffentlicht.
Gegenüberstellung wesentlicher Produkteigenschaften von TEH, Standard TPS/TPV und Gummi.
Mit der Technologieplattform ist es Kraiburg TPE gelungen, das Eigenschaftsprofil von weichen, TPE-Compounds unter 80 Shore A deutlich zu erweitern. Kunden profitieren durch dieses Herstellverfahren von völlig neuen, anwendungsspezifischen Materiallösungen. In Anwendungen, bei denen klassische TPE an ihre Grenzen stoßen und bisher Gummimaterialien bevorzugt wurden, können künftig Thermoplastische Elastomer Hybride eingesetzt werden. Gleichzeitig bietet die thermoplastische Verarbeitung Designfreiheit, kurze Zykluszeiten und vielfältige Möglichkeiten des 2-Komponenten-Spritzgießens. Hinzu kommt der inhärente Vorteil von thermoplastisch verarbeitbaren Materialien gegenüber Gummi: wie herkömmliche TPE sind TEH recyclingfähig.
Thermoplastische Elastomer Hybride können wie Thermoplaste verarbeitet werden. Im Kontakt mit verschiedenen Medien sind die TEH den Gummimischungen ebenbürtig. Haftungsoptimierte TEH-Compounds, die im 2-K-Spritzguss verarbeitet werden, erübrigen das aufwendige Montieren separat gefertigter Gummiteile und vermeiden damit verbundene Fehlerquellen.
Ausgewählte Vergleiche zwischen Gummi und TEH
Mechanische Kenngrößen von beispielhaften TEH Compounds TEH (PA) und TEH (PP).
Zunächst wurden die mechanischen Kennwerte zweier TEH-Compounds verglichen. Eines war für die Haftung auf Polypropylen (TEH (PP)) und das andere für die Haftung auf Polyamid (TEH (PA)) entwickelt worden. Die Prüfungen wurden für Dauerbelastungen bei Temperaturen bis zu 120 °C ausgelegt, wie sie beispielsweise im Getriebe von Automobilen von Interesse sind. Hervorzuheben sind die sehr niedrigen Druckverformungsreste der TPE.
Quellverhalten von TEH (PA) und TEH (PP) in IRM901 bei 120 °C im Vergleich zu einem handelsüblichen NBR-basierten Gummi.
Weiterhin wurde das technische Potential dieser TEH-Compounds mit einem NBR basierten Gummi verglichen. Der Quellversuch ergab eine deutliche Volumen-Abnahme des NBR-basierten Gummicompounds. Dies kann ein Problem bei Dichtungsanwendungen darstellen. Beide TEH zeigen hingegen eine sehr geringe Volumenänderung, auch unter extremen Bedingungen von drei Wochen bei 120 °C in IRM901 Öl.
Bruchdehnungsverhalten von TEH (PA) und TEH (PP) in IRM901 bei 120 °C im Vergleich zu einem handelsüblichen NBR-basierten Gummi.
Ein ähnlicher Trend zeigt sich in den Ergebnissen des Zugverhaltens bei Heißluftlagerung von sechs Wochen bei 120 °C. Das Verhalten der Produkte in oxidativer Umgebung bei 120 °C zeigt deutliche Unterschiede der Leistung von TEH gegenüber NBR-basiertem Gummi. So ist bereits nach drei Wochen die Lebensdauer des NBR-Gummicompounds überschritten, wohingegen die TEH über die Messdauer von sechs Wochen nahezu konstant in ihrer Zugfestigkeit bleiben.
Änderung der Zugfestigkeit bei 120 °C Heißluftalterung von TEH (PA) und TEH (PP) im Vergleich zu einem handelsüblichen NBR-basierten Gummi.
Für die Auswahl von Dichtungsmaterialien stellt die Messung der Druckspannungsrelaxation eine praxisnahe Prüfung dar. Sie liefert aussagekräftigere Ergebnisse als der Druckverformungsrest. Die Druckspannungsrelaxation bei 120 °C Heißluft für drei Wochen führt lediglich zu einem Spannungsabfall von 39 % des TEH (PP). Der Druckverformungsrest nach dieser Zeit und Temperatur beträgt lediglich 58 %.
Druckspannungsrelaxation von TEH (PP) bei 120 °C Heißluft.
Die Druck-Spannungs-Relaxation des TEH (PA) in einem Getriebeöl (Fuchs Titan EG5252529) bei 100 °C nach drei Wochen verdeutlicht das hohe Leistungsniveau der TEH. Interessant ist der leichte Spannungsanstieg zu Beginn der Messung, wo sich zwei Effekte überlagern: Die Quellung in Getriebeöl und der Spannungsabbau, der zu Beginn der Messung noch stark ist.
Druckspannungsrelaxation von TEH (PP) bei 120 °C Heißluft.
Die Materialien sind gut für den Einsatz in permanentem Kontakt mit paraffinischen Ölen geeignet. Bei Spitzentemperaturen von 120 °C zeigt sich eine bessere Beständigkeit als bei einem vergleichbaren NBR-basierten Gummicompound.
Quellverhalten eines TEH in IRM903 bei 140 °C im Vergleich zu einem handelsüblichen H-NBR basierten Gummi.
Gleiches gilt für die Lagerung bei 140 °C in aromatischem Öl IRM903 über 3 Wochen. Es wurde ein TEH mit einem H-NBR-basierten Gummi verglichen.
Fazit
Mit den neuen Thermoplastischen Elastomer Hybriden kann Kraiburg TPE die Leistungsunterschiede zwischen TPE und Gummi weiter verringern. Die neue Technologieplattform erlaubt es, eine Vielzahl von „application-engineered“ Materiallösungen bereitzustellen, deren Modifikationsvielfalt mit der von TPE oder Gummicompounds vergleichbar ist.
Herman Giesser (links) und Björn Mutschler betrachten die Kunststoffgriffe der ersten Generation und freuen sich über die deutlichen Qualitätsverbesserungen. (Bildquelle: alle Simone Fischer/Redaktion Plastverarbeiter)
Seit über 240 Jahren werden in Winnenden Messer gefertigt. Die Johannes Giesser Messerfabrik produziert für den Profibereich sowie Haushaltsmesser – 100 Prozent Made in Germany. In Winnenden unterhält der Messerhersteller zwei Fertigungsstandorte. Einen zur Klingenherstellung und einen zweiten, an dem die Klingen zum fertigen Produkt weiterverarbeitet werden. Und im Wareneingang von Werk 2 begann unser Rundgang. Unscheinbar liegen die Klingen unterschiedlichster Größe, Dicke und Geometrie in den Kisten. 400 unterschiedliche Klingen, die meisten gestanzt, einige auch geschmiedet, warten dort auf die Weiterverarbeitung.
Klinge für Klinge
Gestanzte und eine geschmiedete Messerklinge warten im Wareneingang auf die Weiterverarbeitung.
