In der Medizintechnik ist einer der großen Trends die Miniaturisierung. Gut nachvollziehber, bedenkt man, dass besonders in diesem Sektor kleinere Komponenten und Abmessungen erhebliche Vorteile in der Patientenbehandlung mit sich bringen. Minimalinvasive Eingriffe mit weniger Schmerzbelastung und schnellerer Genesung sind hier ebenso zu nennen wie eine gezieltere Behandlung oder gar Therapie, bei der die eingesetzten Komponenten im Körper verbleiben und sich auflösen, wenn ihre Funktion nicht mehr benötigt wird. Durch die Entwicklung individueller einsetzbarer und noch leistungsfähigerer Kunststoffe werden in Zukunft völlig neue Behandlungsverfahren die Medizin revolutionieren. Hier kann auch die Spritzgießtechnik mit ihren Entwicklungen einen Beitrag leisten, denn es geht auch darum, das Machbare technisch umsetzen zu können. Übertragen auf das Spritzgießen und miniaturisierte medizintechnische Anwendungen bedeutet dies, nicht nur kleinste Teile zu produzieren, sondern auch das dafür notwendige Material so aufzubereiten, dass es problemlos verarbeitet werden kann.

Gesamte Maschinentechnik muss angepasst werden

Die Miniaturisierung als Prozess zur Verkleinerung von Strukturen unter Beibehaltung von Form und Funktion ergibt nur dann Sinn, wenn auch die Kleinstteile wirtschaftlich hergestellt werden. Da in der Medizintechnik verschiedene Bereiche wie etwa die Feinwerktechnik oder auch die Elektrotechnik zusammenwirken, ist dementsprechend auch die Bandbreite der herzustellenden Bauteile sehr groß. So gehört die Fertigung von Lagern, Zahnrädern und Rahmen im µm- bis Millimeterbereich ebenso in die Medizintechnik wie auch die Herstellung mehrfach sterilisierbarer Komponenten oder die Produktion von Multifunktionsteilen.

Mikrospritzgießteile mit einem Gewicht bis zu 0,001 g sind heute keine Seltenheit mehr, obwohl sich die Serienfertigung solcher Kleinteile immer am Rand des Machbaren bewegt. Aufgrund der besonderen Materialeigenschaften wie zum Beispiel reduzierte Reibung, hohe Haltbarkeit und einfache Verarbeitung auch bei komplexer Formgebung, hat sich Kunststoff zu einem der innovativsten Werkstoffe in diesem Bereich entwickelt. Das Spritzgießen von Hochleistungskunststoffen zu präzisen und hochwertigen Miniatur- und Mikroteilen für die Medizintechnik macht aber auch eine Anpassung der gesamten Maschinentechnik notwendig. Denn kein Verarbeiter kann es sich leisten, Qualitätsteile in Serie zu fertigen und dafür aber beispielsweise unverhältnismäßig hohe Materialmengen zu verbrauchen. Denn gerade diese Rohstoffe sind aufgrund ihrer Leistungsfähigkeit entsprechend teuer.

Eines von vielen Beispielen, das die hohen Ansprüche an das Ausgangsmaterial im Bereich Medizintechnik verdeutlicht und damit auch die aktuellen Verkaufspreise erklärt, sind Polylactide. Polymilchsäuren oder abgekürzt PLA bestehen aus vielen, chemisch aneinander gebundenen Milchsäuremolekülen, was sie unter bestimmten Umständen biokompatibel macht. Aufgrund der Abbaubarkeit im menschlichen Körper ist PLA in der Medizintechnik interessant für zahlreiche Anwendungen. Der Kunststoff wurde zunächst oft in Verbindung mit einem Co-Polymer als Nahtmaterial verwendet. Aber auch die Herstellung von Implantaten aus PLA, die je nach chemischer Zusammensetzung porös oder kristallin ausgeführt sein können, ist mittlerweile in großer Vielfalt möglich.

Diese Komponenten bleiben dabei zwischen einigen Monaten und mehreren Jahren im Körper bis sie vollständig abgebaut werden. Im Fall von Nägeln oder Schrauben, Platten oder Stents sind aber auch die mechanischen Eigenschaften in der Anwendung von Bedeutung.

Die Technik muss eine reibungslose Verarbeitung ohne
thermische Materialschädigung erlauben.

