Kunststoffe in der Medizintechnik

Spritzgießen mit dem richtigen Maß

Dass in der Medizin die richtige Dosis den Unterschied zwischen Arzneimittel und Gift ausmacht, ist seit Paracelsus Allgemeingut. Präzise Dosierhilfen produziert ein österreichisches Unternehmen in einer hochautomatisierten Spritzgieß-Fertigungszelle vom Granulat zum fertig verpackten Produkt.

Rund 80 Prozent der Spritzgießprodukte des oberösterreichischen Familien-Unternehmens Kunststoffwerk Kremsmünster (KWK) sind Primär-Verpackungskomponenten für die pharmazeutische Industrie. Das Spektrum reicht von Verschlüssen für Glas- und Kunststoff-Flaschen, mit und ohne Originalitätsschutz oder integrierte Trockenmittelkammern über Tropfendosierer, Dichtscheiben, Ausgießern und Adaptern zum Anschluss von Dosierspritzen bis zu Messlöffeln, Messbechern und Salbentiegeln.

Präzisionsprodukt Messlöffel

Messlöffel dienen zur Dosierung flüssiger Substanzen, wie Antibiotika oder Hustensaft und werden den jeweiligen Verpackungsbehältern beigegeben. Sie sind auf die spezifische Anwendung abgestimmte Einweg-Produkte, die in großen Stückzahlen produziert werden. Daraus leiten sich die Hauptanforderungen an das Produkt ab: Das technisch machbare Minimum beim Materialeinsatz, maximale Produktionseffizienz und nicht zuletzt Präzision bei der Volumenangabe und der Gestalttreue. Dazu der technische Leiter Georg Weiermair: "Als bei uns die Investitionsentscheidung zur Kapazitätserweiterung beim 5 Milliliter-Löffel, unserer wichtigsten Größe, anstand, haben wir das als Ansatzpunkt für ein umfassendes Re-Engineering-Projekt gesehen. Unser Ziel war nicht nur eine zusätzliche Spritzgießanlage anzuschaffen und den vorhandenen technischen Status bei Produktdesign und Teilelogistik beizubehalten. Unsere Absicht war, durch konsequente Nutzung der Effizienzpotenziale die Produktionsaufstockung mit einer Anlage zu schaffen".

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Die Erschließung der Effizienzreserven begann beim Produktdesign: Kriterium Eins: Es musste "schneller" werden, also waren Wanddicken, Fließwege und die Materialwahl zu hinterfragen. Zusätzlich sollte das Prozessfenster des Spritzgießens größer und stabiler werden und die Produktqualität steigen. Diese Agenda bildete den Ausgangspunkt für eine umfangreiche Design-Optimierung, Füll- und Kühl-Simulationen und nicht zuletzt, praktische Versuche. Das Ergebnis ist ein 90 Millimeter langer 5 ml-Messlöffel aus Polypropylen (PP) mit 1,8 Gramm Stückgewicht. Als indirektes Kriterium guter Artikelqualität wurde die Vollständigkeit am Endpunkt des Materialflusses an der Löffelspitze definiert. Sie sollte einerseits durch Präzision der Spritzgießmaschine gewährleistet werden, zusätzlich von optischen Sensoren im Übernahmekopf des Entnahmeroboters zu 100 Prozent überwacht werden. Ein weiteres Qualitätskriterium, das allerdings nicht so einfach online zu überwachen, aber bei optimal ausgelegter Teilegeometrie mit einem leistungsfähigen Temperiersystem effizient steuerbar ist, ist die gerade, verzugsfreie Löffelgestalt. Sie ist die Voraussetzung für einen stabilen Teilestapel in der Nachbearbeitungsperipherie.

Dünnwand-Hochleistungs-Spritzguss

Nachdem die Hausaufgaben beim Produktdesign gemacht und der hauseigene Formenbau mit dem Bau eines 12-fach-Werkzeugs beauftragt war, ging es um die Lieferantenwahl für Spritzgießtechnik und Automatisierungsanlage für das Teilehandling bis zur Transportverpackung. Georg Weiermair: "Konkret wussten wir aus der Prozesssimulation, dass eine Zykluszeit von rund sechs Sekunden möglich sein würde. Konsequenterweise sollten auch die Maschinentechnik und vor allem die Automatisierungsanlage die 600 Produktionszyklen pro Stunde mit je 12 Teilen verarbeiten können, und das im Dauerbetrieb. Und sie sollte diese Leistung präziser erbringen als unsere bisher eingesetzte Maschine. Bei der Maschinentechnik war die Entscheidung leicht zu treffen. Es musste eine Maschine mit voll- oder teilelektrischem Antriebssystem sein."