Zunächst erhalten die Rohklingen den Rückenschliff. Das ist der Schliff der oberen, stumpfen Kante. Anschließend erfolgt der Flächenschliff der beiden Seiten bevor der Scharfschliff der Klinge erfolgt. Sieben Maschinen, deren Magazine oder Drehteller alle von Hand bestückt werden, übernehmen diese Aufgabe. Jedoch muss, bevor das Schleifen erfolgt, jede Klinge von einem Mitarbeiter auf Verzug kontrolliert werden. Hat sich durch den Wärmeeintrag beim Härten eine Verformung ergeben, so wird die Klinge von einem Mitarbeiter durch einen oder mehrere Hammerschläge gerichtet. Nach dem Scharfschliff werden die Messer angelassen. Dadurch wird das Stahlgefüge entspannt, um Risse beim Weiterverarbeiten und beim späteren Gebrauch zu vermeiden. Außerdem kann ein entspannter Stahl nachgeschliffen werden. Der für die Messer verarbeitete Edelstahl ist rostfrei und besitzt eine Härte
Zufuhr der Klingen zum Rückenschleifen.
von 56 HRC Rockwell. Abschließend werden die Klingen maschinell poliert. Für das Polieren der Oberflächen kommt eine Polierpaste zum Einsatz, die wieder abgewaschen werden muss um die haftsichere Verbindung mit dem Kunststoffgriff sicherzustellen. Hierzu wird ein Ultraschallbad verwendet, das einen alkoholischen Reiniger enthält. Sind die Oberflächen gereinigt, so werden die Rohklingen nach einem Spülschritt im Vakuum getrocknet und sind nun bereit, um mit Kunststoff umspritzt zu werden.
Welche Klinge-Griff-Farbkombination darf es sein?
Der Weg in die Spritzerei führt am Klingenlager vorbei. Dort lagern 380.000 Klingen, von einer 10 mm langen Miniklinge für einen Wurstpellen-Schneider bis hin zur Klinge für ein Döner-Messer mit einer Länge von 55 cm. Die Variantenvielfalt der bei Giesser hergestellten Messer ist groß. Denn die verarbeiteten drei Materialtypen sind in sechs Standardfarben – Gelb, Rot, Blau, Grün, Schwarz und Weiß – verfügbar. Es werden 25 Standardgriffe an 500 Standardklingen gespritzt, sowie Sonderserien für den Consumer-Bereich oder auch Spezialgriffe aus antiallergenem Material für den Profibereich. „Für Standardklingen mit Wunschgriff beginnt die Produktionslosgröße bei 60 Stück“, führt Björn Mutschler Produktionsleiter bei Giesser Messer aus.
Blick in das Rohklingenlager, in dem bis zu 380.000 Klingen auf ihren Griff warten.
Verarbeitet werden drei lebensmittelkonforme Materialtypen: Polypropylen mit einem Glasfaseranteil von 20 Prozent, sowie Thermoplastische Elastomere mit 50 und 90 Shore. Die Hartkomponente der Messer mit einem 2K-Griff wird aus PP gespritzt, das mit dem 90 Shore TPE ummantelt wird. Die Standardgriffe besitzen eine leichte Erodierstruktur. Die 2K-Griffe sind mit einer ausgeprägten Struktur versehen, um trotz rutschhemmendem Soft-Touch einen sicheren Grip zu erzielen. Diese Grifftype ist arbeitsergonomisch ausgeführt, erleichtert die Messerführung und verringert dadurch den Krafteintrag auf das Handgelenk.
Griffe in fünfter Generation
Fünf Generationen Messergriffe: rechts der Holzgriff, dem die ersten Griffe aus Kunststoff nachempfunden worden waren. Ganz links ein Messer der heutigen Griffgeneration.
Doch seit wann besitzen Messer eine Kunststoffgriff und warum? Dies erläutert Hermann Giesser, Geschäftsführer Giesser Messer, Winnenden: „Die Wirtschaftlichkeit in der Produktion war einer der Gründe. Denn bei Messern, deren Griff aus zwei Halbschalen besteht sind außerdem drei Nieten erforderlich, um aus Klinge und Schalen eine Einheit herzustellen. Das heißt diese Messer bestehen aus sechs Einzelteilen und zahlreichen Fertigungsschritten. Steigende Hygienestandards forderten ebenfalls eine verbesserte Lösung. Und so kam der Spritzguss ins Spiel, mit dem beide Forderungen – wirtschaftliche Fertigung, optimale Reinigungsmöglichkeit und stoffschlüssige Verbindung – erfüllt werden konnten.“ Dieser Schritt ist nahezu 50 Jahre und fünf Griffgenerationen her. War die erste Generation des Kunststoffgriffs aus Polypropylen eine 1-zu-1-Nachbildung des Holzgriffs, so orientiert sich die heutige Version an Funktion und Ergonomie.
Die Hygieneanforderungen werden durch die Verordnung EN10/2011 für Kunststoffe im Lebensmittelkontakt vorgegeben. Die Messer müssen Temperaturzyklen von -10 °C bis 100 °C formstabil überstehen. Es darf zu keiner Ablösung und Unterwanderung des Griffmaterials kommen. Weiter müssen die Messer sterilisierbar, laugenstabil und spülmaschinengeeignet sein. Die eingesetzten Materialien sind für diese Eigenschaften ausgelegt. Ebenso für die gute Anbindung an den Klingenstahl. Der Klingenerl wurde nicht oberflächenbehandelt, sodass aufgrund seiner Rauigkeit die Kunststoffe gut haften. Außerdem besitzt der Erl nach wie vor die drei Löcher, die für die Nieten vorgesehen sind, die für eine gute Kraftschlüssigkeit sorgen.
Vier Messer, zwei Farben, ein Zyklus – die Zweikomponenten-Maschine macht es möglich.
Gefertigt werden die Messer auf vier horizontalen und einer vertikalen Spritzgießmaschine mit Schließkräften von 130 bis 200 Tonnen. Im 2-Schicht-Betrieb werden auf den fünf Maschinen täglich 8.000 Messer hergestellt. Die Klingen werden alle von Hand in die Kavitäten eingelegt bevor der Griff angespritzt wird. Die Prozesszeit beträgt 1,5 Minuten, davon entfallen 55 Sekunden auf die Kühlzeit. Die Seele des rund 2,5 cm breiten Griffes erstarrt nach der Entnahme an der Luft. Damit beim Abkühlen der großvolumigen Teile keine Einfallstellen entstehen, werden die Griffe chimisch geschäumt und die Form bleibt stabil. Technisch anspruchsvoll ist in der Werkzeugtechnik das Abdichten der Kavität zur Klinge hin, um eine Schwimmhautbildung vermeiden.
Farbe mit Bedeutung
Orientieren sich die Grifffarben der Messer für den Consumer-Bereich an Modetrends, so gibt es für die Profi-Messer Vorgaben, die durch das HACCP-Konzept (Hazard Analysis Critical Control Point = Risiko-Analyse kritischer Kontroll-Punkte) festgelegt werden. HACCP ist ein systematischer Ansatz, um unbedenkliche Lebensmittel zu gewährleisten. Durch das Konzept sollen Gefahren, die mit dem Verarbeitungsprozess von Lebensmitteln zusammenhängen oder von fertigen Produkten ausgehen betrachtet und Risiken abgeschätzt werden. Sind alle Faktoren, die die Lebensmittelreinheit beeinträchtigen können erkannt, so können die entsprechenden Maßnahmen eingesetzt werden, um die Risikofaktoren auszuschalten.
Messer aus dem Consumer-Bereich in den Trendfarben für das Jahr 2019 und individueller Lasergravur.
So steht jede Farbe für einen anderen Arbeitsprozess und –bereich bespielsweise an einer Bedientheke. Rote Messer mit roten Griffen sind für Fleisch und Wurst vorgesehen, blaue für den Fisch, gelbe für Geflügel und Gegartes und die grüne Serie kommt für Obst und Gemüse zum Einsatz. Die Messer mit weißen Griffen sind für Backwaren und Molkereiprodukte gedacht, die mit braunem Griff für Wurzelgemüse und der hellviolette Griff für die Halal-Verarbeitung oder die Zubereitung allergenfreier Speisen. Auf diese Weise ist sofort ersichtlich, wenn ein Messer an einem anderem als seinem Bestimmungsort verwendet wurde. Ist dies der Fall, so sollten alle Messer der Reinigung zugeführt werden. In Schlachtereien ist die Handhabung nochmals anders. Hier erfolgt die Farbcodierung nach der Abteilung, dem Schnittgut oder nach den Schichten. Die Farbgebung bei Giesser erfolgt über die Zugabe von Masterbatches.