Alle diese Implantate haben gemeinsam, dass ein zweiter Eingriff zu ihrer Entfernung entfallen kann, wodurch den Patienten eine zweite Operation und damit, wie bereits oben erwähnt, zusätzliche Schmerzen erspart werden können.

Mikrospritzmodul für materialgerechte Aufbereitung

Ein in dieser Weise breit einsetzbares Hochleistungsmaterial mit solchen Eigenschaften hat natürlich seinen Preis. Spezielle PLA-Blends können durchaus bei einem Kilopreis von etwa 1.000 Euro liegen. Zum wirtschaftlichen Verarbeiten dieser Kunststoffe muss auch die Spritzgießtechnik genau abgestimmt sein. Arburg hat hierfür ein Mikrospritzmodul im Programm, das auch kleinste Materialmengen aufbereiten kann. Es kombiniert eine 8-mm-Einspritzschnecke mit einer zweiten zum Aufschmelzen des Materials. Damit ist das Aufbereiten, Dosieren und Einspritzen auf zwei Schnecken aufgeteilt. Zunächst sorgt eine um 45 Grad zur horizontalen Einspritzschnecke angeordnete, servoelektrisch angetriebene Schneckenvorplastifizierung für die Vorbereitung der Standard-Granulate. Die verwendete Plastifizierschnecke ist bezüglich der Gangtiefen ähnlich aufgebaut wie eine konventionelle Drei-Zonen-Schnecke.

Das aufgeschmolzene Material wird dann von der Vorplastifizierung in die Einspritzschnecke gefördert. Diese fungiert als reine Förderschnecke und hat lediglich einen Durchmesser von acht Millimetern. Sie verfügt über eine Rückstromsperre und arbeitet nach dem Schnecken-Kolben-Prinzip. Dadurch sind sehr kleine Schussgewichte präzise und mit den notwendigen Verfahrwegen realisierbar. Gleichzeitig sorgt das Zusammenspiel von Schnecken-Vorplastifizierung und -Einspritzung für eine kunststoffschonende Verarbeitung. Die Schmelze wird kontinuierlich und ohne thermische Schädigung vom Materialeinzug bis zur Spitze der Einspritzschnecke nach vorne gefördert. Damit ist das First-in-first-out-Prinzip gewährleistet.

Dosierregelung sorgt für konstante Einspritzbedingungen

Eine Voraussetzung für eine gleichbleibend hohe Teilequalität ist die gleichmäßige Schmelzeförderung. Um dies zu erreichen, wird der Druck an der Übergabestelle von Vorplastifizier- und Einspritzschnecke erfasst und geregelt. Über die Selogica-Steuerung werden hierfür ein entsprechender Soll-Druck und eine maximal zulässige Schneckenumfangsgeschwindigkeit (Begrenzung) für die Vorplastifizierschnecke eingegeben. Weicht der Ist-Druck vom Sollwert ab, wird die Abweichung durch Nachstellen der Drehzahl innerhalb der vorgegebenen Grenzen ausgeregelt. Für jeden Schuss steht damit eine homogen aufbereitete, frisch dosierte Schmelze zur Verfügung. Die Verweilzeiten des Materials bleiben entsprechend gering, im Unterschied zur Kolbeneinspritzung verbleibt auch kein Restmaterial im Zylinder.

Damit ist die Verarbeitungsqualität hoch. Ein zusätzlicher Vorteil der Bauweise mit zwei Schnecken ist die Dichtigkeit des Systems. Das Mikrospritzmodul ist speziell für den Einsatz auf elektrischen Spritzgießmaschinen der Baureihe Allrounder A mit Spritzeinheit der Größe 70 konzipiert. Durch seinen abgeschlossenen Aufbau lässt es sich wie jedes andere Zylindermodul schnell wechseln und auf verschiedenen Maschinen einsetzen. Gleichzeitig bleibt auch das Anwendungsspektrum der Maschinebaureihe nicht auf das Mikro-Spritzgießen beschränkt. Denn auf diesen lassen sich folgerichtig auch andere, größere Zylindermodule nutzen, wenn ein Produktwechsel ansteht.

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Über den Autor

Sven Kitzlinger ist anwendungstechnischer Berater für den Fachbereich Medizintechnik bei Arburg, Loßburg. Sven_kitzlinger@arburg.com