Durchbruch in der Mikrofertigung durch Kombination von Hochpräzisions-3D-Druck und Mikrospritzguss.

Die POM-Mikroteile für ein Endoskop wurden mithilfe eines 3D-gedruckten Spritzgießwerkzeugs hergestellt. 

Rapid Prototyping von Mikrospritzgießwerkzeugen mit Hochpräzisions-3D-Druck

Spritzgießen

Kunststoffverarbeitung: Verfahren

Mikrospritzgießen

Anlagen Additive Fertigung / 3D-Druck, Kunststoff

Anlagen für die Additive Fertigung

Spritzgießwerkzeuge

Kunststoffverarbeitung: Maschinen und Komponenten

Werkzeuge für die Kunststoffverarbeitung

SLA (Stereolithografie) Kunststoff

Verfahren für die additive Fertigung

Flüssigmaterialverfahren

Additive Fertigung

Lasertechnik

Mikroteile in nur zwei Wochen: Unmöglich? Nein!

Der Scale Microinjector, entwickelt vom KUZ, ermöglicht es, verschiedene Mikroformteile simultan und effizient auf konventionellen Spritzgießmaschinen herzustellen.

Scale Microinjector: Verwendung von Standardspritzgießmaschinen mit aktiver Schmelzeverteilerplatte zur Massenproduktion präziser Mikroformteile .

Mikroformteile in Großserie auf konventioneller Maschine produzieren

Automobilhersteller, Zulieferer und Prüfinstitute wollen in einem gemeinsamen Projekt reversible Verfärbungen von Kunststoffen, Lacken und Polyurethan-Schaumstoffen aufklären. Ein in diesem Rahmen entwickelter Test, der Potenzial zur Dunkelverfärbung einfach und sicher nachweist, könnte in der Eingangskontrolle und Produktionsüberwachung hilfreich sein. 

Phänomen reversibler Verfärbung von Kunststoffteilen enttarnt (Teil 2) 

Schaumstoffe und Vorprodukte

Farbstoffe

Polyurethan

Werkstoffprüfung

Chemische, biochemische Werkstoffprüfung

Den Ursachen auf der Spur 

Die antibakterielle und antivirale Ausrüstung von Textilien und Kunststoffen steht im Fokus von Forschung und Entwicklung. Die Ostthüringischen Materialprüfgesellschaft für Textil- und Kunststoffe mbH (OMPG) konnte die entsprechende Prüfmethode jetzt vereinfachen.

Additive

Kunststoff Werkstoffe

Qualitätssicherung Kunststoff

Qualitätssicherung

Medizinprodukte

Medizintechnik

Messtechnik

OMPG vereinfacht Prüfungen auf antivirale Wirksamkeit

Die K 2019 in Düsseldorf wurde ihrem Anspruch, die Leitmesse für Kunststofftechnik zu sein, wieder einmal gerecht. Zumindest im Bereich Spritzgießen gab es Weltneuheiten – wenn man genau hingesehen hat.

Bild 1. Smart Operation – die Maschine wird mit nur noch vier Knöpfen bedient

16:9

Spritzgießtrends auf der K 2019

Schaumspritzgießen

Smart Factory

Energieeffizienz

Messe K-Kunststoffmesse

kunststoffe.de

Mehrkomponenten-Spritzgießen

Spritzgießmaschinen, allgemein

Spritzgießmaschinen

Fließpressen

Handling, Handhabungstechnik für die spanende Fertigung

Automatisierungstechnik

Handling, Handhabungstechnik

Spritzgieß-Sonderverfahren

Spritzgießsimulation

Software

Simulation

Elastomer-Spritzgießen

Linearroboter für die Kunststoffverarbeitung

Industrie 4.0 für die Kunststoffverarbeitung

Industrie 4.0

Montage-Spritzgießen

Knickarmroboter

Montagetechnik

Industrieroboter

Co-Injektion (Barriere-/Sandwich-Spritzgießen)

Hybrid-Spritzgießen (Metall / Kunststoff)

Ressourcenmanagement

Produktion

Mit digitaler Assistenz  zur technischen Exzellenz

Miniaturisierte Spritzgussteile sind in Optik, Elektronik, Automobil-, Medizintechnik etabliert. Die Simulation solcher Teile wird zunehmend für die Beschreibung einer anspruchsvollen Mikrostrukturabformung und Morphologiebildung angewandt.