Wertstoffkreislauf geschlossen
Björn Mutschler bei der Qualitätskontrolle eines frisch gespritzten Tortenmessers. Im Hintergrund werden bereits die nächsten Klingen – 1x Tortenmesser, 2x Stechmesser – in die Form eingelegt. Angespritzt wird ein Griff aus PP20GF.
Im Hause Giesser wird auch auf Nachhaltigkeit geachtet. Die Angüsse werde alle eingemahlen und das Mahlgut sortenrein in den Prozess rückgeführt. Gleiches gilt für das Material von Ausschussmessern. Bei der Entnahme aus dem Werkzeug erfolgt die erste Qualitätskontrolle des Messers. Zu diesem Zeitpunkt ist die Seele des Griffs noch plastisch, sodass sie von der Klinge gezogen werden kann. Nach dem Abkühlen wird sie gemahlen und rückgeführt. Die viel diskutierten Anfahrklumpen werden ebenfalls im Haus zerkleinert, wenn es sich um sortenreines Material handelt. Björn Mutschler berichtet: „Wir zerteilen die noch warmen Anfahrklumpen in Stücke, die unsere Mühlen verarbeiten können. Die richtigen Messer für die Vorzerkleinerung haben wir ja zur Hand!“ Lediglich gemischtes Material vom Anfahren wird thermisch verwertet.
An der letzten Station unseres Rundgangs erhalten die Klingen noch das Endfinish. Zum einen wird nochmals die Schärfe der Klinge geprüft und zum anderen wird das Logo eingebracht. Bei großen Stückzahlen wird es geätzt und für die Kleinserien sind zwei Lasersysteme im Einsatz. Die Lasertechnik ermöglicht die Klingen mit einer fortlaufenden Seriennummer zu versehen. So lässt sich der Weg jedes Messers von der Herstellung über den Gebrauch bis zur Entsorgung nachverfolgen.
Die Mehrzahl der Firmen, die sich zu Entwicklungstrends geäußert haben, sprechen Trends im Hinblick auf neue Werkstoffe und Werkstoff-Weiterentwicklungen an. Hierbei werden biobasierte Werkstoffe und Materialien für die additive Fertigung hervorgehoben. So berichtet Emery Oleochemicals, Düsseldorf, von einer steigenden Nachfrage nach biobasierten Werkstoffen, die auch gemäß Hexpol TPE, Lichtenfeld, K.D. Feddersen, Hamburg, im Trend liegen. Lediglich beim Recycling thermoplastischer Elastomere stellt Kraiburg TPE, Waldkraiburg, einen Trend weg vom „reinen Bio“ fest, da das Recycling „bei Herstellern, Verarbeitern und OEMs definitiv immer weiter in den Fokus rückt.“
Werkstoffentwicklung für additive Fertigung
Das zweite hervorgehobene Thema betrifft Werkstoffe für die additive Fertigung, hervorgerufen durch „einen starken Industrialisierungstrend der additiven Herstellung“, wie Velox, Hamburg, anmerkt. Dieser Trend „bewegt sich im Bereich von Druckern und Materialien“ fort, „von Prototypen und hin zur Produktion“. Diese Tendenz lässt sich nicht nur für SLS- oder SLM-Technologien erkennen, sondern auch für die gesamte Industrie. In diesem Umfeld suchen Maschinenhersteller nicht nur nach neuen Wegen, 3D-Druckprozesse zu automatisieren und zuverlässige Drucke herzustellen. Es wird ebenso versucht, innovative Wege in der Herstellung von Multimaterialien und anwendungsspezifischen Materialien zu finden.“ Dies verwundert nicht vor dem Hintergrund, auf den Victrex Europa, Hofheim/Ts., hinweist, wonach die „additive Fertigung im vergangenen Jahr um rund 21 Prozent gewachsen ist.“ Weiter berichtet das Unternehmen, dass „immer mehr Materialien und Technologien rund um diese Fertigungsart entstehen, darunter auch die ersten gezielt dafür entwickelten und optimierten PAEK-Polymere.“ Lehmann & Voss, Hamburg, berichtet von „neuen Werkstoffen für den extrusionsbasierten 3D-Druck auf Basis PET, Hochtemperatur-Polyamid, PEEK und PEI“, sowohl unverstärkt als auch verstärkt. Für den 3D-Druck mittels Lasersintern wurde ein neues PP-Pulver entwickelt. Zu diesen Materialien ergänzt Lehmann & Voss, dass alle „diese Werkstoffe Festigkeiten bieten, die vergleichbar mit Festigkeiten im Spritzguss“ sind. Neue Compounds auf Basis PEEK weisen besonders hohe Verschleißfestigkeit und Temperaturbeständigkeit auf. Auch Nordmann, Rassmann, Hamburg, und Hexpol TPE berichten, dass „weitere Werkstoffe für additive Fertigung hinzu kommen“, nach letzterer „auch verstärkte weiche Materialien.“
Substitution ohne Leistungseinschränkung
Nach wie vor sieht K.D. Feddersen als weitere große Trends die Metallsubstitution und die Entwicklung von Werkstoffen für die E-Mobilität. Dazu gehören die „Dichtereduktion bei gleichbleibender Mechanik sowie die Substitution von Metallen durch Kunststoffe bei hochbelasteten Bauteilen.“ Zur Beschleunigung des Baus von Flugzeugen denkt Victrex Europa daran, heute häufig verwendete duroplastische Verbundstoffe durch thermoplastische Verbundwerkstoffe zu ersetzen, da diese „zahlreiche Vorteile bieten, darunter sehr kurze Produktionszeiten und niedrige Gesamtkosten. Ziel ist es, den Flugzeugherstellern einen hohen Durchsatz zu ermöglichen und gleichzeitig Sicherheits-, Qualitäts- und Umweltanforderungen zu erfüllen.“ Zum Stichwort neue und weiterentwickelte Werkstoffe nennt Nordmann, Rassmann unter anderem „neue langkettige Polyamide, höhere Temperaturbeständigkeiten durch Additivierung und PPS für Extrusionsanwendungen“. Metallersatz zur Gewichtsreduktion im Motorraum, beispielsweise bei Zahnrädern und Gehäusen, ist ebenfalls ein aktuelles Thema. Ein weiterer Trend betrifft chlorfreie Alternativen für PVC, wie Hexpol TPE anmerkt. Zu „Werkstoffweiterentwicklungen kann“ aus Sicht von Kraiburg TPE „der Bereich der halogenfreien Flammschutzmaterialien genannt werden.“ Außerdem geht diese Firma auf das seit Jahren vorliegende „Bestreben von TPE-Herstellern und –Verarbeitern ein, die Leistungsgrenzen von TPE in Richtung derer von Gummimaterialien zu verschieben. Der Wunsch nach verbesserter Medien- und höherer Temperaturbeständigkeit spielt dabei eine wesentliche Rolle. Mit neuen Thermoplastischen Elastomer Hybriden (TEH) ist es gelungen, die bisherigen Leistungsunterschiede zwischen den beiden Materialwelten TPE und Gummi weiter zu verringern. Die Entwicklung einer innovativen Fertigungstechnologie hat den Zugang zu dieser Materialklasse ermöglicht.“ Dabei war das Ziel, „unterschiedliche Thermoplaste und unterschiedliche Elastomere mit nur einer Herstelltechnologie zu vereinen, um somit maximale Kombinationsmöglichkeiten bei geringer produktionstechnischer Komplexität zu realisieren.“
Compoundieren erweitert Einsatzbereiche
Höher verstärkte Compounds sowie Spezialtypen für komplexe Aufgabenstellungen wie zum Beispiel Leitfähigkeit, elektrische Neutralität, Dichtereduktion, Feuchtigkeitsreduktion und Oberflächengüte sind in der Compoundierung im Trend“, berichtet K.D. Feddersen. Nordmann, Rassmann schreibt, dass die „Kombination von Sekundärrohstoffen mit Primärrohstoffen“ für „anspruchsvolle Anwendungen“ ein weiterer Trend beim Compoundieren ist. Aber auch „das Down- und Upsizing von Anwendungen“ wird von K.D. Feddersen angesprochen, und zwar unter dem Stichwort „Polyamid 66 Substitution“. Hintergrund ist „die Verknappung auf dem Rohstoffmarkt, die Verarbeitern, Compoundeuren und Lieferanten auf dem Polyamid 66-Markt hinsichtlich der Vorprodukte zunehmend Probleme bereitet“.
