Fachartikel

1.08.2017
erschienen in GIESSEREI Heft 8|2017

Wo Präzision über die Gesundheit entscheidet

Bild 1: Kameragehäuse für den Dentalbereich: Weiterentwicklungen von
Zinkdruckgusslegierungen erlauben das Gießen feinster Wanddicken. (Foto: Initiative Zink)

Wenn es um die Gesundheit von Menschen geht, sind keine Kompromisse erlaubt. Viel hängt vom medizinischen Fachpersonal ab, von dessen Ausbildung und Kompetenz. Entscheidend ist aber auch, dass alle technischen Hilfsmittel, die bei der Erhaltung und Wiederherstellung der Gesundheit eingesetzt werden, über einen langen Zeitraum zuverlässig und gleichbleibend präzise funktionieren. Das gilt selbstverständlich immer und überall.

VON SABINA GRUND, DÜSSELDORF

Gerade im wissenschaftlich hochentwickelten Deutschland, das in vielen Bereichen technologischer Wegbereiter ist, wird Spitzentechnologie mit Spitzenwerkstoffen zu Recht erwartet und vorausgesetzt – und das auf einem wirtschaftlich attraktiven Kostenniveau. Zinkdruckguss ist in vielen Fällen der „Hidden Champion“, der im Innern medizinischer Präzisionsinstrumente dafür sorgt, dass der Arzt sich ganz auf seinen Patienten konzentrieren kann.

Was bietet Zinkdruckguss?

Zinkdruckgusslegierungen sind Designwerkstoffe, die sich durch die Kombination einer hohen mechanischen Festigkeit, Zähigkeit, Steifigkeit und damit durch eine hohe Leistungsfähigkeit sowie durch eine lange Haltbarkeit und ein sehr gutes Kosten-Nutzen-Verhältnis auszeichnen. Die mechanischen Eigenschaften und die vielfältigen Möglichkeiten der Oberflächenveredelung machen Zinklegierungen zu einem effektiven Konstruktionswerkstoff – sowohl unter zeitlichen als auch unter Kostengesichtspunkten. Ob Schalter, Griffe, Zierleisten, Blenden oder Elemente mit technischer Funktion: Zinklegierungen können nicht nur endabmessungsnah in nahezu jede gewünschte Form gegossen werden, während des Gießens lassen sich zusätzlich präzise Oberflächenstrukturen und -eigenschaften integrieren, die Optik, Haptik und Funktionalität gezielt und definiert reproduzierbar einstellen. Zinkdruckguss bietet außerdem hervorragende Voraussetzungen für die Verfahren der Oberflächenveredelung, wie etwa für das galvanische Beschichten [1, 2, 4]. Apropos Präzision: Zinklegierungen sind für das Gießen auch komplexer filigraner Bauteile ohne Nachbearbeitung nahezu unschlagbar. Bei kleinen Teilen wird eine reproduzierbare Maßhaltigkeit von weniger als 0,03 mm [3] eingehalten – eine Größenordnung, die mit modernen Maschinen und computergesteuerten Gießsimulationen erreicht wird. Es gibt nur sehr wenige Verfahren, mit denen so zuverlässig und mit dieser Präzision endabmessungsnahe Teile hergestellt werden können und die so in vielen Fällen eine mechanische Nachbearbeitung überflüssig machen. „Net Shape“ oder „Zero Machining“ ist einer der ganz großen Vorteile von Zinkdruckguss.

