REGLOPLAS TEMPERIERUNG MIT WASSER BIS ZU 230°C

Dank der wesentlich besseren physikalischen Temperiereigenschaften von Wasser, war es die Firma Scholz, die ihre Temperierprozesse vom Wärmeträgermedium Öl auf Wasser umstellen wollte. Das von der REGLOPLAS entwickelte Druckwassertemperiergerät P230S bietet ideale Voraussetzungen, im Temperaturbereich bis 230 °C, die Temperierung mit Öl abzulösen und demgemäß das Risiko von Verunreinigungen in der Herstellung von Medizinprodukten zu minimieren. Teilkristalline Hochleistungskunststoffe, wie PEEK und PPS, welche zu den hochtemperaturbeständigen thermoplastischen Kunststoffen gehören, finden heute Einsatz bei hochpräzisen Anwendungen in den Bereichen Industriebauteile, Automobilindustrie, Medizintechnik und Diagnostik. Dank der hohen Festigkeit und Langlebigkeit des Kunststoffes werden diese Kunststoffe zunehmend als Metallersatz bei der Herstellung von medizinischen Implantaten eingesetzt.

Abb. 1: REGLOPLAS Temperiergerät P230S mit waterCare im Betrieb [2]

Der Temperierprozess für Kunststoffe mit Schmelzpunkten über 300 °C und Formtemperaturen grösser als 200 °C, wurde bis anhin durch Temperiergeräte mit dem Wärmeträgermedium Öl bestimmt. Mit der Entwicklung des regelgenauen REGLOPLAS Druckwassertemperiergeräts P230S, mit patentiertem, integriertem Druckhalter ist es heute möglich die Temperierung von Spritzgussmaschinen, auf welchen hochwertige Kunststoffe gespritzt werden, mit dem Wärmeträgermedium Wasser auszuführen. Wasser besitzt gegenüber Öl eine doppelt so grosse spezifische Wärmekapazität (Wasser 4.18 kJ/(kg·K), Öl 1.9 kJ/(kg·K) [1]), als auch einen mindestens doppelt so großen Wärmeübergangskoeffizienten (Wasser 2300-3500 W/(m2·K), Öl 1100-1700 W/(m2·K) [1]. Ebenfalls von Vorteil ist die geringe Viskosität über den gesamten Einsatzbereich im Vergleich zu Öl. Bei einem Systemdruck von ca. 30 bar hat Wasser die Eigenschaft dünnflüssiger zu werden. Wasser als Wärmeträgermedium bietet auch in der Anwendung vielfache Vorteile: Neben einem mindestens doppelt so grossem Wärmeübergangskoeffizient, auch eine Reduktion der ölbedingten Verschmutzungen. Es gibt kein Ausdampfen von Öl und damit verbunden eine höhere Reinheit an der Maschine sowie eine wesentlich minimierte Verletzungsgefahr für das Maschinenpersonal bei austretendem Wärmeträgermedium. Die Formgrössen in der Produktion bei Scholz bewegen sich in einem Bereich von 50-250 kg. Hierbei muss bei einer Formtemperatur von 220 °C mit einem Öltemperiergerät eine Öltemperatur von 236 °C am Temperiergerät eingestellt werden und mit dem Wärmeträger Wasser wird eine Vorlauftemperatur am Gerät von nur 224 °C benötigt. Der Temperierprozess wird dadurch verkürzt, was sich vor allem auch bei der Aufheizzeit zeigt, die sich fast halbiert. Hochleistungskunststoffe wie PEEK sind attraktive Alternativen zu Metall. Die Firma Scholz verwendet den Werkstoff für verschiedenste Anwendungen. Im Bereich Medizintechnik produziert Scholz Rotoren aus PEEK Material für den Einsatz in einer Herzpumpe. Aus Gründen der Reinheit im Produktionsprozess vertraut man hier dem Temperiergerät der REGLOPLAS und dem Temperiermedium Wasser anstelle von Öl. Zum Einsatz kommt das REGLOPLAS Temperiergerät P230S, welches optimal die Bedürfnisse zur Reinheit in der Produktion abdeckt.

Rotor für Herzunterstützungssystem [5]:

Hohe Miniaturisierung und Bauteile, welche direkt im Blutkreislauf Anwendung finden, gehören zur höchsten Risikoklasse. Mit einer Wandstärke des Schaufelprofils von 200 μm und im Einsatz Rotationen von 30000-50000 U/min sind extrem hohe Anforderungen an die Beständigkeit des Rotors (Abbildung 2) gefordert. PEEK hat in diesem Fall diverse Vorteile, wie das sehr geringe Gewicht, hohe Chemikalienbeständigkeit, einfache Sterilisierbarkeit, Biokompatibilität und hohe spezifische Festigkeit.

Abb. 2: Rotor für Herzunterstützungssystem [3]

Dank der Einführung des Druckwassertemperiergeräts P230S kann nun der Werkstoff PEEK in Werkzeugen gespritzt werden, welche mit dem Wärmemedium Wasser temperiert werden. Die Einhaltung der notwendigen Reinheit im Verarbeitungsprozess kann damit wesentlich erleichtert werden. Die Temperierung mit Öl kann immer wieder zu Ablagerungen von Öl im gesamten Maschinenbereich führen und zusätzliche Reinigungsschritte erforderlich machen. Auch reduzieren sich die Wartungszyklen aufgrund von Verschmutzungen an der Maschine.