Steigende Anforderungen an Verpackungsmaterialien
Befragt nach neuen Anwendungen für Kunststoffe gingen die Firmen schwerpunktmäßig auf Verpackungen insbesondere für Lebensmittel ein. Dazu stellte Victrex Europa fest, dass in den kommenden 30 Jahren mehr als zweieinhalb Milliarden Menschen mehr zu ernähren sind. Dies erfordere eine Erhöhung der Lebensmittel-Produktion, wozu vermehrt Automatisierungstechniken zum Einsatz kommen müssten, um weiterhin wirtschaftlich und sicher produzieren zu können. PEEK-Polymere bieten hier neben anderen Maßnahmen den „Lebensmittel- und Getränkeherstellern die Möglichkeit, die Effizienz zu optimieren und die Produktionskosten im Vergleich zum Einsatz von Metallen zu senken.“ Dabei werden strenge gesetzliche Vorgaben erfüllt und die hohen Qualitätsanforderungen in der Lebensmittelindustrie unterstützt. Gemäß Gabriel-Chemie, Gumpoldskirchen, „bedarf es vor allem in den Bereichen Medizin, Lebensmittel, Getränke und Kosmetik eines sensiblen Umgangs mit Roh- und Inhaltsstoffen“, um auch „ethische und gesundheitsbewusste Qualitätsansprüche“ zu erfüllen. Dazu gehört auch die Erfüllung der Nachfrage nach Halal- und Veganismus-konformen Produkten. Dies wird durch völligen Verzicht auf Rohstoffe erreicht, die tierischen Ursprungs sind und Alkohol enthalten. Nordmann, Rassmann verweist auf „Barriere-Mehrschichtfolien für Lebensmittelverpackungen mit hochaktiven Haftvermittlerschichten.“ „Eine starke Entwicklung zeigen“ nach Kraiburg TPE „thermoplastische Elastomere bei hochwertigen Verpackungsanwendungen. Angewendet werden die Compounds speziell im Zweikomponenten-Spritzguss mit PP und PE.“
Gesteigerte Wertigkeit durch Rezyklat-Verwendung
Das seit Anfang 2018 bestehende Importverbot Chinas für unterschiedliche Kunststoffabfälle führt gemäß Velox in Europa zu der wachsenden Notwendigkeit, eine effektive und nachhaltigere Wiederverwendung von Kunststoffabfällen zu erreichen. Die außerdem ab 2030 geltende „Recyclingquote von über 50 Prozent für Kunststoffverpackungen wird die Nachfrage nach Recycling-Additiven in Europa noch weiter ansteigen“ lassen. Hexpol TPE erkennt „in der Branche eine breitere Akzeptanz“ für das Recycling von Kunststoffen. So seien „die Verarbeiter sensibler im Umgang mit ihren Produktionsabfällen und –ausschüssen.“ Weiter führt die Firma an, dass „Rezyklat nicht nur unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten interessant ist, sondern sich zu einem Vorteil in der Wertigkeit des Produktsortiments entwickelt.“ Voraussetzung ist dabei die Sortenreinheit.
Im Vergleich zu den branchenüblichen TPEs als Alternative zu Silikon weisen diese TPE eine niedrigere Spallation auf – die Absplitterung von Partikeln von den Innen- und Außenflächen des Schlauches, die durch wiederholtes Zusammendrücken und Entspannen während des Pumpenbetriebs verursacht wird. Das MD-12352 ist ein transluzentes TPE mit einer Härte von 52 Shore A für Schläuche in Peristaltikpumpen. MD-50357 ist ein transparentes, etwas härteres TPE mit einer Härte von 58 Shore A für Schläuche in Peristaltikpumpen, die steril verschweißt und thermisch versiegelt werden können. MD-10353 ist ein transparenter Werkstoff für Schläuche in biopharmazeutischen Tieftemperaturanwendungen. Mit einer Versprödungstemperatur von -60 °C kann dieses TPE für Schläuche, die flexibel und elastisch bleiben müssen, verwendet werden, wodurch der Flüssigkeitstransfer beim Herstellungsprozess von hitzeempfindlichen Biopharmazeutika erleichtert wird.
Während Metallkanülen dünnwandig, rigide, mit vergleichsweise großem Innenvolumen angeboten werden, begrenzen Silikon- und Kunststoffkanülen durch dickere Wandung das Innenvolumen geringfügig und sorgen für hohen Tragekomfort durch ihre Leichtigkeit. Für die meisten Kanülenträger bieten sich Trachealkanülen aus leichtem, weichen Kunststoffmaterial an, weil sie zu weniger Irritationen der empfindlichen Trachealschleimhaut und zu geringeren mechanischen Reizungen des Tracheostomas führen, aber auch, weil während einer Strahlentherapie keine Metallkanülen eingesetzt werden dürfen. Bisher werden kunststoffbasierte Trachealkanülen mehrheitlich aus PVC gefertigt. Doch die Kritik am Werkstoff lässt nicht nach. Bei der Materialauswahl für Trachealkanülen wird der Ruf nach PVC- und weichmacherfreien Lösungen immer lauter. Diese Forderung führt zur Werkstoffgruppe der TPE, wie die Provamed-TPE von Actega DS, Bremen, die sich aufgrund ihrer guten Verarbeitungsfähigkeit auf allen gängigen Spritzguss- und Extrusionsanlagen anbieten, aber auch wegen eines sehr geringen Anteils an emittierbaren Stoffen und ihrer Wiederverwertbarkeit. Zudem sind sie sterilisierbar, FDA-, ISO- und USP-Class-konform und weisen sehr gute Dicht- und Hafteigenschaften auf. Merkmale, wie sie bei der Herstellung von Trachealkanülen erforderlich sind. Trachealkanülen werden üblicherweise im Extrusionsverfahren oder im Spritzgussverfahren hergestellt. Dementsprechend müssen die Materialeigenschaften angepasst werden. Bei der Extrusion müssen die Fließeigenschaften des Materials exakt auf das Verarbeitungsverfahren eingestellt werden. Beim Spritzguss bietet es sich an, die Trachealkanüle und das Kanülenschild in einem Schritt herzustellen. Im Mehrkomponentenspritzguss können Mehrkomponententeile zudem wirtschaftlich günstig hergestellt werden, etwa ein Konnektor aus einem Thermoplast, die Weichkomponente aus TPE.
