Zusammenfassung:
Hydraulikpressen für die Elastomerverarbeitung in Reinräumen werden insbesondere zur Fertigung von Verschlusssystemen für pharmazeutische Verpackungen, in der Herstellung von Bipolarplatten und in der Halbleiterindustrie eingesetzt.
An ihre Präzision, die Homogenität der Verarbeitungstemperaturen sowie die Dokumentation der Prozessdaten werden sehr hohe Ansprüche gestellt. Die Anlagen sind in der Regel flächenoptimiert, in die Reinräume integriert und werden je nach Anforderungsprofil teil- oder vollautomatisiert betrieben.
Charakteristisch ist die durchgängige Integration der Maschinenverkleidung in das Reinraumkonzept, mit der eine Kontamination aus dem Wartungsraum, der sogenannte Grauraum, verhindert wird. Wichtig ist, dass unabhängig vom Betriebsmodus und Automationsgrad alle Anlagenkomponenten immer auch für den Menschen zugänglich sind – nicht zuletzt für Wartung und Service.
Ihr Ansprechpartner:
Marc Jordan, Vertrieb Wickert Maschinenbau GmbH, Landau/Pfalz, E-Mail: m.jordan@wickert-presstech.de, Telefon: +49 6341-9343-60
Vita:
Marc Jordan ist bei der Wickert Maschinenbau GmbH Ansprechpartner für Pharmapressen zur Herstellung von Verpackungskomponenten aus Elastomeren. Seine Laufbahn bei dem pfälzischen Maschinenbauer hat er 2008 als stellvertretender Einkaufsleiter begonnen, später übernahm er den Vertrieb von Hydraulikpressen zum Fixtur- und Presshärten. Seit 2021 bildet die Elastomerverarbeitung – unter anderem in Reinräumen – seinen Arbeitsschwerpunkt.
Hydraulikpressen: Innovative Prozess- und Anlagentechnik für Reinraumanwendungen
Bei der Fertigung von Elastomerprodukten im Reinraum werden an Hydraulikpressen eine Reihe von Anforderungen hinsichtlich Präzision, Temperaturhomogenität, Normenkonformität und Prozessüberwachung gestellt. Eine geringe Partikellast entsprechend der ISO 14644-1-Klassifikationen wird vor allem durch eine umfassende Automation der Fertigung, leicht zu reinigende Maschinenräume, den weitestgehenden Verzicht auf Schmierstoffe und gekapselte Maschinenkomponenten erreicht.
Daneben ist es notwendig, Prozessdaten zu überwachen und zu dokumentieren, um eine gleichbleibend hohe Prozess- und Produktqualität zu sichern und regulatorische Vorgaben zu erfüllen.
Pressen werden maßgeschneidert
In der Regel werden Hydraulikpressen als Sondermaschinen oder in sehr kleinen Stückzahlen nach kundenspezifischen Anforderungen konzipiert und gefertigt. Aufgrund ihrer modularen Bauweise lassen sie sich in zahlreichen Varianten konfigurieren. Verarbeitungstemperaturen bis 500 °C und Presskräfte zwischen 20 und 100.000 kN sind ebenso möglich wie Planparallelitäten bis 0,025 mm/m.
Die für den Druckaufbau verantwortlichen Hydrauliksysteme sind hochgenau, reaktionsschnell und energieeffizient. Sie lassen sich vielfältig parametrisieren und garantieren einen konstanten und reproduzierbaren Prozess.
Zu den innovativen Technologien gehören Magnetspannsysteme und die Vakuumtechnik, die eine gleichmäßige Temperaturverteilung und einen präzisen Lüftungsprozess gewährleisten. Sie ermöglichen homogene Formteile und eine konsistente Prozessqualität.
Die Abmessungen der Pressen und ihrer Präzisionsheizplatten mit einer äußerst homogenen Temperaturverteilung können frei gewählt werden. Vielfältige Möglichkeiten zur Automatisierung und Vernetzung sowie die Integration weiterer Fertigungsprozesse sorgen für eine große Produktivität und Einsatzvielfalt.