Mikrospritzgieß-Füllsimulation mit angepassten Materialdaten in die Praxis umgesetzt

Simulation en miniature

Über 400 Teilnehmer aus mehr als 40 Ländern informierten sich beim Arburg Summit: Medical 2020 zu aktuellen Entwicklungen, Anwendungen und Visionen und tauschten sich mit den zahlreichen Medizintechnik-Experten aus.

Arburg-Experte Sven Kitzlinger, Senior Application Manager Medical, beantwortete auf dem Arburg Summit: Medizintechnik 2020 Fragen der Teilnehmer zur Reinraumtechnologie und präsentierte Features einer Spritzgießmaschine, die live Nadelhalter für Insulin-Pens produzierte

Arburg Summit: Medical 2020

ARBURG gehört weltweit zu den führenden Maschinenherstellern für die Kunststoffverarbeitung. Das Produktportfolio umfasst ALLROUNDER Spritzgießmaschinen mit Schließkräften zwischen 125 und 6.500 kN, freeformer für die industrielle additive Fertigung sowie Robot-Systeme, kunden- und branchenspezifische Turnkey-Lösungen und weitere Peripherie.

ARBURG GmbH + Co KG  

https://www.arburg.com

Abkantmaschinen, -pressen, -bänke

Blechbearbeitungsmaschinen

Maschinen für die spanlose Fertigung

Antriebselemente

Lineartechnik

Maschinenelemente

Ceramic-Injection-Moulding, CIM

Condition Monitoring für die Qualitätssicherung

Industrie 4.0 für die Qualitätssicherung

Kennzahlen

Qualitätsmanagement

Kennzahlen, Q-Leitstand, Q-Monitor

Kühlelemente, aktive

Kühlkörper

Elektromechanik

Management-Informationssysteme

Mehrfarben-Spritzgießmaschinen

Mikrobauteile

Montage

Mischer

Kunststoff-Aufbereitung

NE-Metalle

Metall Werkstoffe

PUR-Schäummaschinen

Schäumen / Reaktive Verarbeitung

Partikelschäumen

Produktionssystem

Rapid Manufacturing

Rapid Prototyping

Reinraumsysteme / -technik

Reinraumtechnik

Betriebsausrüstung / Betriebsmittel

Reporting-Tools

Rückverfolgbarkeit, Traceability

Schnecken und Plastifiziersysteme

Schnecken und Zylinder

Spanneinrichtungen

Systemperipherie

Spritzgieß-Zubehör und Einzelteile

Stetigförderer

Fördertechnik

Logistik

Trockner

Vorbeugende Instandhaltung für die spanende Fertigung

Industrie 4.0 für die spanende Fertigung

Platzsparende Maschinenkonzepte für anspruchsvolle Produktionsumgebungen haben Konjunktur. Ein Praxisbeispiel aus der Pharmaindustrie zeigt, welchen Beitrag intelligente Maschinenfunktionen zur Unterstützung der Maschinenbediener und Dokumentation des Produktionsprozesses leisten.

Das Spritzgießen und Schlitzen einer LSR-Membran für einen Verschluss von Glasfläschchen für pharmazeutische Produkte stellt hohe Präzisionsanforderungen

KraussMaffei liefert maßgeschneiderte Kundenlösung für die LSR-Verarbeitung

Automatisierungszellen

Silikonkautschuk

Kautschuk / Elastomere

Gläserne Produktion

RKT beschäftigt sich bereits seit 45 Jahren mit der Herstellung von Kunststoffprodukten für die Medizin- und Industrietechnik. Ein Leuchtturmprojekt im anspruchsvollen Produktportfolio sind Disks zur Schnellanalyse multiresistenter Krankenhauskeime.

Ein Sechsachsroboter entnimmt die Spritzteile aus dem unter Schutzgasatmosphäre stehenden Werkzeug und transportiert sie in den Reinraum zur Weiterverarbeitung

Hightech-Fertigung lebensrettender Disks für die Schnellanalyse gefährlicher Keime

Eine runde Sache

Ewikon stellt auf der Fakuma 2021 die zweite Generation des Assistenzsystems smart Control vor. Im Vergleich zur Vorgängerversion bietet es neue Leistungsmerkmale und ist jetzt über OPC UA vollständig in die vernetzte Spritzgießproduktion integrierbar.