Was für eine Kombination von Polypropylen PP mit Thermoplastischen Elastomeren TPE spricht. Actega, Bremen, bietet mit Soft EST ein speziell für Anforderungen wie dieses konzipierte TPE-Portfolio an, das BPA- und PAK-frei und lebensmittelkonform ist. Alle Sicherheitsnormen nach EN14350, die speziell für Babytrinklernflaschen gelten, werden erfüllt. Die Kunststoffeigenschaften sorgen für starken und sicheren Halt, Anti-Rutsch-Eigenschaften, und eine ergonomische Gestaltung der Produkte. Sie sind besonders für Hart-/ Weich-Kombinationen geeignet. Durch ihre Dichte und Undurchlässigkeit werden Geruchs-, Geschmacks- und Stoffübergänge unterbunden und Verunreinigungen verhindert. Die TPE-Kunststoffgranulate gibt es in verschiedenen Härteeinstellungen, guter Fließfähigkeit, hoher Bruchdehnung, sehr guter Flexibilität, wahlweise transparent, transluzent oder naturfarben.
TPE-Compounds für die Medizintechnik (Bildquelle: Kraiburg)
In einem Mehrkomponenten-Spritzgussverfahren entsteht ein Verbund verschiedener Materialien, wodurch die Produktsicherheit erhöht wird. Die Verbindung der Materialien lässt keine Verunreinigung durch. Die Medizinalcompounds sind in unterschiedlichen Härtegraden lieferbar. Neben ihrer Konstruktionsfreiheit, Verarbeitbarkeit und Haftung auf verschiedenen Thermoplasten lassen sie sich in vielen gängigen Verfahren, wie Ethylenoxid (EtO), Gamma- oder Elektronenbestrahlung sterilisieren. Sie erfüllen erhöhte Anforderungen an die Griffigkeit und Rutschfestigkeit von Produktoberflächen. Das Unternehmen unterstützt seine Kunden mit einem Servicepaket, das die Einhaltung der strengen internationalen Normen für Biokompatibilität, Reinheit und Qualität der Thermolast-M-Materialien garantiert. Alle Compounds für den Medizinalbereich werden ausschließlich auf speziell eingerichteten Anlagen hergestellt. Sie sind frei von Schwermetallen, Latex, PVC und Phthalaten und haben eine hohe Materialreinheit. Ausgewählte Compounds sind nach USP Class VI (Chapter 88), ISO 10993-5 (Zytotoxizität), ISO 10993-10 (Intrakutan-Irritation), ISO 10993-11 (Akute System-Toxizität) und ISO 10993-4 (Hämolyse) geprüft und zugelassen. Die Qualitätssicherung der für die Compoundierung verwendeten Rohstoffe umfasst auch die vollständige Rückverfolgbarkeit der Chargen bei den Lieferanten des Unternehmens. Alle Compounds des neuen Portfolios sind als FDA Drug-Master-Files (DMF) gelistet, um ihre Rezepturen nach einem verpflichtenden Change-Control-System zu dokumentieren. Garantiert wird, dass die Originalrezeptur nach erfolgter Mitteilung noch mindestens 24 Monate lang zur Verfügung steht, bevor die Änderungen wirksam werden.
Fließmarkierungen auf einem Dichtungsprofil. (Bildquelle: Teknor Apex)
Bei den TPEs für Dichtungsanwendungen handelt es sich hauptsächlich um thermoplastische Vulkanisate (TPV). Diese zeichnen sich unter anderem durch einen niedrigen Druckverformungsrest sowie hohe Wärmebeständigkeiten aus. Weiterhin werden Styrolblock-Copolymere (TPS) eingesetzt, welche gute Verarbeitungseigenschaften mit sehr guter UV-Stabilität kombinieren. Teknor Apex liefert diese Compounds unter dem Handelsnamen Sarlink für die Automobilindustrie. Aktuelle Entwicklungen konzentrieren sich auf die Beseitigung von optischen und leistungsorientierten Problemen von Dichtungen und anderen Außenkomponenten.
Identifizierung der Ursachen von Teiledefekten
Dichtungssysteme für Automobile umfassen eine Vielzahl von Anwendungen: Scheibenführungen und -einfassungen, Frontscheibenrahmen, Eckanbindungen, Dachträger, Dach- und Verkleidungsabdichtungen, Dichtungen zwischen Motorraum und Kühler, Heckklappendichtungen und komplette Dichtungsmodule von Scheibenführungen in den Türen.
Die Bindenaht ist über die Profilbreite deutlich zu erkennen. (Bildquelle: Teknor Apex)
Thermoplastische Elastomere für diese Einsatzgebiete müssen nicht nur die von OEMs definierten Materialanforderungen erfüllen, sondern auch gute UV- und Ozonbeständigkeit, gute Eigenschaften bei hohen und niedrigen Temperaturen sowie eine hohe Chemikalienbeständigkeit aufweisen. Darüber hinaus ist es wichtig, dass die TPE-Komponenten für diese Anwendungen über eine erstklassige Oberflächengüte verfügen. Für Elemente wie Rahmen oder Eckanbindungen bedeutet das, dass häufige optische Mängel wie Einfallstellen, Fließ-, Bindenaht- und Tropfenmarkierungen, Schlieren und sogenannte „Tigerstreifen“ vermieden werden müssen. Weiterhin wird eine gute Haftfestigkeit des TPEs auf Glas oder co-extrudierten Profilen erwartet.
Moldflow-Simulation eines Dichtrahmen. (Bildquelle: Teknor Apex)
Bei der Entwicklung neuer thermoplastischer Elastomere, welche die genannten Herausforderungen erfüllen sollen, verwendete Teknor Apex speziell entwickelte Spritzgusswerkzeuge mit verschiedenen Anschnitten, -größen und Wandstärken, um Simulationen durchführen zu können. Darüber hinaus setzte das Unternehmen CAE-Techniken ein, um den Formgebungsprozess und die Dichtungskräfte zu simulieren.
Ursache für Tigerstreifen aufgezeigt
Tigerstreifen, die auf der Ober- und Unterseite des Musterteils zu erkennen sind. (Bildquelle: Teknor Apex)
Ein Beispiel der analytischen Arbeit, die Teknor Apex zur Ursachenidentifizierung von Oberflächendefekten durchführte, ist die Verwendung eines „Lineal-Werkzeugs“ zur Untersuchung der Tigerstreifen. Die Kavität der Form besitzt eine Länge von 40 cm, eine Breite von 25 mm und eine Stärke von 2 mm. Der Durchmesser des Anspritzpunktes kann variiert werden, um hohe und niedrige Scherungen zu simulieren. In einer Füllstudie wurden mehrfarbige Schmelzen verwendet, wobei sich die dunklere Komponente zunächst in der Mitte befand. Wie die Studie zeigt, bewegt sich das dunklere Material beim Füllvorgang von der Mitte des Teiles nach oben und unten an die Oberfläche. Das als Tigerstreifen bezeichnete Muster wird somit nachweislich durch eine instabile Schmelzefront verursacht. Das kann durch die Wahl des Basispolymers verbessert oder gar beseitigt werden.