Typische Produkte
Produzenten aus der Pharmabranche und der Medizintechnik zählen zu den Hauptabnehmern von Hydraulikpressen zur Produktion in Rein- und Reinsträumen bis hin zur Klasse 6 entsprechend ISO 14644 (Foto 1).
Eingesetzt werden Reinraum-Hydraulikpressen beispielsweise in der Produktion von pharmazeutischen Verschlusssystemen aus Butylkautschuk (IIR) und Brombutylkautschuk (BIIR). Dichtungsfolien für Bipolarplatten aus Elastomeren und Ventilmembrane für die chemische und medizinische Industrie aus chemikalienbeständigem Polytetrafluorethylen (PTFE) werden ebenfalls auf ihnen gefertigt. Und auch Gummi-Metall-Verbindungen für die Halbleiterfertigung werden auf Hydraulikpressen im Reinraum hergestellt.
Fertigung im Vakuum
Da vor allem Kautschukmischungen, die im Pharmabereich eingesetzt werden, sehr stark zur Bildung von Lufteinschlüssen neigen, findet der Vulkanisationsprozess auf Reinraum-Pressen im luftleeren Raum, in Vakuumkammern, statt. Denn bei dem dort herrschenden Unterdruck von bis zu -990 mbar wird ein sehr sicherer und kontrollierter Vulkanisationsprozess in Gang gesetzt. Da auf diese Weise Lufteinschlüsse vermieden werden, wird das Rohgummi materialoptimiert konfektioniert – was insbesondere bei teuren Compounds Ausschuss und Kosten senkt.
Anforderungen an Hydraulikpressen in Reinräumen
Ein zentrales Qualitätskriterium für die Verarbeitung von Elastomeren in Reinräumen ist die gleichmäßige Temperaturverteilung innerhalb des Presswerkzeugs. Die Toleranzen sollten beispielsweise bei typischen Verarbeitungstemperaturen von bis zu 230°C kleiner als ± 1 °C sein. Bereits minimale Abweichungen können die Vulkanisation beeinflussen und zu unterschiedlichen Produktqualitäten führen. Die sehr präzise Temperaturführung bewirkt, dass die gefertigten Artikel sehr maßhaltig sind – auch beim Einsatz großer Werkzeuge.
Moderne Hydraulikpressen lösen diese Herausforderung durch innovative Mehrzonenregelungen und Closed-Loop-Steuerungen, die die Temperatur kontinuierlich überwachen und ausgleichen. Durch diese Technologien wird sichergestellt, dass jedes Bauteil, unabhängig von der Kavität, unter denselben Bedingungen gefertigt wird.
Die Planparallelität ist wichtig
Neben der Temperatur spielt die Parallelität der Pressplatten eine wesentliche Rolle. Nur bei einer exakten Ausrichtung der Platten kann der notwendige spezifische Pressdruck gleichmäßig auf alle Formteile übertragen werden. Dies verhindert Maßabweichungen und ungleichmäßige Vulkanisationsgrade.
Um höchste Planparallelitäten mit Genauigkeiten von bis zu einem Fünfundzwanzigstel Millimeter je Meter zu gewährleisten, wird nicht nur der Solidität der stützenden Konstruktion einer Presse höchste Beachtung geschenkt. Schon bei der Bearbeitung der eingesetzten Maschinenkomponenten werden ausschließlich präzise Werkzeugmaschinen eingesetzt.
Für die tragenden Säulen, die thermisch vorgespannt werden, kommt ausschließlich vergütetes Stabmaterial aus derselben Charge zum Einsatz. Zu den Druckplatten hin bieten sie vergrößerte Kontaktflächen und Schulterauflagen, damit eine sichere Verbindung gewährleistet ist.
Aufbau und Integration von Hydraulikpressen
In Reinraumumgebungen ist Platz ein knappes und teures Gut. Flächenoptimierte Anlagen wie Doppelstockpressen, bei denen zwei Pressetagen übereinander angeordnet sind, nutzen das begrenzte Raumangebot effizient. Eine solche Bauweise erhöht die Produktionskapazität, ohne dass mehr Grundfläche benötigt wird. Auch die Entkoppelung der Hydraulikeinheit vom Pressengestell trägt zu einer optimalen Raumausnutzung bei; darüber hinaus minimiert sie Schallemissionen und Vibrationen im Betrieb.
