Volles Programm

Vom Dichtungshersteller zum Systemlieferanten:
ein Beispiel aus der Medizintechnik

Die Komplett-Kolben-Lösung der Pumpe bietet den besonderen Vorteil, dass keine innere, statische Dichtstzelle vorhanden ist; der Kolben ist einteilig. Somit konnte das Hauptaugenmerk auf die dynamische Dichtstelle (Bild rechts) gelegt werden.

IIn der Dialysetechnik gibt es neben der üblichen Hämodialyse die so genannte Peritoneal- oder Bauchfelidialyse, bei der die Dialyseflüssigkeit in den Bauchraum geleitet wird und dort über das Bauchfell das Blut reinigt. Das Bauchfell wirkt sozusagen als Austausch-Membran. Vorteilhaft hierbei ist die mögliche Heimanwendung der Patienten und das einfachere Handling. Allerdings kann diese Dialyseart nur eine begrenzte Zeit durchgeführt werden.
Die Dialyseflüssigkeit wird mittels einer Membran in den Bauchraum gepumpt. Aktiviert wird die Membran durch eine Mittlerflüssigkeit, eine Glycerinart namens "Triacetin". Dieses Triacetin besitzt eine ähnliche Viskosität wie Wasser und wird durch eine Doppel-Kolben-Pumpe auf die Membran geleitet.

Ein Projekt in drei Stufen

Das Endziel des Entwicklungsprojektes, die Komplettmontage dieser DoppelKolben-Pumpe, wurde in drei Baustufen nach zweijähriger Entwicklungszeit erreicht.

Baustufe 1

Am Beginn der Entwicklung stand die Kundenforderung nach einer gegen Triacetin resistenten Kolbendichtung für folgende Betriebsbedingungen:

• Abdichtung eines Glaszylinders gegen das kritische, dünnflüssige Medium Triacetin;
• Betriebstemperatur: Raumtemperatur bis maximal 80°C;
• Gegenlauffläche: Glaszylinder mit 40 mm Durchmesser.

Sonderanforderungen an die Dichtung waren:

• sehr gute Dichtheit;
• reibungsarmes, stick-slip-freies Laufverhalten;
• das Kolbendichtelement sollte möglichst eine Führung beinhalten:
• wirtschaftliche Lösung für eine Serienfertigung;
• chemische Beständigkeit;
• reproduzierbares Qualitätsniveau;
• totraumarmes Dichtelement (Aseptiklösung).

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Nach einigen Dichtungstests verschiedener Ausführungen kristallisierte sich eine Komplett-Kolben-Lösung als zuverlässigste Kolbenabdichtung heraus. Dies bietet den besonderen Vorteil, dass keine innere, statische Dichtstelle vorhanden ist, da der Kolben einteilig ist. Somit konnte das Hauptaugenmerk auf die dynamische Dichtstelle gelegt werden.

Die Doppel-Dichtlippen beruhen auf den besonders hohen Anforderungen an die Dichtheit. Dabei gerät die geringe Leckage der Primärdichtlippe in den Zwischenraum der Dichtlippen und wird beim Kolbenrückhub wieder in den Mcdiumsraum zurückbefördert. Zudem sorgt die sehr gute Oberflächenqualität des Glaszylinders für absolute Dichtheit. Die Dichtwirkung erfolgt über die beiden Memory-Dichtlippen. Der Memory-Effekt der geformten Dichtlippen sorgt für eine kontinuierliche, dauerhafte Radialkraft der Lippen an die Zylinderwand. Der Triacetinfilm wird somit abgestreift. Erzeugt wird der Memory-Effekt durch ein spezielles Fertigungsverfahren, bei dem sich die Dichtlippen immer wieder an ihren Ursprungszustand, also quasi an die Scheibenform, zurückerinnern. Außerdem wurden eine Kolbenführungsschulter und die Befestigung für die Antriebsstange in den Kolben integriert. Ausgangsbasis der ersten Versuchsreihen waren PTFE-Compounds (Polytetrafluorethylen) sowie der spezielle Werkstoff HS 4080 (PE-Basis). Zusätzlich zu der sehr guten Permeationsdichtheit dieses Werkstoffs im Vergleich zu reinem PTFE ergeben sich noch weitere Vorteile für den Einsatz:

• ausgeprägtes Memoryverhalten;
• hohe Verschleißfestigkeit bei Wasser und abrasiven Medien wie Lacken und Farben;
• hohe Druckstabilität für Anwendungen bis 250 bar;
• medizintechnische und lebensmittelrechtliche Zulassung (FDA);
• einsetzbar bis maximal 100 °C.