Füllstudie, um das Entstehen der Tigerstreifen aufzuzeigen. (Bildquelle: Teknor Apex)
Solche optischen Defekte entstehen meist bei relativ hochviskosen Formmassen. Um eine ausreichende Fließfähigkeit der Schmelze im Werkzeug zu gewährleisten, setzen Verarbeiter häufig kleine Anschnittdurchmesser ein, um für eine hohe Scherung und damit Fließfähigkeit des Materials zu sorgen. Bei dieser Kombination erstarrt die Schmelze frühzeitig am Anspritzpunkt, wodurch das Anpassen der Prozessparameter zum Verhindern optischer Defekte nur begrenzt möglich ist. Teknor Apex hat TPE Compounds mit verbesserten Fließeigenschaften entwickelt, welche sowohl mit kleinen als auch großen Anspritzpunkten verwendet werden können. Besonders mit großen Anspritzpunkten führten diese verbesserten Eigenschaften zu einem breiteren Verarbeitungsfenster, um Nachdruckzeiten, Einspritzgeschwindigkeiten und weitere Parameter zu variieren. Das Ergebnis war eine verbesserte Oberflächenqualität.
Zusammenhang von Viskosität und Scherrate bei unterschiedlichen Temperaturen. (Bildquelle: Teknor Apex)
Das breitere Verarbeitungsfenster ermöglicht auch eine verbesserte Haftfestigkeit des TPE an Glas oder co-extrudierten Profilen, da ein langsamerer Erstarrungs- oder Kristallisierungsprozess eine bessere Verbindung gewährleistet. Das ist insbesondere bei Eckverbindungen wichtig, bei denen eine schlechte Fügenaht bei der Montage zu Defekten führen kann. Das breitere Verarbeitungsfenster der neuen TPV- und TPS-Compounds ermöglicht auch bei Scheibendichtungen die optimalen Bedingungen zu finden, um Einfallstellen und sichtbare Schweißnahtmarkierungen zu verhindern.
TPEs mit hoher Fließfähigkeit für Dichtungssysteme
Unter den Compounds, die aus diesen Entwicklungsarbeiten resultieren, befinden sich Serien mit hoher Fließfähigkeit für Dichtungsprofile und Außenteile wie Windschutzscheibenrahmen, Verkleidungsabdichtungen und Eckanbindungen. Die verbesserte Verarbeitbarkeit ermöglicht eine gute Oberflächenqualität bei gleichzeitiger guter Anbindung an weitere Substraten.
Neue TPV-Compounds dieser Art weisen eine Scherviskosität von 200 Pa•s und eine Dichte von 920 kg/m3 auf. Eine reduzierte Kristallisationsrate führt zu fließfähigeren Materialien, die weniger anfällig für Prozessschwankungen sind. Diese Verbesserungen führen außerdem zu sehr guten Oberflächeneigenschaften und zu einer präzisen Replikation komplexer Bauteile. Als TPVs behalten diese Compounds die sehr guten Dichtungseigenschaften bei hohen Temperaturen bei, und sind beständig gegen verschiedenste Schmierstoffe und Lösungsmittel bei niedrigem oder mattem Glanzgrad.
In den Verarbeitungs- und Nutzungseigenschaften sind die neuen TPS-Compounds den normalen Styrolmaterialien überlegen. Sie besitzen eine ausgesprochen hohe Fließfähigkeit, eine verbesserte Oberflächengüte und eine höhere UV-Stabilität. Ihre Scherviskositäten liegen zwischen 120 bis 135 Pa•s. Neben Varianten mit Dichten von 1.100 kg/m3 sind auch solche mit sehr geringen Dichten 940 kg/m3 verfügbar, die eine weitere Gewichtseinsparung ermöglichen. Compounds in beiden neuen TPS Serien zeigen ein großes Verarbeitungsfenster, und lassen sich bei hoher UV-Stabilität leicht einfärben.
Das neue Sortiment an Medalist-Compounds von Teknor Apex,, umfasst transparente, transluzente, und opake Materialtypen für die Biotechnologie- und Pharmabranche, medizinische Infusionssysteme und Dialysemaschinen. Die TPEs weisen geringere Emissionen auf. Aufgrund der Elastizität dieser Compounds können die Schläuche mit einer schnelleren Pumpenbewegung Schritt halten, und dank ihrer Haltbarkeit behalten sie dauerhaft ihre Form und bleiben intakt. Sie weisen ein niedriges Niveau an extrahierbaren Substanzen auf, sind mit einem breiten Chemikalienspektrum kompatibel und können mit Elektronenstrahlen, Gammastrahlen und Ethylenoxid sterilisiert werden. Für biopharmazeutische Anwendungen mit Anforderungen im Bereich sehr tiefer Temperaturen sind Spezialtypen verfügbar.
Transparenter Schlauch als Alternative zu Silikon (Bildquelle: Teknor Apex)
Für die anspruchsvolle Verwendung in Schläuchen für peristaltische Pumpen und Tieftemperaturanwendungen in der Biopharmaindustrie empfiehlt Teknor Apex,, drei Compounds. Die für den Einsatz in Schläuchen für Peristaltikpumpen entwickelten Werkstoffe weisen die notwendige Elastizität auf, um bei schneller Pumpenaktivität mithalten zu können, wobei sie aufgrund ihrer Langlebigkeit ihre Form behalten und auch über längere Zeit unbeschädigt bleiben. Im Vergleich zu den branchenüblichen TPEs als Alternative zu Silikon weisen die Medalist TPE eine niedrigere Spallation auf – die Absplitterung von Partikeln von den Innen- und Außenflächen des Schlauches, die durch wiederholtes Zusammendrücken und Entspannen während des Pumpenbetriebs verursacht wird. MD-12352 ist ein transluzentes TPE mit einer Härte von 52 Shore A für Schläuche in Peristaltikpumpen. MD-50357 ist ein transparentes, etwas härteres TPE (58 Shore A) für Schläuche in Peristaltikpumpen, die steril verschweißt und thermisch versiegelt werden können. MD-10353 ist ein transparenter Werkstoff für Schläuche in biopharmazeutischen Tieftemperaturanwendungen. Mit einer Versprödungstemperatur von -60 °C kann dieses TPE für Schläuche, die flexibel und elastisch bleiben müssen, verwendet werden, wodurch der Flüssigkeitstransfer beim Herstellungsprozess von hitzeempfindlichen Biopharmazeutika erleichtert wird. Diese drei Compounds haben eine wesentlich niedrigere Permeabilität als Silikon. Sie können mit Elektronen-, Gammabestrahlung und Ethylenoxid sterilisiert werden.
Transparenz ist eine der Schlüsselanforderungen, damit eine einwandfreie optische Kontrolle der Tropfenfolge und eine schnelle und leichte Einstellung des Flüssigkeitsspiegels gewährleistet sind. (Bildquelle: Actega DS)
Tropfkammern werden vornehmlich in der Infusions- und Transfusionstherapie eingesetzt. Jedes Infusionssystem besteht aus Dorn, Tropfkammer, transparenter Infusionsleitung, Durchflussregler und einem Anschluss-Konnektor. Die Tropfkammer reguliert die Tropfenbildung der per Infusion verabreichten Flüssigkeit. Tropfkammern sind aus diesem Grund aus der modernen Medizin nicht mehr wegzudenken und daher längst Artikel, die in sehr großen Stückzahlen produziert werden. Die Anforderungen an eine sichere Infusionstherapie steigen ständig. Und trotz dieser hohen Anforderungen an Produktsicherheit und Hygiene, ist die Wirtschaftlichkeit der Produktionskette wesentliche Voraussetzung für den Kunststoffverarbeiter.