Die zweite Generation des smart Control-Assistenzsystems lässt sich über OPC UA vollständig in die vernetzte Spritzgießproduktion integrieren

Messe Fakuma

Heißkanalsysteme

Komponenten für die Kunststoffverarbeitung

Smarte Prozessüberwachung

Nach einem Jahr erzwungener „Fakuma-Pause“ kündigt Wittmann Battenfeld als Highlight der diesjährigen Messe die neue servohydraulische Maschine SmartPlus an. Sie soll sich durch ein hohes Maß an Wirtschaftlichkeit, Energieeffizienz und Wiederholgenauigkeit auszeichnen.

Die neue Maschine SmartPlus ist mit der Software HiQ Flow und dem Condition Monitoring System CMS-Light ausgestattet

Spritzprägen

Servohydraulisch, vollelektrisch, digitalisiert

Der Anybrid GmbH ist es gelungen, die sonst starr stehende Spritzgießmaschine in eine mobile, frei im Raum bewegbare Maschine zu verwandeln, mit der sich etwa Profile umspritzen lassen.

Die Spritzgießanlage Robin lässt sich am Arm eines Sechsachsroboters frei beweglich an die jeweiligen Anwendungspunkte schwenken. 

Automatisiertes Leichtbaumodul zur Funktionalisierung und Hybridisierung von Bauteilen

Hybridtechnik

Rohr- und Profilextrusion

Extrusion

Spritzgießen im Flug

Wittmann Battenfeld stellt mit der Fertigung eines Stützrings mit einer mikrometerdünnen Silikonmembran seine Kompetenz in gleich zwei Disziplinen unter Beweis: der Verarbeitung von Flüssigsilikon einerseits und der Herstellung von qualitativ hochwertigen Kleinstteilen andererseits.

LSR-Verarbeitung im Mikrospritzgießen

Bauteil mit interdisziplinärem Anspruch

Auf der Chinaplas in Schanghai plant Dr. Boy zwei kompakte Spritzgießautomaten aus seinem umfangreichen Produktprogramm zu zeigen (Anm. d. Red.: Die Messe war für April 2022 geplant, wurde aber auf einen noch nicht bekannten Zeitpunkt verschoben).

Kompakte Spritzgießmaschine Boy 25 E mit integriertem Entnahmehandling. 

Medizintechnik im Fokus

Strukturierte Kunststoffoberflächen vermindern Anhaftung von Bakterien

Biofilme sind enorm widerstandsfähige Konglomerate von Keimen auf Materialoberflächen, die besonders in medizintechnischen Anwendungen häufig zum Problem werden. Die Reduzierung der primären Anhaftung der Keime sowie die Messung und Bewertung der Biofilmbildung auf Kunststoffoberflächen ist daher ein wesentliches Problem, das es zu lösen gilt.

Aktuell werden beispielsweise bei Dauerkathetern Arzneimittelwirkstoffe, wie Antibiotika oder Silber, in die Kathetermatrix oder eine Außenschicht eingearbeitet, um während der mehrwöchigen Applikation die Ausbildung eines Biofilms zu inhibieren und damit eine Infektion zu vermeiden [1, 2]. Auch werden Katheter mit gerinnungshemmenden Mitteln, wie Heparinen, beschichtet, um Katheterthrombosen zu verhindern. Dennoch kommt es bei derartigen Anwendungen immer wieder zu mit Biofilmen assoziierten Infektionen und oft auch zu Thrombosen. Eine Lösung zur Überwindung dieser Probleme – ganz ohne den Einsatz von Arzneiwirkstoffen – könnte eine spezifische Strukturierung der Materialoberflächen sein [3].

Vor diesem Hintergrund erprobte das Thüringische Institut für Textil- und Kunststoff-Forschung (TITK), Rudolstadt, im Rahmen eines vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) geförderten FuE-Projekts eine Technologie, die es ermöglicht, verschiedene periodische Oberflächenstrukturen beim Spritzgießen von 2K-Flüssigsilikonen zu erzeugen. Diese Polymerklasse spielt bei medizintechnischen Applikationen und Implantaten häufig eine wichtige Rolle.

