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Jan 28, 2024

Wie Präzisionswerkzeuge Miniaturisierung ermöglichen können

2. Februar 2023 13:15 Rob Connelly, Chefingenieur, Trelleborg Healthcare &

2. Februar 2023

13:15

Rob Connelly, Chefingenieur bei Trelleborg Healthcare & Medical, erklärt, wie Präzisionswerkzeuge, Validierung und qualifizierte Ingenieure die Miniaturisierung ermöglichen.

Die Nachfrage nach Miniaturisierung von geformten Silikon- und Thermoplastprodukten für medizinische Geräte hat die Bedeutung von Prozessvalidierung, präzisem Werkzeugdesign und qualifizierten Werkzeugbedienern und Ingenieuren erhöht. Laut Plastics News Research haben Fortschritte und Miniaturisierung in der Medizingeräteindustrie die Gesundheitsversorgung auf der ganzen Welt verbessert und Behandlungen und Überwachung von Erkrankungen einfacher, weniger invasiv und tragbarer gemacht.

Nutzen Sie Werkzeuge und Präzision

Um Geräte zu miniaturisieren, müssen die Komponenten kleiner werden. Dies erhöht die Komplexität des Herstellungsprozesses erheblich und erfordert Geräte, Werkzeuge und Prozesse, die ein hohes Maß an Präzision fördern. Darüber hinaus sollten Experten Design for Manufacturability (DfM) entwickeln, um die Markteinführungszeit zu verkürzen, die zukünftige Produktionsausbeute zu verbessern und die Lieferung von Produkten in großen Mengen sicherzustellen.

Typische Formwerkzeuge und -prozesse sind in der Regel nicht in der Lage, die für Miniaturgeräte erforderliche Qualität und Präzision bereitzustellen. Daher ist es wichtig, mit einem Lieferanten zusammenzuarbeiten, der die Komplexität des Mikroformens versteht.

Ein robuster Mikroformprozess beginnt mit hochwertigen Spritzgusswerkzeugen, die die Qualität des Endprodukts bestimmen. Alle Mikroformwerkzeuge, unabhängig davon, ob sie eine Kunststoff- oder Silikonkomponente herstellen, erfordern ein hohes Maß an Präzision bei Toleranzen und Absperrflächen, um den Materialfluss in den Formhohlraum präzise zu steuern. Um dieses Qualitätsniveau zu erreichen, sind hochpräzise Bearbeitungsgeräte für die Formenherstellung erforderlich.

Bei Mikroformprozessen ist es außerdem wichtig, Geräte zu verwenden, die in der Lage sind, kleine Materialdosen in den Formhohlraum einzuspritzen. Typisch für diese Mikrokomponenten sind Materialdosierungen bzw. Schussgrößen von weniger als 1,0 Gramm. Die Kontrolle der Schussgröße ist für Flüssigsilikonkautschuk (LSR) mit niedriger Viskosität von entscheidender Bedeutung und liegt daher bei Mikroformgeräten im Mittelpunkt.

Ohne strenge Kontrolle der Schussgröße können leicht 5 bis 10 % des Hohlraumvolumens der Mikroteile aus dem Formhohlraum „auslaufen“. Dadurch entsteht überschüssiges Material am Rand des Teils, was üblicherweise als Grat bezeichnet wird. Bei einem größeren, typischeren Formteil, beispielsweise in der Größe einer Hand, ist eine kleine Menge Grat akzeptabel und kann in einem sekundären Prozess entfernt werden. Wenn ein Teil jedoch kleiner als ein Stecknadelkopf ist, kann der Grat so groß sein wie das Teil selbst, und eine gratlose Produktion wird obligatorisch. Dies erfordert Präzisionswerkzeuge, kleinere Einspritzeinheiten, eine bessere Kontrolle der Wärmezonen und eine höhere Präzision der Einspritzeinheiten.

Bei der Zusammenarbeit mit einem hochleistungsfähigen Hersteller mikrogeformter Komponenten sind fortgeschrittenere Fähigkeiten wie Mehrkomponenten-Spritzguss, auch allgemein als 2K, 2shot oder 2C LSR bezeichnet, ideal. Durch die gleichzeitige Einspritzung von LSR in Kombination mit technischen Kunststoffen ermöglicht diese hochentwickelte Technik die Kombination von Teilen innerhalb einer Baugruppe zu einer einzigen integrierten Komponente, wodurch potenzielle Baugruppenfehler und Toträume, in denen sich Bakterien vermehren können, vermieden werden. Es erfordert jedoch eine ausgefeilte Werkzeug- und Verfahrenstechnik.