Drei Maschinen-Fabrikate seien in der engeren Auswahl gewesen, von denen jede die geforderte Leistung erbracht hätte. Demnach hätte die konkrete Lieferantenwahl der Einkaufsabteilung überlassen werden können. Nicht so leicht erwies sich die Auswahl der richtigen Automatisierungsanlage. Die konkrete Automatisierungsaufgabe liest sich angesichts des "einfachen" Löffels erstaunlich komplex. Denn die Spezifikation beginnt mit der kavitätenreinen Ablage der 12 Formteile in Einzelmagazine, und zwar in frei wählbarer Stapelhöhe für 100 bis 160 Stück. Deshalb die oben erwähnte Forderung nach einer verzugsfreien Löffelform. Nach Erreichen der vorgegebenen Stapelhöhe sollte das volle Magazin automatisch gegen ein leeres getauscht werden. In einer separaten Entnahmeposition sollte ein zusätzliches Handlinggerät jeden der zwölf Messlöffel-Stapel einzeln entnehmen und an eine Schlauchbeutel-Verpackungsanlage weitergeben. Unmittelbar anschließend waren die verpackten Messlöffel ebenfalls automatisiert in die Versand- bzw. Lagerbox einzulegen, und zwar raumoptimiert in einer gegengleichen Positionierung jeder Lage.

Die Aufgabe war kein Routinefall. Vor allem die Leistungsabstimmung zwischen Maschine und Peripherie und die daraus abgeleitete Ablauf- und Kapazitätsplanung bedurfte der engen Zusammenarbeit zwischen KWK und den Automatisierungstechnikern des Maschinenlieferanten. Georg Weiermair: "Als die entscheidungsreifen Konzepte und Angebote vorlagen, überzeugten uns das sehr kompakte Anlagenlayout und die Detaillösungen der Wittmann-Techniker."

Spritzgießmaschine und Automatisierung Hand in Hand

Die schließlich realisierte Produktionszelle besteht aus der Spritzgießmaschine Ecopower 110/750 (1100 Kilonewton Schließkraft, Spritzaggregat 750 mit 40 Millimeter L/D 22-Schnecke) in Kombination mit einem Wittmann W832 UHS (Ultra-High-Speed)-Linearroboter zur schnellen Formteilentnahme sowie einem weiteren W832 in Stand-alone-Ausführung zur Fertigteilmanipulation und der parallel zur Maschinen-Rückseite angeordneten Verpackungsanlage. Nach Unternehmensangaben hat die Anlage seit Januar 2013 mehr als 30 Millionen 5 Milliliter-Messlöffel produziert. Sie habe damit die in sie gesetzten Erwartungen voll erfüllt.

Auf den ersten Blick wenig spektakulär aber mit außergewöhnlichen Ansprüchen an die Produktionsautomatisierung: Messlöffel zur Dosierung von Medikamenten.

Der Anwender

Das 1950 gegründete und seit 1978 von der Familie Habermann geführte Spritzgießunternehmen hat sich von Beginn an auf die Herstellung von Verschlüssen konzentriert. Waren es in den frühen Jahren vor allem Verschlüsse für Lebensmittel- und Getränkeflaschen und Körperpflegeprodukte oder Motorölbehälter, werden heute auf 35 Spritzgießmaschinen zu 80 Prozent Pharmazeutika-Verpackungen produziert. Besonderer Know-how-Schwerpunkt ist die Entwicklung funktioneller Flascheneinsätze zur präzisen Dosierung der Arzneimittel, wie Tropfer oder Ausgießer.

Das Standardprogramm wird ergänzt durch produktspezifisch entwickelte Verschlusssysteme, beispielsweise mit integrierten Silicagel-Kapseln zur Trockenhaltung hygroskopischer Arzneipulver oder Adapter für Dosierspritzen. Zur Konfektion stehen 18 Montageanlagen zur Verfügung. Den hohen Anforderungen trägt unter anderem eine Reinraumproduktion und der Zertifizierung nach ISO 15378 (Hersteller von Primärpackmitteln für Arzneimittel) Rechnung.


 

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