Silikon und TPEs finden ihren Weg in die medizinische Mikroformindustrie

New York – In mancher Hinsicht ist der Prozess des Mikroformens ein Widerspruch.

Da die Märkte für Medizin und Gesundheitswesen kleinere und präziser gestaltete Komponenten fordern, gewinnt die Mikrospritzgussindustrie zunehmend an Bedeutung.

Wenn die winzigen Teile aus einem Pressenhohlraum entfernt werden, können sie der Physik trotzen – sie können aufgrund statischer Elektrizität in die Luft springen oder instabil werden, wenn die Teile nicht richtig befestigt sind.

Auch bei diesem winzigen Herstellungsprozess gibt es entscheidende Symmetrien.

Wenn die Teilegrößen auf den Mikrometerbereich sinken, sinkt das Risiko für den Patienten. Und da die Branche weiterhin Innovationen hervorbringt, werden lebensrettende Verfahren, die zuvor als unmöglich galten, zur Norm.

„Wir glauben, dass wir aus Anwendungssicht für den adressierbaren Markt erwarten und wetten, dass diese Betriebe weiter wachsen werden“, sagte Jeff Kyle, CEO von Plastic Design Co., gegenüber Rubber News, einer Schwesterpublikation von Plastics News. „Aus den Gründen, über die wir gesprochen haben, gibt es einen anhaltenden Vorstoß in Richtung Miniaturisierung und was in der fortgeschrittenen Chirurgie eingesetzt werden kann.“

„Wir gehen davon aus, dass der Gesamtmarkt hier weiter wachsen wird“, sagte er.

Die Schussgewichte beim Mikrospritzen liegen typischerweise zwischen 0,1 und 1 Mikrogramm, mit Toleranzen von 10 bis 100 Mikrometern.

„Und man kann mit den Anwendungen praktisch durch den Körper gehen“, sagte Kyle.

Herzklappenoperationen werden heute durchgeführt, indem mikrogeformte Komponenten durch die Oberschenkelarterie eingeführt werden. Die Augenheilkunde und Augenoperationen haben sich durch medizinische Miniaturkomponenten verbessert. Und Herz-Kreislauf-Teile, orthopädische Implantate und Hörgeräte bestehen alle aus mikrogeformten Teilen.

„Die Nachfrage ist definitiv da“, sagte Philipp Begert, globaler Entwicklungsleiter für neue Produkte bei Trelleborg Healthcare and Medical, Teil von Trelleborg AB und seinem Geschäftsbereich Trelleborg Sealing Solutions.

„Vor allem, wenn wir auf immer kleinere implantierbare Geräte umsteigen“, sagte Begert gegenüber Rubber News. „Und es gibt andere Geräte – Smartwatches, Diagnosegeräte –, die den Bedarf an der Technologie kleinerer, präziser Mikroformteile steigern.“

Obwohl beim Mikroformen viel mehr Kunststoffe als Weichkautschuke verwendet werden, findet flüssiger Silikonkautschuk immer noch seinen Platz in dieser sehr großen Industrie voller sehr kleiner Komponenten.

Laut Paul Runyan, Vizepräsident für Vertrieb des in Ankeny, Iowa, ansässigen Unternehmens, war Accumold 1985 eines der ersten Unternehmen, das das Verfahren weltweit einführte.

Der Geschichte zufolge wurde Accumold von zwei Werkzeugmachern gegründet, die in ihrer Garage das entwickelten, was Runyan „die erste Mikroformpresse“ nannte.

Accumold bringt seine umfassende Erfahrung weiterhin in den erfolgreichen Anbieter medizinischer Komponenten ein, der es heute ist.

„Wir sind vor etwa sechs Jahren in das Silikongeschäft eingestiegen“, sagte Runyan. „Einige unserer großen Kunden haben uns gebeten, Mikrosilikon-Umspritzungen durchzuführen, um ihnen bei der Lösung eines größeren Problems zu helfen.

„Wir haben festgestellt, dass es eine schöne Nische im Bereich Silikonumspritzungen und -teile gibt. Jetzt geht es der Silikonsparte gut und sie wächst schnell.“

Accumold-Mikroformen sowohl mit thermoplastischen Elastomeren als auch mit Silikon, da TPEs als Alternative immer beliebter werden.

„Was auch immer es ist, unsere Kunden treiben unsere Forschung und Entwicklung voran“, sagte Runyan.