Anforderungen in der Medizintechnik

Die bereits erwähnte Präzision, mit der medizinische Geräte dauerhaft funktionieren müssen, ist sicherlich eine der herausragenden Eigenschaften, die einen Werkstoff für die Medizintechnik qualifizieren. Darüber hinaus gibt es aber auch weitere Eigenschaften, die diesen speziellen Bereich charakterisieren. Hygienevorschriften bedingen, dass Bauteile, die im Kontakt mit Mensch und Umgebung stehen, die sich also nicht im Inneren einer Maschine befinden, der regelmäßigen Anwendung von Reinigungs- und Desinfektionsmitteln standhalten müssen, ohne dass darunter Funktionalität und Optik leiden. Die große Vielfalt der Oberflächen, die auf Zinkdruckguss zum Einsatz kommen können, bedingt, dass auch für sehr anspruchsvolle Umgebungen die passende Lösung gefunden werden kann. Immer dann, wenn Zinkdruckgussteile in einer aggressiven Umgebung eingesetzt oder höchste Anforderungen an die Optik (Ästhetik) gestellt werden, kann eine große Bandbreite und Qualität an Konversionsschichten, organischen Beschichtungen oder galvanischen Beschichtungen (z. B. Nickel, Satinieren und Glanzverchromen) einfach und zuverlässig in jedem gewünschten Oberflächenbereich des Zinkdruckgussteils zum Einsatz kommen. Ein qualitativ hochwertiges Gussteil ist eine Grundvoraussetzung dafür, exzellente Oberflächen zu erzeugen. Kostengünstige Massenverfahren wie zum Beispiel Trowalisieren können dazu eingesetzt werden, die Oberfläche von Zinkteilen im Gusszustand noch weiter zu gestalten. Außerordentlich glatte Oberflächen können durch Glanzschleifen oder chemisches Polieren vor der Oberflächenveredelung eingestellt werden. Die hohe Fließfähigkeit von Zinklegierungen erlaubt es, bestimmte Bereiche oder komplette Gussteile bereits im Gusszustand mit definierten Oberflächentexturen zu versehen. Außerdem können Beschriftungen oder Logos direkt mit eingegossen werden. Medizinische Geräte können auch solche sein, die vom Arzt in die Hand genommen und manuell bedient werden. Beispiele sind die Dentalkamera (Bild 1), die vom Arzt in der Mundhöhle des Patienten bewegt wird oder aber ein optisches Gerät, das zur Messungen in unmittelbarer Nähe des menschlichen Auges verwendet wird (Bild 2). In solchen Fällen kommt es auch darauf an, dass das Gerät gut ausbalanciert ist und somit gut in der Hand liegt. Es muss sich genau so anfühlen, dass der behandelnde Arzt komfortabel und sicher damit umgehen kann. Hierbei kommt es auf Gewicht, Balance und Haptik an. Durch die hohe Dichte und die Fähigkeit, äußerst dünnwandig gegossen zu werden, bieten Zinkdruckgusslegierungen dem Konstrukteur viele Freiheitsgrade, die es ihm erlauben, die Wahrnehmung des Anwenders im Hinblick auf Gewicht, Balance, Wertigkeit und Massenträgheit gezielt zu beeinflussen. So ist beispielsweise der „Cool Touch“, also die für Metalle typische kalte Haptik ebenso wie andere Sinneseindrücke ein Faktor, der von vielen Anwendern von Zinkdruckguss geschätzt wird. Gleichsam können Zinkdruckgussteile bei Bedarf aber auch mit einer warmen Haptik versehen werden. Dazu sind „Warm Feel“-Beschichtungen oder Plastiküberzüge Optionen, mit denen der Konstrukteur die Haptik gezielt beeinflussen kann. Immer dann, wenn Strahlung entsteht, also zum Beispiel dann, wenn empfindliche elektronische Geräte betrieben werden, ist auch der Schutz vor Strahlung eine wichtige Eigenschaft. Dabei kann es um den Schutz der Menschen vor Strahlung gehen, wie beispielsweise beim Röntgen. Es kommt in vielen Fällen aber auch darauf an, zu verhindern, dass die Funktionalität eines empfindlichen Gerätes nicht durch die elektrische oder elektromagnetische Strahlung anderer Geräte beeinflusst werden kann. Für solch sensible Bereiche ist Zink ein Werkstoff, dessen abschirmende Eigenschaften einen erwünschten zusätzlichen Nutzen darstellt. Auch in der Medizintechnik gibt es technische Produkte, die in hoher Stückzahl hergestellt werden. Beispiele sind Krankenhausbetten und Nachttische (Bild 3). In solchen Fällen ist neben den technischen Eigenschaften des Werkstoffs vor allem die positive Kosten-Nutzen-Bilanz, also die Wirtschaftlichkeit ausschlaggebend.

Wo wird Zinkdruckguss in der Medizintechnik heute schon eingesetzt?

Zinkdruckguss ist in Arztpraxen und Krankenhäusern allgegenwärtig. Da Zinkdruckgussteile entweder in technischer Funktion im Inneren eines Gerätes verbaut sind (Bild 4) oder aber mit einer galvanischen Oberfläche versehen sind, ist Zinkdruckguss als solcher meist nicht zu erkennen. Anwendungsbeispiele sind:

> Defibrilatoren
> Blutdruckmessgeräte
> Stethoskope (Bild 5)
> Nachttische
> Krankenhausbetten
> Tropfhalter
> Infusionspumpen
> Inhalatoren
> Geräte zur künstlichen Beatmung
> Luft-Ionisierungsgeräte
> Luftreiniger
> tragbare Sauerstoffversorgung
> Pumpen für künstliche Ernährung
> Sitzlifte
> Überwachungsgeräte
> Rollstühle
> Krücken und Gehhilfen und
> Höhenverstellbare WC-Sitze

Welche Entwicklungen sind zu erwarten [6, 7]?