Pressen im Reinraum können vollständig gekapselt werden, das Gehäuse ist aus rostfreiem Stahlblech und alle Oberflächen im Innenraum sind so gestaltet, dass sie leicht zu reinigen sind (Foto 2 und 3). Um die Kontamination zu minimieren und zu verhindern, dass Schmutzpartikel in den Formbereich der Presse gelangen, ist die Umhausung außerdem bis zur oberen Druckplatte mit der Presse verbunden. Alle Kabel und Medienzuführungen liegen außerhalb des Gehäuses, sie werden über Schottanschlüsse in die Maschine geführt. Auf diese Weise erreicht man unter Reinraumbedingungen eine wirkungsvolle Trennung der Bereiche für Wartung und Produktion.
Wichtig ist, dass Maschinen für automatisierte Prozesse ebenso zugänglich bleiben wie für eine manuelle Bedienung. Während technische Aggregate wie Hydraulikpumpen, Schaltschränke und Steuerungssysteme im Grauraum auf der Pressenrückseite untergebracht sind, bleibt der Reinraum selbst der produktrelevanten Fertigung vorbehalten. Durch diese Maßnahmen wird der Kontakt zwischen Bedienpersonal und Produkt minimiert, was die Gefahr von Partikelkontamination erheblich reduziert.
Die strikte räumliche Trennung ermöglicht eine effektive Kontrolle der Partikellast. Zudem trägt sie dazu bei, den Platzbedarf im Reinraum zu minimieren. Gleichzeitig erleichtert sie Service und Wartung der Maschinen, ohne dass die damit verbundenen Eingriffe die Produktion beeinträchtigen.
Feste und sichere Verbindungen
Feste Verrohrungen bieten gegenüber herkömmlichen Schlauchverbindungen deutliche Vorteile. Sie reduzieren Vibrationen und sind dauerhaft dicht, was die Sauberkeit verbessert und das Risiko von Leckagen minimiert.
Außerdem müssen sie nicht regelmäßig erneuert werden. Denn der bei Schläuchen alle sechs Jahre erforderliche Austausch entfällt, was die Betriebskosten senkt und die Maschinenverfügbarkeit erhöht.
Die verlängerte Lebensdauer der Komponenten trägt zudem zur Nachhaltigkeit bei, da der Austauschbedarf erheblich reduziert wird.
Luftströme lenken Partikel
Für die nahtlose Integration von Hydraulikpressen in saubere Umgebungen spielt die Steuerung der Luftströme eine entscheidende Rolle. Sie sorgen dafür, dass die Partikellast im Reinraum unterhalb der gewünschten Grenzwerte bleibt. Hierzu werden Technologien wie Clean Air Modules (CAM) oder Filter Fan Units (FFU) genutzt, die partikelfreie Luft in den Arbeitsbereich leiten. Automatische Sicherheitstüren ermöglichen einen Trennmittelauftrag im Pressenraum und verhindern damit eine Vermischung und Verwirbelung des Aerosols mit der Atmosphäre im Reinraum. Eine integrierte Absaugung entfernt die in der Luft verbliebenen Partikel.
Dennoch sind die Maschinenverkleidungen so konzipiert, dass sie trotz Kapselung eine hohe Zugänglichkeit bieten. Dies ist für den Formenwechsel, der in der Regel vom Grauraum aus stattfindet, ebenso wichtig wie für Predictive Maintenance-Aktivitäten.
Gespiegelte HMIs
Ein flexibles Bedienkonzept mit gespiegelten Human-Maschine-Interfaces (HMI) sowohl auf der Grauraum- wie auch auf der Reinraumseite verringert ebenfalls den Partikeleintrag. Das zusätzliche Bedienpult im Grauraum auf der Rückseite der Presse ermöglicht es dem Rüstpersonal, die Presse nach einem Formenwechsel vorzubereiten – ohne den Reinraum betreten zu müssen. So kann es Werkzeuge einfach an die Rückseite der Maschine bringen, auf dem Pressentisch positionieren und spannen. Zusätzliche Mitarbeiter, welche die Maschine von der Reinraumseite aus bedienen, werden also nicht benötigt.