Trelleborg Healthcare and Medical ist auch im Bereich mikrogeformtes Silikon tätig. Die Herausforderung besteht hier, so Begert, darin, zwei verschiedene Materialien miteinander zu verbinden, etwa Kunststoff und Silikon.

„Die Fähigkeit, ein LSR auf Kunststoff zu kombinieren – die Fähigkeit, Materialien miteinander zu integrieren, indem man zwei Teile nimmt und daraus ein Ganzes macht – ist der nächste Schritt“, sagte Begert.

Kyle's PDC wurde 1991 an der Schwelle der Mikrospritzguss-Revolution gegründet und ist ein Spezialfertigungsunternehmen, das sich auf Präzisionsspritzguss zur Unterstützung von Kunden aus den Bereichen Medizintechnik und Biowissenschaften konzentriert.

Das Unternehmen verfügt über eine 20.000 Quadratmeter große Werkzeug- und Produktionsanlage in Scottsdale, Arizona, und arbeitet typischerweise in PEEK, PEBA und PEI mit einem Qualitätssystem nach ISO 13485:2016.

Im heutigen Umfeld der Herstellung medizinischer Komponenten ist nicht nur das Mikroformen von Kompetenzen erforderlich. Ein Verständnis der Trends im Mikrospritzguss, der Mikrofluidik und der Mikroplattierung ist erforderlich.

„Die Teilekonstruktion liegt in der Verantwortung unserer Kunden und wir arbeiten mit vielen Erstausrüstern der Biowissenschaften zusammen“, sagte Kyle. „Sie bringen das Teiledesign ein und wir übernehmen es von dort aus, konstruieren die Werkzeuge in unserer eigenen Werkzeugwerkstatt und führen es bis zum Spritzguss durch.“

Mikrogeformte Teile finden sich auch in elektronischen Sensoren und Verbraucher-Wearables.

Das Volumen der Komponenten kann zwischen Tausenden und Millionen Teilen pro Jahr liegen, sagte Runyan von Accumold. „Was wir wirklich suchen, sind strategische Beziehungen zu unseren Kunden“, sagte er. „Unsere großen Kunden machen uns zu einem besseren Unternehmen, weil sie an die Grenzen gehen. Der Schlüssel ist: Können Sie bei Großserienläufen hohe Toleranzen einhalten?“

Die Fertigung komme wieder nach Nordamerika zurück, sagte Runyan, weshalb die Lieferketten entsprechend an Land verlegt würden.

„Wir sehen, dass die Produktion zurückkommt, also verlagern die Menschen ihre Lieferketten zurück nach Nordamerika“, sagte er. „Die Teile werden immer kleiner, da die Menschen engere Toleranzen wünschen.

„Wir sehen, wie unser kleiner Teich der Vergangenheit … beginnt, [mit der Nachfrage] zu überfluten.“

Accumold sieht etwa 60 Prozent seines Geschäfts in den Bereichen Medizin und Biowissenschaften, wobei auch die Mikroelektronik einen Teil der Marktanteile des Unternehmens ausmacht.

„Die Mikroelektronik schwankt von Jahr zu Jahr“, sagte er. „Große Projekte können die Zahl zugunsten der Mikroelektronik [vor der Medizin] senken.“

Automatisierung und künstliche Intelligenz können beim Mikroformen eine große Rolle spielen, da sie einen umfangreichen Datensatz liefern, sagte Kyle von PDC.

„Wenn wir darüber sprechen, genauer zu werden, glauben wir, dass es die Möglichkeit gibt, deutlich mehr zu tun, als wir bereits tun“, sagte Kyle. „Vorhersage ist ein gutes Wort. Millisekunden und Millipascal an Kraft sind wichtig. Die Größe des Unterschieds, auf den es in vielen Fällen ankommt, entspricht dem Teil, den wir produzieren.“

Laut Kyle hängt der Mikroformprozess von vielen Parametern ab, darunter kurze Verweilzeit, geringe Scherbeanspruchung der Polymerschmelze, homogene Materialvorbereitung vor dem Formen sowie präzises Einspritzen und Auswerfen.

Und gerade dieser letzte Schritt, das Abtrennen des Teils, kann problematisch sein.

