Trilliant-Verarbeitung

Wolfram-Kunststoff spritzgießen

Nicht trivial in der Verarbeitung, aber mit interessanten Eigenschaften versehen, eignet sich ein Wolfram-Kunststoff-Werkstoff als Ersatz von Blei als Strahlenschutz in der Medizintechnik und anderen Anwendungen. Die Verarbeitung erfordert jedoch angepasste Spritzgießprozesse, die in einem Projekt mit Siemens Healthcare erarbeitet wurden.

Da Blei zum einen toxisch wirken und zum anderen nicht oder nur schlecht abgebaut werden kann, erlaubt die RoHS-Richtlinie nur einen Gewichtsanteil von 0,1 Prozent dieses Werkstoffs in neuen Elektro- und Elektronikgeräten. Da möglicherweise auch dieser Restanteil in Kürze verboten wird, das Schwermetall allerdings ein wichtiger Bestandteil des Strahlungsschutzes elektrischer Bauteile ist, sucht die Industrie nach Alternativen. Auch Siemens Healthcare forschte nach einer Lösung im Rahmen der Entwicklung eines neuen Computertomographen. Zusammen mit Polyone entwickelte das Unternehmen Reiter eine alternative Wolfram-Kunststoff-Variante, die Strahlung ebenso gut abschirmen soll wie Blei und darüber hinaus „Hot Spots“, also Strahlungslecks, verhindert. Da das neue Material zu 50 Prozent aus schwer zu verarbeitendem Wolfram besteht, wurde ein spezieller Spritzgießprozess entwickelt. Mit dieser Lösung hat Siemens nach Angaben von Geiger die Kosten der Schutzkomponenten zwischen 30 und 50 Prozent gesenkt.

Aufgrund hoher Strahlung in Geräten wie Computertomographen müssen empfindliche PCB-Einheiten (Printed Circuit Board) und elektronische Komponenten abgeschirmt werden. „Dafür haben wir bisher ausschließlich Schwermetalle verwendet wie Blei, Wolfram, Tantal oder Molybdän“, erklärt Andreas Freund, Entwickler bei Siemens Healthcare. „Diese Materialien sind teuer und nur als Halbzeuge in Form von Platten oder Barren erhältlich. Daraus mit herkömmlichen Fertigungsmethoden die gewünschten Bauteile herzustellen, ist sogar in der Serienproduktion mit zu hohen Kosten verbunden. Außerdem sind die Gestaltungsmöglichkeiten sehr eingeschränkt.“ Um diese Probleme zu umgehen, wurde eine neue Lösung gesucht. Entwickelt wurde ein Hybridbauteil aus Kunststoff und einem neuen Werkstoff: Trilliant Healthcare Radiation Shielding Compound, der aus PH12mit einer 50-prozentigen Wolframfüllung besteht. Diese Verbindung hält nach Unternehmensangaben Röntgenstrahlung bis 140 keV stand und ist damit ebenso wirksam wie Blei – ist jedoch speziell auf die Richtlinien und Bedürfnisse der Medizintechnik ausgelegt. Zudem verhindere die gute Dispersion des metallischen Füllstoffes "Hot Spots", also Schwachpunkte im Material, die Strahlung durchlassen könnten.

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Mechanische Nachbearbeitung nicht erforderlich
Allerdings stellte Reiter bei der Verarbeitung fest, dass die Plastifiziereinheiten der Spritzgießmaschinen und bestimmte Bereiche im Spritzgießwerkzeug schnell verschleißen. Also mussten spezielle Reparaturkits angefertigt und verarbeitungsfreundliche und kunststoffgerechte Geometrien mit wenig Ecken und Kanten für das Bauteil gefunden werden. Zudem boten die unterschiedlichen Fließfähigkeiten der Materialien einige Herausforderungen, da auch dünnwandige Geometrien sicher zu erstellen waren. Die aus diesen Randbedingungen entstandenen Lösungen vereinen sich in einer neuer Produktionstechnologie, die hohe Präzision garantiere. Der neue Arbeitsprozess erlaube die Herstellung von Bauteilen mit komplexen, toleranzarmen Geometrien ohne mechanische Nachbearbeitung.

Neben der Präzision war Siemens Healthcare vor allem auch die Multifunktionalität des Bauteils wichtig. Es sollten beispielsweise Halterungen und Führungselemente integriert werden, so dass neben dem Strahlenschutz auch eine präzise Führung erreicht wird. Und selbstverständlich spielte die Wirtschaftlichkeit der Lösung eine Rolle. Mit der Entwicklung von Trilliant und des darauf zugeschnittenen Produktionsprozesses seien die Kosten für abschirmende Bauteile im Gegensatz zu einer herkömmlichen Fertigung aus traditionell konfektionierten Metall- und Bleiteilen um 30 bis 50 Prozent reduziert worden. Da der Werkstoff Blei vollständig ersetzt wurde, seien auch die negativen Auswirkungen auf Gesundheit und Umwelt gemindert.

Darüber biete die neue Kunststoff-Wolfram-Verbindung zusammen mit dem speziell entwickelten Produktionsprozess hohe Gestaltungsfreiheit, so dass Bauteile in Formen produziert werden können, die bestimmte elektronische Komponenten effektiver abschirmen als spanend erstellte Elemente. So sollen die Neuerungen rund um den speziell entwickelten Produktionsprozess in Zukunft auch in andere Projekte einfließen. Aktuell werden nach Verarbeiter-Angaben bereits acht weitere Artikel aus Wolfram produziert.

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