Oberflächendesign – Abbildung periodischer Säulenstrukturen

Für die Untersuchungen kamen strukturierte Metallbleche (Shims) bzw. Spritzgusseinleger aus Nickel zum Einsatz. Diese Masterwerkzeuge mit der Negativstruktur der später auf der Polymeroberfläche abzubildenden Struktur wurden von der temicon GmbH, Dortmund, hergestellt. Erzeugt wurden die mikro- bis nanostrukturierten Master durch Plasmaätzen und/oder lithographische Verfahren, die das Unternehmen seit Jahren weiterentwickelt hat. Im Rahmen der Untersuchungen wurden systematisch kleiner werdende Säulenstrukturen zur Oberflächenmodifizierung erprobt (Bild 1).

Die Abformungsversuche wurden sämtlich bei isothermer Temperaturführung (25 °C Massetemperatur in der Spritzeinheit, 140 – 160 °C Werkzeugtemperatur) durchgeführt, auf einer vollelektrischen Spritzgießmaschine (Typ: Eco Power 180/350; Hersteller: Wittmann Battenfeld GmbH, Meinerzhagen), die mit einer LSR-Fasspresse ausgestattet ist (für 20 kg Pailkits, Typ: SilcoStar 902E; Hersteller: 2 Komponenten Maschinenbau GmbH, Marienheide). In dem zuvor evakuierten (rund 500 mbar) Tauchkantenwerkzeug befand sich senkrecht zur Anspritzrichtung (Filmanguss) das jeweilige Strukturierungswerkzeug. Nach einer fünfminütigen Vulkanisationszeit im Werkzeug wurden die Bauteile per Hand entformt.

Die Überprüfung mit einem digitalen 3D-Lichtmikroskop sowie REM-Aufnahmen bestätigen, dass die feinen Oberflächentopographien der Strukturierungswerkzeuge bis zu einem Lochdurchmesser von 0,7 µm (entspricht dem Durchmesser der Säulenspitzen DS auf der Silikonoberfläche) auf der Polymeroberfläche abgeformt werden (Bild 2). Mit einem Abstand (P für engl. Pitch) von rund 1,5 µm zwischen den Säulen geschieht dies weitgehend mit hoher Genauigkeit und ausgeprägter Tiefenwirkung (effektiv abgebildetes Aspektverhältnis von bis zu rund 2,5).

Weiterhin zeigte sich tendenziell, dass bei einem Aspektverhältnis von ≥ 2,5 sowohl mit einer weiteren Verkleinerung der Säulenstrukturen (Struktur 4-N: Lochdurchmesser DS = 0,33, P = 0,55 µm) als auch mit abnehmender Härte des Silikonmaterials die Qualität der Abformung unter ansonsten konstanten Bedingungen unverkennbar abnimmt (Tabelle 1).

Die winzigen Hohlräume der Werkzeuge werden nicht mehr vom Material ausgefüllt bzw. die Säulen „verkleben“ nach der Entformung. Das Resultat sind unvollständige und/oder fehlerhafte Strukturen. Zum Vergleich wurde auch eine inverse Struktur erprobt (Struktur 5-N-i). Diese konnte trotz des hohen Aspektverhältnisses von 2,7 mit sehr hoher Genauigkeit abgebildet werden (Bild 2).

Als eine weitere nanoskalige Struktur wurde auch eine sogenannte Mottenaugenstruktur (Struktur 6-AR) getestet (Bild 1). Diese weist ein geringeres Aspektverhältnis als die anderen Strukturen auf und lässt sich ebenfalls mit hoher Genauigkeit auf der Materialoberfläche abbilden. Diese Art von Struktur hat sich u. a. für optische Anwendungen bewährt, um die Lichttransmission im Spektralbereich des sichtbaren Lichts zu erhöhen [4].

Charakteristik der strukturierten Oberflächen

Makroskopisch ist die mikro- bis nanometerfeine Strukturierung der so modifizierten Silikonoberflächen nicht zu erkennen. Einzig die Farbauffächerung des reflektierten Lichts lässt auf eine Strukturierung schließen (Bild 3). Durch Messung des Benetzungsverhaltens (Drop Shape Analyzer Typ: DSA 100; Hersteller: Krüss GmbH, Hamburg) erfolgte eine erste quantitative Beurteilung der Funktion der erfolgreich abgebildeten Strukturen (Tabelle 2).