Neue Legierungen
Die Produktpalette für Zinkdruckguss wird in den kommenden Jahren weiter wachsen, denn Zinkdruckguss ermöglicht die Umsetzung komplexer Geometrien mit kleinen Wanddicken bei hoher Reproduzierbarkeit in engen Toleranzen und mit hohen Festigkeitswerten. Durch die Anpassungen der Legierungszusammensetzung, unter anderem durch die Verwendung kornfeinender Elemente, wurde das Fließ- und Formfüllvermögen so optimiert, dass insbesondere bei sehr dünnwandi en Bauteilen (serienmäßig bis 0,3 mm Dicke) oder hohen Oberflächenansprüchen höchste Qualitätsanforderungen verwirklicht werden können. Optimierte Legierungen für das Dünnwandgießen und intelligente Konstruktionen erlauben Gewichtseinsparungen von bis zu 30 % [1, 2, 4].

Neue Gießtechniken
Neue Entwicklungen sowohl in der Gießtechnik als auch in der Oberflächenbehandlung zeigen, dass noch längst nicht alle Möglichkeiten des Werkstoffs Zink ausgeschöpft sind:

> Angussfreie und angussarme Gießtechniken erhöhen die Ressourcen- und Energieeffizienz des Verfahrens. Heute werden erste Serienteile in diesen neuen Gießtechniken gegossen [5].

> Beim Gießen von Zinkschaum im Zinkdruckgießverfahren kann eine Material- und damit auch eine Gewichtsersparnis von über 50 % erzielt werden. Während das Gussteilinnere gewollte Poren enthält, weist das Teil außen eine geschlossene, polier- und galvanisierbare Oberfläche auf.

Ausblick für Zinkdruckguss in der Medizintechnik

Der Blick in die Zukunft lässt vermuten, dass der Einsatz von Zinkdruckguss im medizinischen Bereich in den kommenden Jahren steigen wird. Speziell in der westlichen Welt werden die Menschen immer älter. In Deutschland wird der Anteil an Menschen über 65 im Jahr 2030 28 % der Gesamtbevölkerung ausmachen. Das sind 4 Mio. Menschen mehr als heute. Diese Entwicklung bringt ein vermehrtes, mobiles Monitoring des Gesundheitszustands und den Einsatz mobiler individueller Mess- und Behandlungsgeräte mit sich. Blutdruckmessgeräte und Atemhilfen sind bereits heute weit verbreitet. Zukünftig sind viele weitere Geräte denkbar. Immer dann, wenn diese genau funktionieren und lange halten sollen, ist Zinkdruckguss der Werkstoff, der sich anbietet [8, 9, 10].

www.initiative-zink.de

Literatur:
[1] Goodwin, F.; Rollez, D.: Zinc alloys. Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry, seventh edition. Wiley-VCH, 2013.
[2] Grund, S.; Jeschke, H. H.: Zink und seine Legierungen. Handbuch Konstruktionswerkstoffe, 2. Auflage. Hanser Verlag, 2013. S. 505-515.
[3] Verband Deutscher Druckgießereien (VDD) und Bundesverband der Deutschen Gießerei-Industrie (BDG) (Hrsg.): Druckguss aus NE-Metallen. Technische Richtlinie. Überarbeitete Fassung, 2016.
[4] Grund, S.: Normgerechte Legierungen als Basis für qualitativ hochwertigen Zinkdruckguss. Giesserei-Praxis (2014), [Nr. 4].
[5] Giesserei 103 (2016), [Nr. 9], S. 36-38.
[6] Homepage Initiative Zink: www.initiative-zink.de/basiswissen/das-metall-zink/zinkdruckguss/.
[7] Homepage der International Zinc Association: diecasting.zinc.org.
[8] Rollez, D.: Zinc die casting in Europe – new developments. Vortrag, First International Zinc Conference Europe, 8.-10. Mai 2017, Brüssel.
[9] Goodwin, F.: Future uses of zinc. Vortrag, Short Course on Zinc, Tagung PbZn 2015, 15.-17. Juni 2015, Düsseldorf.
[10] Statistisches Bundesamt 2015: service.destatis.de/bevoel­kerungs­pyramide/.