Um diesem Anforderungsprofil zu entsprechen, wird heute immer mehr auf alternative Werkstoffe anstelle des bislang häufig eingesetzten PVC gesetzt. Insbesondere in Anwendungen, in denen die Geräte Kontakt mit Körperflüssigkeiten haben, wie eben Infusionsgeräte. Hier sind die Hersteller schon seit langer Zeit auf der Suche nach geeigneten Ersatzwerkstoffen für Tropfkammern und Schläuche. TPE für die Medizintechnik generell und für die hier vorgestellte Applikation speziell ist eine sichere Alternative. Die Provamed-TPE Produkte für Tropfkammern vereinen die Vorteile verschiedener Werkstoffe in sich. Die Materialien liefern eine sichere Lösung für die hohen Ansprüche an Leistungsfähigkeit und Sicherheit medizinischer Produkte. Sie ermöglichen es, komplexe Konstruktionen in elastische und transparente Produkte umzusetzen.
Transparente und sterilisierbare TPE Compounds
Für Tropfkammern wird neben absoluter gesundheitlicher Unbedenklichkeit eine ausgezeichnete Transparenz bei gleichzeitig ausgewogener Flexibilität und Steifigkeit gefordert. Die Transparenz sorgt für eine einwandfreie optische Kontrolle der Tropfenfolge und ein schnelles und leichtes Einstellen des Flüssigkeitsspiegels. Dementsprechend sind die Provamed-Formulierungen in allen Varianten hochtransparent.
Sterilisierbarkeit ist ein Muss-Voraussetzung und wird von den TPE erfüllt. Die in Bezug auf die Anwendung gängigen Sterilisationsverfahren mit Ethylenoxid (EtO) und Gammastrahlen werden ohne die Materialeigenschaften und der Funktionsfähigkeit der Klebstoffe zwischen Tropfkammer und Schlauch zu beeinträchtigen, bestanden. Die Sterilisationsfähigkeit wurde bei einem externen, unabhängigen Unternehmen überprüft. Das Ergebnis zeigt, dass die Zugfestigkeit selbst nach einer Bestrahlung mit 50 kGy fast bei den Ausgangswerten liegt. Die Tests zeigten ebenfalls, dass die Begasung mit Ethylenoxid sogar einen positiven Effekt auf die Mechanik des TPE Materials hat. Die Begasung kann die Zugfestigkeit und Bruchdehnung erhöhen.
„Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Verklebbarkeit der Tropfkammer mit dem Schlauch“, so Dennis Siepmann, Business Development Manager bei Actega DS. „Wir konnten eine ausgezeichnete Lösung finden, die eine umfangreiche Testreihe mit den häufig eingesetzten Lösemitteln Tetrahydrofuran (THF) und Methylethylketon (MEK) bestanden hat. Hier wurde die Haftung nach ISO 5836-4 mit 15 s Haltezeit bei 15 N und einer Messgeschwindigkeit von 200 mm/min. geprüft.“ Die Verklebbarkeit mit Cyclohexanon oder anderen Lösemitteln ist ebenfalls denkbar. Des Weiteren besitzen die Rezepturen das Potenzial, im wirtschaftlichen Zweikomponentenspritzguss verarbeitet zu werden, da die Produkte eine gute Anbindung auf Polystyrol und ABS aufweisen.
Regulatorische Anforderungen
Es sind eine Reihe von regulatorischen Anforderungen zu erfüllen, denen die TPE für Tropfkammern entsprechen müssen. So sind nach USP Class VI die biologische Prüfung sowie biologische Reaktivitätstests durchzuführen. Die Biokompatibilität der Compounds nach ISO 10993 ist zu bestätigen, wobei sich die Prüfung in Vitro auf die Zytotoxizität und die Viabilität von Zellkulturen bezieht. Die Produktion hat nach GMP-Verordnung (EG) 2023/2006 zu erfolgen und die Konformität mit EG 1935/2004 und EU 10/2011 sowie verschiedenen FDA-Kapiteln für den Lebensmittelkontakt sind zu bestätigen. Zudem müssen die Werkstoffe schwermetallfrei sein. Alle Varianten der Elastomer-Compounds für Tropfkammern entsprechen diesen Regularien.
Lukas Pawelczyk, Abteilungsleiter Vertrieb Freeformer (rechts), und Martin Neff, Abteilungsleiter Kunststoff-Freiformen, freuen sich über den „People’s Choice Award“, mit dem Arburg auf der USA-Messe Rapid + TCT 2019 in Detroit vom Fachpublikum ausgezeichnet wurde. (Bildquelle: Arburg)
Der deutsche Maschinenbauer war in Detroit mit einem rund 150 Quadratmeter großen Stand präsent. Das Publikum war von den zwei Freeformer-Exponaten, interaktiven Stationen und Funktionsbauteilen gleichermaßen überzeugt und wählte Arburg zu einem der drei besten Aussteller.
„Die Rapid + TCT ist für uns eine der drei wichtigen Messen für die additive Fertigung weltweit. In diesem Bereich sind wir aber, anders als mit unseren Allrounder-Spritzgießmaschinen, in den USA noch wenig bekannt. Besonders stolz sind wir deshalb darauf, dass unser Messestand und die beiden Freeformer in Detroit überzeugen konnten und wir als einer von drei Ausstellern den ‚People’s Choice Award‘ erhalten haben“, erläutert Lukas Pawelczyk, der bei Arburg den weltweiten Freeformer-Vertrieb verantwortet.
Offenes System verarbeitet Originalmaterialien
Martin Neff, Abteilungsleiter Kunststoff-Freiformen, ergänzt: „Die Fachbesucher waren durchweg begeistert von den Möglichkeiten, die ihnen unser offenes System bietet – insbesondere von der Materialvielfalt und dass sie mit dem Freeformer eigene Originalkunststoffe verarbeiten können.“
Auf der Rapid + TCT 2019 war der Freeformer 300-3X erstmals in Amerika zu sehen. Die Drei-Komponenten-Maschine produzierte komplexe, bewegliche Greiferfinger aus ABS, TPE und Stützmaterial, in einem Schritt und ohne zusätzlichen Montageaufwand. Das zweite Exponat, ein Freeformer 200-3X mit zwei Austragseinheiten, verarbeitete TPE (Medalist MD 12130H) mit einer Härte von nur 32 Shore A zu Bauteilen mit flexibler Wabenstruktur. (sf)
Mit den ausgewählten Thermolast-K-Compounds lieferte das Unternehmen eine Lösung, die diese Erwartungen erfüllt. Das Thermoplastische Elastomer lässt sich präzise auf die Hartkomponente abstimmen und erfordert auch beim Anspritzen an teilkristalline Harze wie PA6 und PA66 keine Haftvermittler. Darüber hinaus lässt sich das für den Hundeknochen gewählte, naturfarbene Material in leuchtenden, intensiven Tönen einfärben und sorgt für eine attraktive und kratzfeste Oberfläche. Das TPE ist zudem UV-, ozon- und witterungsbeständig. Die mechanischen Eigenschaften des Compounds lassen sich auch exakt auf die benötigte Härte und Flexibilität einstellen, um die gewünschten Rückstelleigenschaften und weiche Haptik zu erreichen. Eine weitere wichtige Vorgabe des Kunden war der Wunsch nach einem heimischen Produkt, das unbedenklich ist. Das TPE-Compound wird nach strengen Qualitäts- und Reinheitsstandards im Werk des Lieferanten in Buford, Georgia, hergestellt. Die Materialien des Herstellers erfüllen sowohl die Reach- als auch die Rohs-Bestimmungen. Den Materialien werden keine Phthalate, Halogene, Latex oder Schwermetalle beigemischt. Und als thermoplastisches Material lässt es sich nach Ende des Gebrauchs recyceln. Beim Hundespielzeugprojekt wurde der Kunde von der Materialwahl bis zur Bemusterung begleitet.