Dabei zeigte sich u. a. ein stark verändertes Benetzungsverhalten der erzeugten funktionalen Oberflächen im Vergleich zu einer glatten Oberfläche des gleichen Materials. So sinken vor allem die dispersen Wechselwirkungen (σdispers) durch die Säulenstrukturen mit hohem Aspektverhältnis signifikant ab, weshalb sich die Benetzung insgesamt reduziert bzw. der Kontaktwinkel gegenüber Wasser stark ansteigt. Mit einem Kontaktwinkel gegenüber Wasser von bis zu 150° weisen die so strukturierten Oberflächen (Strukturen 1-M bis 3-M) ein superabweisendes Verhalten auf.

Beim Vergleich aller angefertigten Strukturen fällt jedoch auf, dass der Kontaktwinkel sowohl bei der inversen Struktur (Struktur 5-N-i) mit 117° ± 2° als auch bei der Mottenaugenstruktur (Struktur 6-AR) mit 108° ± 3° wiederum sehr ähnlich der unstrukturierten Materialoberfläche (112° ± 1°) ist. Diese Oberflächen verfügen somit über ein geringeres wasserabweisendes Verhalten, das aber rein physikalisch immer noch dem von Teflon ähnelt (Tabelle 2). Teflon hat von allen Polymermaterialien einen der größten Kontaktwinkel zwischen Wasser und einer glatten Oberfläche [5].

Auffällig war bei den Untersuchungen der Materialproben, dass die strukturierten Silikonmaterialien generell relativ robust sind, während beispielsweise vergleichbar strukturierte Oberflächen auf Polypropylen [6] oder durch Nanopartikel auf Oberflächen erzeugte superhydrophobe Strukturen [7] hochempfindlich auf mechanische Belastungen reagieren. Dies ist ein wesentlicher Anwendungsvorteil.

Entwicklung eines standardisierbaren Biofilmtests

Zu Untersuchungen mit Biofilmen existieren zahlreiche wissenschaftliche Publikationen, aber keine Normprüfungen oder standardisierte Verfahren, sodass die Ergebnisse in der Regel nicht vergleichbar sind. Daher entwickelte das TITK ein neues, einfaches, robustes und standardisierbares Verfahren zur Überprüfung der Biofilmbildung auf Kunststoffoberflächen.

Damit lässt sich die unterdrückte Adhäsion von Bakterien an Kunststoffoberflächen bewerten und für verschiedene Kunststoffe gleichsam quantitativ vergleichen. Neben der Identifikation von geeigneten Testkeimen, Medienkonzentrationen und Inkubationsbedingungen erwies sich hier vor allem das Finden geeigneter Kontrollen (Positiv- und Negativkontrolle) zur Validierung des Tests als große Herausforderung.

Da keines der getesteten und kommerziell verfügbaren Materialien als Positivkontrolle (PK) geeignet war, musste eine eigene Materialkontrolle entwickelt werden. Mit einer Materialkombination aus einem speziellen Polyamid und einem eigens vom TITK entwickelten antibakteriellen Additiv [8] gelang es schließlich, ein geeignetes Material als Positivkontrolle zu etablieren, das keine bis nur eine äußerst geringe Biofilmbildung unter Testbedingungen aufwies. Zum Nachweis des Biofilms wurde der Farbstoff Thiazolylblau (bekannt unter dem Kürzel MTT) eingesetzt, der durch lebende Zellen von gelb nach lila-blau umgesetzt wird (Bild 4).

Mit dem so etablierten Test wurden alle angefertigten oberflächenstrukturierten Materialproben geprüft. Dabei zeigte sich am Beispiel des LSR 2060 (Hersteller: Momentive Performance Materials Inc.), dass mit zunehmender Feinheit der Oberflächenstrukturen die Ansiedlung eines Biofilms erschwert wird. Mit der ebenfalls erprobten inversen Struktur (Struktur 4-N-i) wird ein in etwa gleich starker Effekt erzielt wie mit der feinsten abformbaren Säulenstruktur (Struktur 3-M) (Bild 5).