Handhabungsfehler werden dadurch unterbunden, dass beide HMIs gegeneinander verriegelt und ausschließlich von einer Seite aus bedienbar sind.
Gekapselte Anlagen
Die Maschinenverkleidungen in Reinraumanlagen spielen eine zentrale Rolle bei der Minimierung der Partikellast. Eine mögliche Quelle für Verschmutzungen sind lackierte Oberflächen, die unter Hitzeeinwirkung und in Reaktion mit Trennmitteln dazu neigen, Partikel zu emittieren. Um das zu verhindern, ist der Innenraum bei Pharmapressen komplett aus wärmebehandelten Oberflächen, insbesondere aus Edelstahl oder aluminiumlegierten Werkstoffen, ausgeführt. Sie korrodieren nicht, emittieren keine Partikel und sind widerstehen aggressiven Trennmitteln.
Glatte und abgerundete Innenseiten von Pressen verhindern, dass sich Partikel ansammeln können. Außerdem können die Flächen so einfach gereinigt werden. Eine selbsttragende Verkleidung, die ebenfalls aus Edelstahl besteht, umschließt den Arbeitsraum der Presse.
Auf Hilfs- und Schmierstoffe wird möglichst verzichtet
Eine weitere potenzielle Ursache für Verunreinigungen bilden die in Pressen verwendeten Hilfs- und Schmierstoffe. Bevorzugt werden Werkstoffpaarungen eingesetzt, die keiner Schmierung durch Hilfsstoffe bedürfen. Sind Hilfs- und Schmierstoffe notwendig, werden nur nicht-toxische und physiologisch unbedenkliche Materialien verwendet.
Bewegliche Teile der Maschinen sind sorgfältig gekapselt, um den Austritt von Schmierstoffen oder Hilfsstoffen zu verhindern.
Auch beim Spannen der Werkzeuge werden Systeme eingesetzt, die ohne Schmierstoffe arbeiten.
Automatisierung und Flexibilität der Anlagen
Da der Mensch zu den wichtigsten Verursachern von Verschmutzungen gehört, wird über die Automatisierung von manuellen Arbeiten versucht, diese Einflussgröße zu verringern. Schätzungen zufolge ist mittlerweile rund die Hälfte aller neuen Anlagen mindestens teilweise automatisiert.
Neben dem Ersatz von Bedienpersonal sind vor allem fünf Faktoren maßgeblich für eine Automatisierung:
- steigende Lohnkosten
- Fachkräftemangel
- eine verbesserte Ergonomie für die verbleibenden manuellen Arbeiten
- eine größere Prozesssicherheit – unter anderem durch die verringerte Möglichkeit von Bedienfehlern
- die Möglichkeit zur lückenlosen Dokumentation von Prozessparametern
Die Automatisierung von Hydraulikpressen im Reinraum bringt erhebliche Vorteile mit sich. In erster Linie steigert sie den Nutzungsgrad, reduziert Zykluszeiten und ermöglicht jederzeit reproduzierbare Prozesse, denn der Einfluss der menschlichen Bedienung sinkt weitestgehend.
Ein weiterer Vorteil ist die reduzierte Partikellast, da der menschliche Kontakt mit den Produkten minimiert wird, was das Risiko von Kontaminationen verringert.
Wichtig ist die Prozessüberwachung
Der Vorteil der Automatisierung liegt in einer präzisen und durchgehenden Prozessüberwachung. Moderne Anlagen nutzen Qualitätskontrollen auf Basis von Key Performance Indicators (KPIs) sowie Qualitätsweichen, um sicherzustellen, dass fehlerhafte Prozessparameter frühzeitig erkannt werden – bevor die Anlage diese umsetzt.
Das bedeutet, dass falsch gefertigte Produkte erst gar nicht entstehen können, denn vorher meldet die Anlagensteuerung die Verletzung einer vorgegebenen Produktions-Toleranzgrenze. Alle relevanten Parameter werden manipulationssicher dokumentiert, was den Vorschriften der Good Manufacturing Practice (GMP) entspricht. Die Eingabe und das Anlegen von Bauteil-Rezepten werden über eine Access-Level-Matrix verwaltet, so dass nur autorisiertes Personal Änderungen an Maschinendaten vornehmen kann.