Wert auf Validierung legen

Neben hochpräzisen Formen und Geräten sind auch robuste Prozessvalidierungs- und Messmethoden von entscheidender Bedeutung, um sicherzustellen, dass miniaturisierte Komponenten innerhalb der Spezifikation hergestellt werden. Die Validierung mikrogeformter Komponenten ist aufgrund der Komplexität der Prozesssteuerung und der Schwierigkeit bei der Messung, Handhabung und Prüfung kleiner Merkmale eine Herausforderung. Mikrogeformte Teile sind beispielsweise so klein, dass die statische Aufladung bei der Handhabung buchstäblich dazu führen kann, dass die Teile wegfliegen. Daher sind während des gesamten Herstellungsprozesses spezielle Handhabungs- und Antistatikvorrichtungen erforderlich.

Automatisierte Greifer sind bei der Entformung extrem kleiner Silikonteile in der Regel zu groß, während Auswerfer für Silikonteile unabhängig von ihrer Größe nicht geeignet sind. Dies liegt daran, dass Silikon dazu neigt, in den Spalt eines Ejektorsystems zu fließen. Eine weitere Alternative ist die Verwendung von Bürsten zum Entfernen von Teilen aus der Form. Die winzigen mikrogeformten Teile bleiben jedoch an der Bürste selbst haften, anstatt sich aus der Form zu lösen und in einen darunter liegenden Behälter zu „fallen“. Die Lösung sind Spezialgreifer, die speziell für Teile in Mikrogröße entwickelt wurden.

Auch die Verpackung muss im Produktionsprozess berücksichtigt werden, da Standard-Polyethylenbeutel für extrem kleine Teile nicht praktikabel sind. Die Teile bleiben statisch an der Oberfläche des Beutels haften und lassen sich nur sehr schwer entfernen. Daher müssen Teile möglicherweise beispielsweise in kleinen Hartplastikbehältern oder auf doppelseitigem Klebeband verpackt werden.

Studien zur Wiederholbarkeit und Reproduzierbarkeit von Messgeräten spielen eine wichtige Rolle bei der Sicherstellung der Messprozesse für mikrogeformte Komponenten. Diese Tests messen die Genauigkeit des Messprozesses und tragen dazu bei, dass Messungen von einem einzelnen Prüfer wiederholbar und von mehreren Prüfern reproduzierbar sind. Je kleiner Teile oder Teilemerkmale und die damit verbundenen Toleranzen werden, desto komplexer werden Messgeräte und -methoden. Methoden und Geräte müssen so konzipiert sein, dass minimale Messfehler erzielt werden und die statistische Prozessfähigkeit und -kontrolle nachgewiesen wird.

Erfahrene Mikrospritzgusshersteller wägen die Kompromisse zwischen der Erhöhung der Anzahl der Kavitäten in einer Form und den Herausforderungen bei der Validierung dieser zusätzlichen Kavitäten ab. Eine höhere Kavitation in einem Werkzeug ermöglicht einen höheren Durchsatz und möglicherweise niedrigere Kosten. Allerdings erhöht die zusätzliche Kavitation die Anforderungen an die Werkzeugausstattung und Prozesssteuerung, was die Komplexität der Validierung erhöht. Wichtig ist auch die Einbeziehung prozessbegleitender Kontrollen, die eine individuelle Analyse der Komponenten nach Kavität ermöglichen.

Erfahrung ist entscheidend für den Erfolg

Die präzise Natur des Mikroformens erfordert Kontinuität und fundierte Kenntnisse in den Bereichen Werkzeuge, Ausrüstung, Prozess- und Materialwissenschaft sowie Ingenieurwesen. Es werden Experten benötigt, die die Herausforderungen und Variationen beim Mikrospritzen verstehen, um Herausforderungen vorherzusehen und abzumildern, bevor sie auftreten. Für den Mikrospritzguss ist es von unschätzbarem Wert, einen Partner zu finden, der in der Medizingerätebranche eine lange Tradition hat und über umfassende Kompetenzen verfügt.

Abschluss

Mikrogeformte Teile sind im Gesundheitswesen und in der Medizinbranche von großem Nutzen, da sie die Entwicklung medizinischer Geräte erleichtern, um die Lebensqualität der Patienten zu verbessern, Krankenhausaufenthalte zu verkürzen und die Gesundheitskosten zu senken. Der Bedarf an qualitativ hochwertigen und invasiven chirurgischen Methoden sowie eine zunehmende Bevölkerungsgruppe älterer Menschen treiben die Nachfrage nach Miniaturisierung voran. Gerätehersteller sollten die kritischen Elemente des Mikroformens berücksichtigen – Werkzeuge, Ausrüstung, Prozesskontrollen, Materialkenntnisse, Messsysteme, Prozess- und Produktvalidierung sowie allgemeines technisches Fachwissen – und mit erfahrenen Formenbauern zusammenarbeiten, um sicherzustellen, dass die Geräte die gewünschte Qualität, Konsistenz und Patientenfreundlichkeit liefern Ergebnisse.

2. Februar 2023

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