Aufgrund der kritischen Montage des Kolbens in den Glaszylinder war es sinnvoll, diese dem Dichtungshersteller zu überlassen. Somit bestand die erste Baustufe aus dem vormontierten Kolben aus US 4080 im Glaszylinder.

Baustufe 2

Kundenseitig wurde am Kolben die Antriebs-Zahnstange aus Edelstahl befestigt Da diese Stange ebenfalls gegen Triacetin abgedichtet werden musste und bislang keine ideale Lösung hierfür vorhanden war, konstruierte der Dichtungshersteller einen speziellen Feder unterstützten Nutring als Stangendichtung, ebenfalls aus dem Werkstoff US 4080.
Das Dichtungsdesign beinhaltet eine befederte, dynamische Dichtlippe; die statische Dichtungsseite wurde mit einem elastomeren 0Ring aus Silikon abgedichtet Der Grund hierfür lag zum einen in der schlechteren Oberflächenqualität des Gehäuses bzw. Pumpenchassis, zum anderen konnte somit der Nutring in eine gestochene Nut montiert werden. Der gesamte Dichtring war damit axial fixiert und kann folglich bei der Hubbewegung der Stange nicht aus der Gehäusenut gezogen werden.
Baustufe 2 umfasste folgende Einzelteile und Arbeitsschritte:

• Kolben- und Stangendichtung aus US 4080 als Eigenfertigungsteile des Dichtungsherstellers;
• Zukaufteile wie Glaszylinder und Kolbenstange aus Edelstahl;
• Montage des Kolbens in den Glaszylinder;
• Montage des Feder unterstützten Nutrings auf die Stange;
• Zusammenbau der Stange an den Kolben.

Baustufe 3

In der letzten Baustufe wurde dem Endkunden das Pumpengehäuse aus POM (Polyoxymethylen) als gefrästes Einzelteil offeriert. Durch die Fusion der ElringKlinger Kunstofftechnik in Bietigheim mit dem Heidenheimer Kunststoffverarbeiter Venus war eine wirtschaftliche Fertigungsmöglichkeit auch für dieses Kunststoffgehäuse gegeben. Mit diesem dritten Eigenfertigungsteil und einem weiteren Zukaufteil, dem Pumpendeckel aus Aluminium, stand der Komplettmontage der Baugruppe nichts mehr im Wege. Die gesamte Hydraulik-Doppel-Kolbenpumpe wird nun vom Dichtungshersteller an den Endkunden geliefert Eine weiterer Vorteil dieser Lösung liegt darin, dass die komplette Pumpe zu 100 Prozent auf ihre Funktion, d.h. Dichtheit geprüft wird. Bevor das komplexe Aggregat ausgeliefert wird, erhält es ein Etikett mit Produktionsdatum, Charge und Teilenummer. Eine einwandfreie Rückverfolgbarkeit ist somit gewährleistet.
Fazit: Dieses Einzelbeispiel zeigt deutlich, welche Möglichkeiten spezialisierte Unternehmen wie die ElringKlinger Kunststofftechnik ihren Kunden bieten können. Ausschlaggebend für die Lieferantenauswahl sollte deshalb ein produktübergreifendes Betätigungsfeld des Dichtungsherstellers sein. So kann der Beratungsingenieur nicht nur auf Einzelelemente wie Dichtungen zurückgreifen, sondern aus einer umfassenden Palette von Produkten, Verfahren und Werkstoffmöglichkeiten schöpfen.