Mikro-Spritzgießen unter Reinraumbedingungen

Der Mikrospritzguss von Kunststoffkomponenten ist eine der effizien­testen Methoden, um präzise Kleinstteile herzustellen. Für die Her­stellung von Mikroteilen für die Medizintechnik bietet die Firma Arburg in Loßburg ein großes Spektrum an Lösungen. Im Bereich Personal Care steht die produktions­effiziente Fertigung von Massenartikeln im Fokus.

Kleinstbauteile aus Kunststoff herzustellen erfordert höchste Präzision. Insbesondere im sensiblen Bereich der Medizintechnik findet die Produktion unter kontrollierten Reinraumbedingungen statt. Je kleiner die Produkte, desto komplexer und sorgfältiger muss der Herstellungsprozess erfolgen. Jedes Staubkorn kann zu einer Funktionsbeeinträchtigung oder gar zu einem Ausfall führen. Werden die Produkte zudem im medizinischen Bereich, wie bspw. in der minimal-invasiven Chirurgie, eingesetzt, muss absolute Hygiene und eine kontaminationsfreie Auslieferung gewährleistet sein. Dabei spielt die Einhaltung von konstanten Umgebungsbedingungen während der Produktion und Verpackung eine große Rolle.
Arburg produziert Maschinen- und Fertigungszellen für den Bereich Mikrospritzguss, mit denen sich Teile im Mikrometerbereich fertigen lassen. Die Details der Endprodukte sind oft mit bloßem Auge nicht mehr zu erkennen und sind doch wichtige Bestandteile im Gesamtkonzept der Kunden. Jeder Partikel, der die Produktion kontaminiert, kann zu einem Ausfall der Funktion führen. Daher sorgt das Unternehmen auch für eine kontrollierte Produktionsumgebung.

Ausgeklügeltes Reinraumkonzept
Der modulare Aufbau der gesamten Arburg Technik macht anwendungsspezifische Anpassungen einfach möglich. Die Allrounder Spritzgussmaschinen z. B. fertigen sowohl innerhalb als auch außerhalb des Reinraums – stets unter sauberen Bedingungen. Dafür sorgen Reinluftmodule über dem Arbeitsbereich. Sind die Maschinen an den Reinraum angedockt, finden dort nur die nachgelagerten Arbeiten wie Qualitätskontrolle und Verpackung statt. Durch dieses Konzept kann der Reinraum so klein wie möglich gehalten werden. Maschine und Peripherie, die sich aussen befinden, belasten den Reinraum nicht durch zusätzliche Partikel oder Wärme. Vertikal- und Drehtischmaschinen lassen sich in diese Produktionsumgebung ebenso integrieren wie vor- oder nachgeschaltete Prozesse.

Mikro-Spritzgießen von LSR-Abdeck­kappen
Anhand der Herstellung von Abdeckkappen für Mikroschalter aus Flüssig-Silikon bzw. Liquid Silicone Rubber (LSR) zeigte Arburg auf der K 2019 seine Möglichkeiten der LSR-Verarbeitung im Mikrobereich auf. LSR ist aufgrund seiner besonderen Materialeigenschaften vielseitig z. B.in der Elektrotechnik oder der Medizintechnikeinsetzbar und gewinnt auch im elektronischen Bereich an Bedeutung.
Das Unternehmen Rico baut Werkzeuge für den Silikon- und den Mehrkomponenten-Spritzguss, und produziert viele Silikonkomponenten, darunter auch Verschlusskappen, selbst. Die Anforderungen beim Mikro-Spritzgießen sind aufgrund der Komplexität der zu fertigenden Bauteile sehr hoch. Vor allem die Werkzeugentwicklung, die Prozessstabilität und ausgeklügelte Fertigungszellen von Arburg sieht Rico als maßgeblich für die Qualität seiner Bauteile an.

Die verarbeitende Spritzgießmaschine muss die nur wenige Milligramm leichten Artikel exakt in Serie fertigen und dabei enge Toleranzen einhalten können. Dies realisiert Arburg durch präzises Einspritzen kleinster Schussgewichte und eine exakt regelbare Plastifizierung.
Für das Spritzgießen der nur 0,009 g wiegenden Abdeckkappen aus Flüssigsilikon (LSR) ist der Allrounder 270 A mit einer Mikrospritzeinheit der Größe 5, einer 8-mm-Schnecke und einer 290 ml fassenden LSR-Kartusche ausgestattet. Die Kartusche enthält das aus zwei Komponenten bestehende, exakt und homogen vorgemischte Material Elastosil LR 3005 mit einer Shore-A-Härte von 40 der Firma Wacker-Chemie sowie weiße Farbe und wird exakt und homogen vorgemischt. Das Material verfügt über einen besonders guten Druckverformungsrest, d. h. es zeigt ein optimales Rückstellverhalten.

Inline-Kameraprüfung
Um ein vorzeitiges Vernetzen der reaktiven Mischung zu vermeiden, befindet sich die Zuführeinheit der Kartusche in einem gekühlten Messingzylinder. Eingespritzt wird über eine LSR-Schnecke mit speziell dafür entwickelter Rückstromsperre nach dem First-in-first-out-Prinzip. Das Schussgewicht beträgt nur 0,072 g. Die Bauteile werden im 8-fach-Werkzeug der Firma Rico, Österreich, jeweils direkt über ein Kaltkanal-System mit Nadelverschluss angespritzt, das abfallfrei produziert. Die Abdeckkappen entstehen angusslos und ohne weitere Nacharbeit. Ein Reinluftmodul mit Ionisierung über der Schließeinheit vermeidet elektrostatische Aufladungen. Für Prozesssicherheit sorgt zudem ein im Einzug integrierter Sensor. Die erfassten Werte werden über die Steuerung Selogica ND grafisch dargestellt und überwacht.

Das Robot-System Multilift H 3+1 handhabt automatisiert filigrane Mikrobauteile
Die Spritzteile werden von einem horizontal eingreifenden Multilift H 3+1 der Firma Arburg entnommen und direkt im Greifer optisch auf vollständige Füllung kontrolliert und vermessen. In einer Zykluszeit von rund 20 Sekunden entstehen acht Abdeckkappen für Mikroschalter, wie sie z. B. in der Automobilindustrie oder in der Medizintechnik eingesetzt werden.

Die Fertigungszelle wurde speziell für die Herstellung solcher anspruchsvollen Mikrobauteile konzipiert. Automatisiert handhabt das Robot-System Multilift H 3+1 filigrane Mikrobauteile für die nachgelagerten Verpackungsprozesse. Anschließend wird das Produkt vollautomatisch in einen umweltfreundlichen Papierbeutel verpackt und verschweißt. Die Teile werden dabei inline geprüft.
Rico-Vertriebsleiter Martin Rapperstorfer erläutert, dass Mikrospritzgussanwendungen eigenen Gesetzen folgen. „Alle Einheiten mussten herunter-skaliert werden. Die Stammform mit Nadelverschluss Mini sowie die Stammwerkzeuge und Einsätze wurden völlig neu durchdacht.“ Noch 2018 stellte Rico  Duckbill-Ventile mit einem Teilegewicht von seinerzeit sensationellen 0,038 g her. Die neue Anwendung wiegt bei einem Volumen von 0,008 cm3 gerade einmal 0,009 g.