„Soweit es die Einzelheiten betrifft, sind diese alle gültig, aber ich würde sagen, dass alle sekundären Vorgänge – wie ein Zusammenbau oder eine Entgratungsoperation – komplexer sind, weil ein Bediener nicht in der Lage ist, ein Teil zu handhaben, das nahezu unsichtbar ist“, sagte Kyle. „Dies erfordert ein Maß an Komplexität, das andere, weiter vorgelagerte Betriebe nicht berücksichtigen müssen.“

Kyle erzählte eine Anekdote von einem Materialingenieur, der ihm einmal sagte, wenn ein Teil ausgerichtet sei, „lass es nicht los.“

„Halten Sie es fest, bis es zur Veröffentlichung bereit ist“, sagte Kyle.

Die Kompressibilität des Materials – sei es ein TPE oder ein Harz – im Verhältnis zur Schussgröße sei eine der größten Herausforderungen, sagte Begert von Trelleborg aus seinem Büro in Minneapolis.

„Das ist eine große Hürde, die es zu überwinden gilt“, sagte er. „Hier kommt Prozesswissen ins Spiel. Die Validierung und Inspektion von Mikrokomponenten ist eine Herausforderung und die Messung kann schwierig sein.“

„Wie prüft man etwas, das auf einer Pinzette kaum sichtbar ist? Es könnte durch statische Aufladung wegfliegen, insbesondere bei LSRs. Wenn man versucht, das Teil zu entfernen, kann statische Elektrizität den Eindruck erwecken, als würde man die Physik betrügen. Das Teil tatsächlich.“ schwebt in der Luft.

Ein wichtiger Fortschritt für Mikrospritz- und Einlegespritzgießer werde darin bestehen, „einen komplementären Satz vertikaler Kompetenzen auf den Tisch zu bringen“, sagten die Experten.

„So dass es für den Kundenstamm zu einer vereinfachten Lieferkette wird“, sagte Kyle.

Accumold betreibt mehr als 175 Mikrospritzgusspressen, 50 Prozent davon werden vom Unternehmen selbst gebaut.

Und Erfahrung in der Branche ist in der Regel die Visitenkarte der meisten kompetenten Mikroformer.

„Es gibt viele Leute, die eine Mikroformpresse kaufen und behaupten, ein Mikroformer zu sein“, sagte Runyan. „Aber man muss unbedingt Erfahrung haben und über einen eigenen Werkzeugbau verfügen.“

„Wir haben etwa 60 Werkzeugmacher, und sie sind das Herzstück des Unternehmens. Um Werkzeuge mit hohen Toleranzen herzustellen, braucht man Erfahrung.“

Die Spritzgusspresse sei ebenso wichtig wie hochwertige Zusatzgeräte, sagte er.

„Wir hatten weit über 8.000 Projekte in der Produktion“, sagte Runyan. „Das Vertrauen und die Erfahrung sind sehr wichtig, um dem Kunden zu zeigen: ‚Hey, wir haben das schon einmal gemacht, und ja, wir können eine bestimmte Anwendung bewältigen.‘

„Beim Mikroformen ist alles wichtig: die Mikromerkmale, die Mikrotoleranzen, die Mikrogröße, alles im Mikrobereich.“

Begert stimmte zu, dass die Qualität der Maschinen beim Mikrospritzen von entscheidender Bedeutung ist.

„Man braucht ein hohes Maß an Präzision bei kleinen Schussgrößen“, sagte Begert. „Kunststoffe im Mikrospritzguss weisen recht hohe Schergeschwindigkeiten auf.

„Alles kommt auf die Größe der Einspritzschnecke oder des Kolbens an. Bei kleinen Größen können das nur eine Handvoll Maschinen“, sagte er.

Beim Wechsel zwischen LSR und TPE sollten Hersteller vorsichtig sein, da TPE relativ warm ist, wenn es in eine kühlere Form gelangt. Silikon ist das Gegenteil, da es ein Duroplast ist, der relativ kühl ist, wenn er in eine heiße Form gelangt.

„In einem anderen Formaspekt gibt es Herausforderungen beim Übergang von Kunststoff zu Silikon, da es einen thermischen Unterschied zwischen dem Material und der Form gibt“, sagte Begert.

Er fügte hinzu, dass die Zusammenarbeit mit einem größeren Unternehmen wie Trelleborg den Kunden wichtige Netzwerklösungen bieten kann.

„Wir wollen so früh wie möglich mit unseren Kunden zusammenarbeiten. Kunden können sehr innovativ sein“, sagte Begert. „Und wenn wir feststellen, dass wir es nicht herstellen können, müssen wir Lieferanten einbeziehen. Wir sind Spezialisten für Materialien und Prozesse. Und wir können diese Lieferantenbeziehungen zum Kunden bringen.“

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