Typische Mikrobauteile für medizintechnische Anwendungen sind beispielsweise Produkte für minimalinvasive Eingriffe sowie Kunststoffschrauben und Stents aus PLA und anderen Implantaten, die im Körper verbleiben und sich später auflösen. Die Anforderungen beim Spritzgießen von Mikrobauteilen sind hoch: Die winzigen Teile, die da in Serie gefertigt werden, haben oftmals Schussgewichte von nur wenigen Milligramm – was dem Gewicht eines einzigen Granulatkorns entspricht. Darüber hinaus muss die aufbereitete Schmelze thermisch und mechanisch eine optimale Homogenität aufweisen. Die Zylindertemperatur muss exakt regelbar sein, der Plastifiziervorgang reproduzierbar laufen. Wichtig ist aber auch, dass die gesamte Bandbreite normaler Kunststoffe eingesetzt werden kann.

Die Mikrospritzeinheit ist für die präzise Fertigung kleinster Kunststoffteile optimiert. (Bildquelle: Arburg)

Mikrospritzenheit der Euromap-Größe 5

Die entsprechende Mikrospritzeinheit hat Arburg, Loßburg, speziell hinsichtlich einer präzisen Regelung kurzer Fahrwege bei gleichzeitig hoher Fülldynamik entwickelt. Sie kombiniert, wie das flexibel einsetzbare Mikrospritzmodul, wahlweise eine 18- oder 15-mm-Schnecke zum Aufschmelzen des Materials mit einer 8-mm-Schnecke zum Einspritzen. So lassen sich normale Granulatgrößen und damit alle gängigen Materialien verarbeiten.

Die um 45 Grad zur horizontalen Einspritzeinheit gekippt angeordnete, servoelektrisch angetriebene Schneckenvorplastifizierung sorgt zunächst für das Aufbereiten des Granulats. Bezüglich der Gangtiefen ist die 15- oder 18-mm-Plastifizierschnecke ähnlich aufgebaut wie eine konventionelle Drei-Zonen-Schnecke. Das aufgeschmolzene Material wird dann in die Einspritzeinheit gefördert.

Praxisbeispiel Mikrozählrad – ein Bauteil wiegt lediglich 0,003 g, das heißt neun Stück wiegen so viel wie ein Granulatkorn des PBT-Materials. Entsprechend groß sind die Anforderungen an die Präzision bei der Fertigung. (Bildquelle: Arburg)

Die Einspritzschnecke ist daher eine reine Förderschnecke. Sie hat einen Durchmesser von 8 mm, besitzt eine Rückstromsperre und arbeitet damit nach dem Schnecken-Kolben-Prinzip. Dadurch sind kleinste Schussgewichte sehr präzise und mit den notwendigen kurzen Fahrwegen zu realisieren. Gleichzeitig sorgt das abgestimmte Zusammenspiel von Schneckenvorplastifizierung und -einspritzung für eine sehr gute, kunststoffschonende Verarbeitung. Die Schmelze wird kontinuierlich vom Materialeinzug bis zur Spitze der Einspritzschnecke nach vorne gefördert. Damit ist das First-in-First-out-Prinzip gewährleistet und der Nachteil einer reinen Kolbeneinspritzung kompensiert. Für jeden Schuss steht homogen aufbereitete, neu dosierte Schmelze zur Verfügung.

Mikrozählrad und Mikroturbine

In einer Zykluszeit von 12 s fertigt die Mikroproduktionszelle rund um einen kleinen elektrischen Allrounder 270 A je vier Mikrozählräder aus PBT. Das Schussgewicht beträgt 0,23 g. Ein einzelnes Bauteil wiegt lediglich 0,003 g, neun Stück also so viel wie ein Granulatkorn. Durch das Drei-Platten-Werkzeug werden Anguss und Spritzlinge getrennt. Ein kompaktes Robot-System Multilift H 3+1 entnimmt die filigranen Mikrobauteile mit seinem Hauptarm und legt sie schonend nach Kavitäten getrennt ab, zur gleichen Zeit separiert der Sekundärarm den Anguss und wirft ihn ab.

Für die Herstellung von Mikroturbinen wird ein Magnet mit PVDF umspritzt. Das Bauteilgewicht beträgt 0,028 g. (Bildquelle: Arburg)

Ein weiteres Beispiel für die Mikroproduktion im Zusammenspiel von Einspritz- und Förderschnecke sind Mikroturbinen für Durchflussmessgeräte. Das Herzstück jeder Turbine ist ein Magnet. Bei der Fertigung werden die Magnete zunächst vereinzelt, ausgerichtet, in ein 4-fach-Werkzeug eingelegt und schließlich mit PVDF umspritzt. Das Einspritzvolumen hierfür beträgt rund 0,5 cm3. Anschließend werden die 0,028 g leichten und 4 x 4 x 3 mm großen Turbinen entnommen und nach Kavitäten getrennt abgelegt. Wichtig bei dieser Anwendung ist die Konturgenauigkeit.

Die Einspritzschnecke hat einen Durchmesser von nur 8 mm und ist eine reine Förderschnecke. (Bildquelle: Arburg)

Reinluftmodul für saubere, ionisierte Luft

Der Einsatz eines Laminarflow-Reinluftmoduls sorgt für eine konstante, kontrollierte Produktionsumgebung. Das Reinluftmodul saugt mit Radialventilatoren die Umgebungsluft an und erzeugt über einen Vor- sowie Schwebstofffilter (HEPA H14) reine Luft. Zudem neutralisiert eine inte-grierte Ionisierung elektrostatische Aufladungen, sodass sich deutlich weniger Partikel auf den Spritzteilen ablagern und die Mikrobauteile selbst aufgrund statischer Aufladung nicht im Arbeitsbereich anhaften. Der permanente Luftvolumenstrom führt zu einem hohen Luftaustausch im Produktionsraum. Gleichzeitig entsteht eine Verdrängungsströmung, die das Eindringen von Partikeln wirksam verhindert. Mit Reinluftmodulen kann direkt am Luftaustritt des Schwebstofffilters die Reinraumklasse ISO 3 erreicht werden.

Unternehmen im Detail

Entwicklungspartner Mikrotechnik

Bei der Neu- und Weiterentwicklung seiner Produkte arbeitet der Spritzgießmaschinen-Hersteller mit Experten der jeweiligen Sektoren zusammen, die wichtige Impulse geben und Neuheiten in der Praxis testen. Beim Mikro-Spritzgießen war dies der Kunststoffverarbeiter Scholz, Kronach. Seit 1999 ist die Mikrotechnik einer der Schwerpunkt des Unternehmens. Das kleinste Spritzteil des Produktprogramms wiegt 0,9 mg und damit nur den Bruchteil eines Granulatkorns.