Die ebenfalls erprobte Mottenaugenstruktur (Säulenstruktur mit geringerem Aspektverhältnis) führt selbst indessen zu keiner ausgeprägten Reduktion der Biofilmbildung. In Kombination mit dem selbstschmierenden Silikonmaterial LSR 4655SL (Momentive) kann jedoch ein ähnlich starker biofilmabweisender Effekt nachgewiesen werden. Generell ist der Effekt der Strukturierungen unter dynamischen Bedingungen stärker ausgeprägt als unter statischen Bedingungen.

Die Ergebnisse zeigen, dass eine Oberflächenstrukturierung von Silikon mithilfe der entsprechenden Werkzeuge mit einer Feinheit von bis zu ca. 0,5 µm im Spritzgießverfahren möglich ist und dabei abweisende bis superabweisende Oberflächeneigenschaften erreicht werden können. Mit Blick auf das Ziel, eine Biofilmbildung zu verhindern, wird mit zunehmender Feinheit der Strukturen ein besserer Effekt erzielt. Aber auch besonders in einer Kombination aus den kleinstmöglichen Strukturen und einem selbstschmierenden, biokompatiblen Silikonmaterial lässt sich ein vielversprechender Lösungsansatz erkennen.

Die prototypisch auf den Materialoberflächen applizierten Strukturen eignen sich unter anderem für optische und mikrofluidische Systeme, aber auch zur Variation der Grenzflächeneigenschaften von Kunststoffteilen im Hinblick auf deren Bioadhäsion. Die etablierte mikrobiologische Prüfmethode zur Bewertung der Bioadhäsion an Kunststoffoberflächen kann generell auch zur Bewertung und zum Vergleich von Oberflächen verschiedenster Materialien für weitere Entwicklungen sowie für kundenspezifische Fragestellungen genutzt werden.

[1] Lemcke, J.; Depner, F.; Meier, U.: The Impact of Silver Nanoparticle-Coated and Antibiotic-Impregnated External Ventricular Drainage Catheters on the Risk of Infections: A Clinical Comparison of 95 Patients. In: Schuhmann, M.; Czosnyka, M. (Eds.): Intracranial Pressure and Brain Monitoring XIV. Acta Neurochirurgica Supplementum, vol 114. Springer, Wien 2012, S. 347–350

[2] Vasilev, K.; Cook, J.; Griesser, H.J.: Antibacterial surfaces for biomedical devices. Journal Expert Review of Medical Devices 6 (2009) 5, S. 553–567

[3] Adlhart, C. et al.: Surface modifications for antimicrobial effects in thehealthcare setting: a critical overview. Journal of Hospital Infection 99 (2018) 3, S. 239–249

[4] Schulz, U.: Kunststoffoptiken mit Antireflex- und Antibeschlageigenschaften durch Plasmaätzen und Beschichtung. Vakuum in Forschung und Praxis 20 (2008) 3, S. 37–41

[5] Shirtcliff, N. J. et al.: An introduction to superhydrophobicity. Advances in Colloid and Interface Science 161 (2010) 1–2, S. 124–138

[6] Gunkel, H.: Strukturierte Kunststoffoberflächen mit antibakteriellen Eigenschaften für die Medizintechnik. BMWi, Reg.-Nr.: MF120159 (2014)

[7] Helmer, D.; Rapp, B. E.: Superabweisende Oberflächen – Die Entwicklung eines superhydrophoben Werkstoffs. GIT-Labor – Portal für Anwender in Wissenschaft und Industrie, https://www.git-labor.de/forschung/materialien/superabweisende-oberflaechen, aufgerufen am 11.03.2020

[8] Gladitz, M.; Reinemann, S.; Radusch, H.-J.: Preparation of Silver Nanoparticle Dispersions via a Dendritic-Polymer Template Approach and their Use for Antibacterial Surface Treatment. Macromolecular Materials and Engineering 294 (2009) 3, S. 178–189

Thüringisches Institut für Textil- und Kunststoff-Forschung e.V. TITK

https://www.titk.de

Ausgabenartikel

Wassertropfen auf Silikonmaterialien. Links: ohne Struktur (hydrophob), rechts: mit periodischer Oberflächenstruktur (superabweisend)

Tabelle 1. Qualitative Bewertung der Auswirkung unterschiedlich harter 2K-Silikonformmassen auf die Qualität der Abformung.