Wasser als Temperiermedium bietet einen weiteren grossen Vorteil, dank des mehr als doppelt so grossen Wärmeübergangs als bei Öltemperierung, ergibt sich eine äusserst präzise Temperaturregelung, welche zu einem stabilen Produktionsprozess beiträgt. Der Rotor aus PEEK wird in eine Herzpumpe der Firma Abiomed eingesetzt mit einem Aussendurchmesser von nur 4 mm gehört dieser zu einem der kleinsten Unterstützungssysteme der Welt.

Abb. 3: Herzpumpe von Abiomed [4]

Ebenfalls Anwendung in der Medizintechnik findet das folgende Bauteil.

Lagerkäfig:
Ein weiteres Beispiel für die Verwendung des Druckwassertemperiergeräts P230S ist dieser Kugellagerkäfig (Abbildung 4), der ebenfalls aus dem Werkstoff PEEK mit 7 radial aufeinander abgestimmten Schiebern in einer Einfachform gespritzt wird. Der Aussendurchmesser misst 2.3 mm und mit einem Gewicht von 0.0008 g ist es das leichteste Spritzgussteil, welches die Firma Scholz zurzeit fertigt. Zum Einsatz kommt der Kugellagerkäfig auch in der Herzpumpe von Abiomed. Ein kleines Bauteil in einer Hochleistungsanwendung.

Abb. 4: Kugellagerkäfig [6]

Im Druckwassertemperiergerät herrschen während des Betriebs Extrembedingungen von über 200 °C und mehr als 30 bar Systemdruck. Unter diesen Voraussetzungen verursacht salzhaltiges Wasser forciert Korrosion. Durch die hohe Temperatur werden Reaktionen im Wasser beschleunigt. Chloride im Temperiermedium greifen die Passivschicht der Metalloberfläche an, was wiederum zu einer erhöhten Korrosionsbildung führt.

REGLOPLAS waterCare:

Für Anwendungen bei höheren Wassertemperaturen ist eine Wasseraufbereitung unumgänglich. Prinzipiell ist das bei Wassertemperaturen von über 180 °C der Fall. Bei Temperaturen über 200°C ist die Verwendung von konditioniertem Wasser zwingend notwendig. Verschmutzung und Verkalkung von Form und Gerät führen zu schlechterer Leistung durch die Reduktion des Wärmeübergangs zwischen Form / Heizung und dem Temperiermedium. Das REGLOPLAS waterCare ist eine mobile Wasseraufbereitungsanlage, die geeignetes Systemwasser zur Verfügung stellt. Das Wasser wird automatisch voll entsalzt und anschliessend manuell mit einem entsprechenden Korrosionsschutzmittel konditioniert. Durch zusätzliche Filter werden auch Schmutzpartikel, beispielsweise aus der Form, wirksam aus dem Systemkreislauf gefiltert. Insgesamt reduziert sich der Aufwand für eine Wartung und Reinigung der Temperiergeräte um ein Vielfaches, dank REGLOPLAS waterCare.

Zusammenfassung:

REGLOPLAS bietet mit seiner neuesten Entwicklung bei Druckwassertemperiergeräten Standardprodukte für spezielle Kundenbedürfnisse an.
Die Vorteile des Druckwassertemperiergeräts P230S mit Wasser als Wärmeträgermedium sind [1]:

 Höhere Sauberkeit in der Produktion, z.B. im Reinraum oder für Spritzgussteile für die Medizintechnik, wie auch weniger Verunreinigungen und damit verbunden geringerer Reinigungs- und Wartungsaufwand, sowie eine bessere Auslastbarkeit der Maschinen
 Kein austretendes Öl oder Öldämpfe im Produktionsprozess
 Die spezifische Wärmekapazität (bezeichnet die Eigenschaft, wie viel Wärmeenergie ein Wärmeträger transportieren kann) von Wasser ist um Faktor 2 grösser, als bei Wärmeträgerölen
 Nahezu halbierte Aufheizzeit bei Wasser gegenüber mit Öl Temperierung
 Der Wärmeübergangskoeffizient (Mass für den Übergang der Wärmeenergie von der Wandung zum Wärmeträger) bei Öl erreicht nur knapp die Hälfte des Werts von Wasser
 Wasser besitzt eine geringere Viskosität, somit eine gute Pumpfähigkeit
 Wasser kann nicht verkoken, dies ermöglicht den Bau von Temperiergeräten mit relativ hohen spezifischen Heizleistungen
 Wasser ist nicht brennbar, dadurch eine erhöhte Sicherheit gegenüber von Öl, da die Möglichkeit des Entflammens nicht besteht
 Kostenvorteil bei Wasser gegenüber Öl, sowie unproblematische Entsorgung, sowie Reinigung der Maschinen
 Geringere Verletzungsgefahr als bei Öl, beim Austritt von 200 °C heissem Öl kann es zu starken Verbrennungen kommen, Wasser hingegen entspannt sich schlagartig und kühlt dadurch stark ab
 Die Standzeit des Temperiermediums Öl ist wesentlich geringer als Wasser
 Das Wechseln der Spritzgussformen ist einfacher beim Wärmeträger Wasser

Quellenverzeichnis:
[1] REGLOPLAS AG „Handbuch der Temperierung mittels flüssiger Medien“
[2] REGLOPLAS AG „REGLOPLAS Temperiergerät P230S“
[3] Foto Horst Scholz GmbH & Co. KG „Rotor für Herzunterstützungssystem“
[4] Foto Horst Scholz GmbH & Co. KG „Herzpumpe von Abiomed“
[5] Horst Scholz GmbH & Co. KG „Broschüre Medizintechnik“
[6] Foto Horst Scholz GmbH & Co. KG „Kugellagerkäfig“