Die TPE-Produktreihe erfüllt zusätzlich zur UL 94 V0 die DIN EN 45545-2 für Bahnanwendungen. (Bildquelle: Kraiburg)
Die speziell entwickelten Materialien entsprechen den Anforderungssätzen R22 und R23 für die Gefährdungsstufen HL1-3 bei Wanddicken bis 3 mm. Dies ermöglicht insbesondere die Realisierung von Dichtungsanwendungen im Innen- und Außenbereich von Schienenfahrzeugen, unabhängig von deren Bauart- und Betriebsklasse. UL94 V0-gelistete Materialien sind selbstverlöschend im Brandfall und bilden auch keine brennenden Tropfen. Dieser Anforderung werden die neuen TPE-Materialien gerecht – und das ohne den Einsatz halogenhaltiger Flammschutzmittel. Damit stehen sie auch im Einklang mit den in der IEC 61249-2-21 festgeschriebenen Grenzwerten für Brom, Chlor sowie Gesamthalogene.
United Soft Plastics baut seine Kapazitäten aus. (Bildquelle: United Soft Plastics)
In Houston, Texas, hat das Unternehmen eine neue Fabrikanlage in Betrieb genommen, damit das weltweite Marktwachstum strukturiert sichergestellt werden kann.
Werkstoffe für den europäischen Markt
Produziert werden in Houston die für die europäischen Märkte entwickelten Rezepturen. Dadurch kann im Stammwerk in Lawrenceville, Georgia, der Auslastungsgrad für die Automotive-, Consumer & Healthcare- und Medical-Grades angepasst werden.
„Das Europageschäft von United Soft Plastics entwickelt sich in den letzten Jahren besser als geplant, sodass diese Produktionserweiterung eher notwendig wurde“, so der General Manager Europa, Michael Bodmann. (sf)
Neben der Haftung zu polaren Thermoplasten verfügt das Compound über eine hohe Fließfähigkeit, was das Füllen von komplexen Bauteilgeometrien ermöglicht. (Bildquelle: Kraiburg TPE)
Die Prozessvereinfachung in der Montage beim OEM ist nur ein Vorteil, den ein Mehrkomponentenbauteil mit sich bringt. Mit dem Compound Thermolast A ist es gelungen, den Verbund von ASA und TPE im 2-Komponenten-Spritzgießverfahren herzustellen. Für die Dichtung wurde ein TPE gesucht, das an der Blende direkt an die Hartkomponente aus ASA angespritzt werden kann und eine dauerhaft zuverlässige Haftung zu diesem Copolymer gewährleistet. Entscheidend war zudem die Viskosität des TPEs, um mit möglichst niedrigen Werkzeuginnendrücken die dünne Dichtlippengeometrie ohne Abzeichnungen auf der Hartkomponente zu realisieren. Neben der Werkzeugtechnologie und dem Anspritzkonzept spielten die Verarbeitbarkeit als auch die Produkteigenschaften des TPEs eine bedeutende Rolle, um die geforderte Bauteilqualität zu erreichen.
Der gelbe Koextrusionsanteil wird durch einen Beispritzextruder ME BF 30/5x25D – ausgelegt für TPE – mittels eines Heizschlauches zuextrudiert. Die beiden Extruder werden über die neue zentrale Anlagen-Steuerung ME Control/4 bedient. Das Werkzeugsystem besteht aus einem konventionellen Koextrusionswerkzeug, aus rostfreiem Stahl sowie einem einen Meter langen Wasserbad aus PMMA.
Die essbaren Folien aus wasserlöslichen und biologisch abbaubaren PVA-Material eignen sich zum Verpacken von Gewürzen, Ölen und Proteinshakes. (Bildquelle: Kuraray)
Weiter werden die neuen Materialtypen des EVOH-Copolymers Eval vorgestellt. Diese lassen sich aufgrund ihres niedrigem Ethylengehalts einfach recyceln, ermöglichen geringere Schichtdicken und schützen Lebensmittel als Verpackungsmaterial optimal vor Luftsauerstoff. Das Biopolymer Plantic hingegen wird zu 80 Prozent aus Maisstärke hergestellt. Mit seiner immensen Sauerstoffbarriere ermöglicht es leistungsfähige Verpackungen, die komplett biologisch abbaubar sind. Die PVA-Folie Monosol ist biologisch abbaubar und löst sich komplett in Wasser auf. Das Material kann Einweg-Kunststoffverpackungen in vielen Bereichen ersetzen und Plastikmüll vermeiden. Clarino Suede ist die nachhaltige und tierfreundliche Leder-Alternative. Sie wird in einem besonders umweltschonenden Prozess hergestellt und kommt komplett ohne den Einsatz von Stoffen tierischen Ursprungs aus. Die wasserlöslichen Polyvinylalkohole Mowiflex bauen sich in kürzester Zeit in Frischwasser ab. Bestätigt wurde dies bereits vom TÜV Austria. Sie eignen sich für umweltschonende Anwendungen vom 3D-Druck bis zum Lost-Core-Verfahren. Darüber hinaus informiert das Unternehmen auch zu seinem Programm an weiteren leistungsfähigen Materialien – etwa zu dem Elastomer Hybrar mit seinen schall- und schwingungsdämpfenden Eigenschaften oder dem Acryl-Block-Copolymer Kurarity, das sich mit seiner Reinheit besonders für Lichtleiteranwendungen eignet.
Abdeckungen für Lüftungsöffnungen gehören zu den möglichen Anwendungen der neuen glasfaserverstärkten Compounds. (Bildquelle: Istockphoto/Sadeugra)
Der biobasierte Kohlenstoffanteil liegt über 70 Prozent. Anwendungsmöglichkeiten finden sich überall dort, wo hohe mechanische Festigkeit, nicht aber Beständigkeit gegen hohe Temperaturen sowie Flammschutz gefordert sind. Ein weiteres Produkt ist Terralene GF30, ein Green-PE-Compound mit 30 Gew.-% Glasfaseranteil und einem berechneten BCC über 94 Prozent. Die Steifigkeit ist mit etwa 4.800 MPa deutlich höher als bei den mineralisch gefüllten Typen – bei einer zugleich den ungefüllten Typen überlegenen Verschleißfestigkeit. Als biobasierte Alternative zu PE-GF-Typen, die auf fossilen Rohstoffen basieren, sorgt es für eine ähnlich große Anwendungsbreite. Neu im Bereich der biobasierten Terraprene-TPE-Compounds sind die Typen der Reihen SI 701 und SI 801, deren Bioanteil von 55 bis 75 Prozent reicht. In den Shore-Härten A40 bis A80 erhältlich, entsprechen ihre Eigenschaften weitgehend denen herkömmlicher TPE-S-Typen. Zu den typischen Anwendungen gehört der Zweikomponenten-Spritzguss, insbesondere zusammen mit Polyolefinen, auf denen sich eine gute Haftung ergibt. Terraprene CI 250 84A und Terrapene CI 450 93A sind zwei ölfreie TPE mit Shore-A-Härten von 84 und 93. Aufgrund ihrer Soft-Touch-Haptik sowie ihrer hohen Knickstabilität und Verformungsresistenz substituieren sie TPE-O und PVC in vielen Spritzgussanwendungen.