Der richtige Grad der Automatisierung
Welcher Grad von Automatisierung im Einzelfall sinnvoll ist, hängt von verschiedenen Faktoren ab. Die Abstufungen reichen von klassisch manuell bis vollautomatisch. In jedem Fall sind die individuellen Anforderungen abhängig von der Komplexität des Produkts.
Mannloses Zu- und Abführen von Teilen
Systeme zum Be- und Entladen verbessern den Materialfluss zwischen verschiedenen Produktionsschritten vor und nach dem Pressen. Durch aufeinander abgestimmte Ladungsträger wird ein manuelles Be- und Entladen überflüssig. Neben einem geringeren Handlingsaufwand für die Bediener reduziert sich dadurch auch der Kontakt des Menschen mit dem Produkt.
In Reinraumanlagen bieten vor allem Linearsysteme eine platzsparende Lösung für die Zu- und Abführung von Teilen. Gegenüber Robotern lassen sie sich einfacher bedienen und bei Programmänderungen anpassen. Aufgrund ihrer platzsparenden Bauweise ist außerdem der Maschinenraum besser einsehbar und zugänglich, was von Vorteil ist, sollte die Zuführung einmal ausfallen. Man hat also immer eine kompromisslose Back-up-Strategie. Hierzu trägt darüber hinaus eine konsequent modulare Systembauweise bei, nach der auch die Steuerung aufgebaut ist.
Optimierung der Zykluszeiten
Die gesamte Zykluszeit in der Produktion setzt sich aus der Heizzeit und der Offenzeit der Presse zusammen. Automatisierte Prozesse bieten eine Reihe von Pluspunkten, da sie beispielsweise das simultane Beladen von Doppelstockpressen ermöglichen. Dagegen erfordern manuelle Abläufe einen sequenziellen Prozess, was die Maschinenzeit merklich verlängert. Die Fertigung auf zwei Etagen hat zudem den positiven Effekt, dass beide Pressräume mit der gleichem Heizzeit temperiert werden und das Compound identische Prozesszeiten erfährt.
Durch die Beschleunigung der Zykluszeiten erhöhen sich die Produktionskapazitäten. Zugleich wird der Personalbedarf gesenkt, was insbesondere in Zeiten des Fachkräftemangels vorteilhaft ist.
Werkzeuge mannlos und ohne Hydraulik spannen
Magnetspannplatten ermöglichen ein schnelles Auswechseln und vollautomatisches Spannen von ferromagnetischen Werkzeugen sämtlicher Größen und Geometrien binnen weniger Minuten – hydraulikfrei und ohne manuelle Eingriffe (Foto 4).
Die Bedienung und die Sicherheitsüberwachung sind komplett in die Maschinensteuerung integriert. Beim Spannen und Lösen aktiviert ein Stromimpuls die Permanentmagneten, die dann im Betrieb stromunabhängig – also failsafe – arbeiten. So lassen sich nahezu sämtliche Werkzeuge vollflächig und mit einer hohen Biegesteifigkeit spannen und später wieder lösen.
Zwar gibt es auch Magnetspannplatten ohne integrierte Heizung, in der Elastomerverarbeitung werden aber in der Regel Modelle verwendet, die für Temperaturen bis 240 °C ausgelegt sind. Durch den vollflächigen Kontakt zwischen Heizungsoberfläche und Werkzeugplatte wird die Wärme gleichmäßig und homogen übertragen. Damit unterstützt diese Technologie indirekt eine gleichmäßige Temperaturübertragung ins Werkzeug. Die Spannsysteme lassen sich entsprechend den jeweiligen Anforderungen hinsichtlich Größe, Geometrie, Spannkraft und Ausstattung kundenspezifisch fertigen.
Sie sind nahezu wartungsfrei, auch in Vakuumpressen einsetzbar und können auf vorhandenen Maschinen nachgerüstet werden.
Automatisierter Trennmittelauftrag
Der präzise Auftrag von Trennmitteln ist ein wesentlicher Faktor in der Verarbeitung von Elastomeren. Bei einer zu großen Menge kühlen Formteile aus oder beeinträchtigen die Oberflächeneigenschaften des Produktes, wird zu wenig aufgetragen, lässt sich das fertige Teil schlecht entformen. Daher hat ein reproduzierbarer und immer gleichbleibender Trennmittelauftrag einen unmittelbaren Einfluss auf die Produktqualität (Foto 5).
Die optimale Menge und die gleichmäßige Verteilung von Trennmitteln tragen also dazu bei, Temperaturschwankungen zu reduzieren und die Stabilität des Produktionsprozesses zu verbessern. Besonders bei komplexen oder filigranen Bauteiloberflächen ist die gleichmäßige Beschichtung entscheidend, um Ausschuss zu vermeiden.
Das automatische Spraysystem ist kompakt gebaut, die Regel- und Steuerelemente sind außerhalb des Pressengehäuses im Grauraum angebracht. Während eines Werkzeugwechsels fährt die Einheit in eine Parkposition.
Das Trennmittel wird im Maschinenraum mit geschlossenem Hubfeld aufgetragen, Aerosole aus der Luft werden unverzüglich abgesaugt. Auf diese Weise wird eine Kontamination der Reinraumatmosphäre unterbunden.
Weitere Automatisierungsmöglichkeiten
Damit sind die Möglichkeiten zur Automatisierung aber noch längst nicht erschöpft. Wenn gewünscht, können Pressen umfassend mit Sensoren und Aktoren ausgerüstet werden. Das versetzt sie in die Lage, eine große Bandbreite an Informationen zu sammeln. Hierzu zählen Auskünfte zum tatsächlichen Maschinenverschleiß für eine vorausschauende Wartung genauso wie Daten zu Produktion und Prozess sowie zur Qualität von Werkstücken.
Noch umfassender ist eine Automatisierung im Rahmen eines Smart-Factory-Konzeptes. Dieses sieht die intelligente Vernetzung von Hydraulikpressen und den dazugehörigen Peripheriekomponenten mit weiteren Anlagenteilnehmern und übergeordneten Prozessleitsystemen vor.
Langfristige Nutzung und Nachrüstung von Pressen sowie Retrofit
Hydraulikpressen sind auf eine lange Lebensdauer ausgelegt. Während dieser Zeit erfordern veränderte Produktionsanforderungen mitunter Anpassungen. Nachrüstungen bieten eine kosteneffiziente Alternative zur Neuanschaffung, indem bestehende Anlagen mit neuen Steuerungstechnologien oder Automatisierungslösungen ausgestattet werden. Besonders häufig werden Be- und Entladesysteme, Magnetspannplatten und Steuerungen nachgerüstet.
Die Modernisierung vorhandener Anlagen ermöglicht es Unternehmen, auf veränderte Marktanforderungen zu reagieren, ohne hohe Investitionen in neue Maschinen tätigen zu müssen. Dieser Ansatz ist nicht nur wirtschaftlich, sondern auch nachhaltig.
In Zukunft: KI-Einsatz und verstärkte Automatisierung
Hydraulikpressen für Reinräume verbinden innovative Technologien mit präziser Prozesskontrolle und machen sie unverzichtbar für Anwendungen in der Pharmaindustrie, Halbleiterfertigung und anderen Branchen mit hohen Sauberkeitsanforderungen.
Zukünftige Entwicklungen bei der KI-gestützten Prozessüberwachung und bei der Energieeffizienz werden die Leistungsfähigkeit dieser Technologien weiter verbessern.
Beim Thema Automatisierung ist in den kommenden Jahren mit einer weiter steigenden Nachfrage zu rechnen. Innovative Technologien machen sie zunehmend auch für kleinere Losgrößen wirtschaftlich, zudem verstärkt die wachsende Zahl von Bauteilvarianten den Wunsch nach mehr Produktionsflexibilität. Auch der Fachkräftemangel und steigende Personalkosten verstärken den Trend zur (teilweise) mannlosen Produktion. Durch ihre kontinuierliche Weiterentwicklung werden Hydraulikpressen auch in Zukunft eine Schlüsselrolle in der Elastomerverarbeitung spielen.
