Werkstoff-Tipps für Normelemente im Hygienic Design

Normelemente wie Griffe, Hebel, Knöpfe und Stellfüße gehören seit Jahrzehnten zum Angebot des Herstellers Otto Ganter. Im Jahr 2015 entschloss sich der Hersteller, sein Produktportfolio um Elemente zu erweitern, die sich auch und besonders für hygienekritische Bereiche eignen. Typische Einsatzbereiche sind die Herstellung oder Verarbeitung von Lebensmitteln, die Produktion von Medikamenten, medizintechnischen Produkten, Farben, Lacken und andere hochreine Fertigungen. Mit dieser strategischen Entscheidung, auf neue, dem Unternehmen bislang unbekannte Märkte zu gehen, stellten sich auch neue konstruktive Herausforderungen. Beginnend mit einem Stellfuß, der bislang für normale Industriemaschinen angeboten wurde, wollte der Hersteller erstmals eine Variante im sogenannten Hygienic Design entwickeln. Hygienic Design bringt seinen Anwendern interessante Vorteile: So verringert sich der Zeit- und Materialbedarf für regelmäßige Reinigungen stark und setzt Produktionszeit frei. Der Bedarf an Frischwasser, Energie und Reinigungsmitteln sinkt ebenso wie die Abwassermenge. Insgesamt lassen sich damit die Gesamtkosten reduzieren und Ressourcen schonen.

Die rechtlichen Grundlagen von Hygienic-Design-Produkten sind in der EN 1672-2:2009 Nahrungsmittelmaschinen und anderen Normen bereits genau definiert. Laut der Maschinenrichtlinie 2006/42/EG müssen Maschinen so konstruiert sein, dass „Materialien vor jeder Benutzung leicht und vollständig gereinigt werden können und kein Risiko von Infektionen, Krankheiten oder Ansteckungen entsteht.“ Für Normelemente im Hygienic Design kommen daher nur rostfreie Edelstähle sowie lebensmittelkonforme Dichtungsmaterialien infrage. Während alle Oberflächen reinigungsfähig sein müssen, dürfen durch Dichtungen und O-Ringnuten keine Spalte entstehen, in denen sich Verunreinigungen ablagern könnten.

Den Produktentwicklern von Ganter war von Anfang an bewusst, dass die künftige Produktfamilie für einen erfolgreichen Markteintritt FDA-konform gestaltet und von der European Hygienic Engineering & Design Group (EHEDG) und 3-A Sanitary zertifiziert werden musste. Der Normelementehersteller hatte früh eigene Vorstellungen über die dichtungstechnischen Anforderungen seiner künftigen Produktreihe entwickelt. Neben der FDA-Konformität sollten die verwendeten Dichtungswerkstoffe über eine gute Langzeit-Formstabilität und Beständigkeit gegenüber den verbreiteten Reinigungsmedien verfügen. Außerdem sollten sie in der Farbe Blau erhältlich sein, da blau in Lebensmitteln und dessen Bestandteilen so gut wie nicht vorkommt, sodass Verschmutzungen besonders leicht erkannt und beseitigt werden können. Im Frühjahr 2015 lernte der Normelementehersteller auf der Anuga foodtech mit SKF Economos Deutschland einen Dichtungsspezialisten kennen, der nicht nur über die passenden Werkstoffe verfügte, sondern auch über einen Partnered Engineering-Ansatz basierend auf einem hochflexiblen Fertigungsverfahren. Anfang 2016 startete das gemeinsame Projekt. Damit Unternehmen gemeinsam erfolgreich innovieren können, müssen sich nicht nur Produkte oder Leistungen ergänzen – entscheidend ist, dass alle Partner ihre Aufgaben verstehen und miteinander eng und vertrauensvoll kommunizieren. Das war hier der Fall.

Ganter und SKF Economos arbeiteten von Anfang an Hand in Hand und tauschten fortwährend ihre Ideen, Informationen und Ergebnisse aus. So entstand Schritt für Schritt die marktreife Lösung. Zunächst präsentierte Ganter seinem Entwicklungspartner einen Prototyp des neuen Stellfußes. SKF Economos glich die erforderlichen Anwendungsparameter mit seiner umfangreichen, selbstentwickelten Werkstoffbasis ab und beriet seinen Partner zu den EU-Regularien. Über die erforderliche Resistenz gegenüber den in der Praxis verwendeten CIP-Reinigungschemikalien und die gewünschten physikalischen Eigenschaften ließ sich so schnell Klarheit gewinnen. Das von Ganter gemeinsam mit einem FDA-konformen HNBR-Werkstoff gewählte Ecopur-95A-bl FG ist nicht nur FDA-konform, sondern erfüllt auch die strengeren Anforderungen der EU-Richtlinie EC 1935/2004. Das blaue Material ist gegenüber Wasser und CIP-Lösungen bis circa 60 Grad Celsius beständig und verfügt über eine hohe Langzeit-Formstabilität – Eigenschaften, die es zum idealen Bestandteil von Hygienic-Design-Lösungen machen. Beide Werkstoffe lassen sich an den CNC-Maschinen des Dichtungsherstellers spanend bearbeiten oder spritzgießen. Um die Bandbreite seiner Fertigungsmöglichkeiten zu benennen, spricht SKF Economos von einem Machined-to-moulded-Konzept, das sein selbst entwickeltes Seal-Jet-Verfahren ermöglicht. Die charakteristischen Vorteile bestehen in der schnellen und kostengünstigen Verfügbarkeit von einsatzfähigen Prototypen und der Skalierbarkeit von Losgröße eins bis zu beliebigen Serienmengen sowie auch Überführung in das Spritzgießverfahren. Ideale Voraussetzungen für Zertifizierungsverfahren.

Dichtungen, die an den Anschraubbereichen der Normelemente eingesetzt werden, haben die Aufgabe, Toträume, Spalten und Ritzen vor dem Eindringen von Reinigungsflüssigkeiten, Produktresten oder Kleinstorganismen zuverlässig zu schützen. Hierfür müssen die Einbauräume und Dichtungsquerschnitte per FEM so berechnet und ausgelegt werden, dass bei der Montage die nötige Flächenpressung erreicht wird und gleichzeitig die Dichtungswerkstoffe nicht überbeansprucht werden. Die Dichtringe zur Montagefläche und die Bodendichtung werden bei der Montage durch Festziehen entsprechend dicht gespannt. Dabei wird sichergestellt, dass alle mit den Dichtungen in Kontakt stehenden Flächen eine Oberflächengüte von weniger als Ra 0,8 µm aufweisen.

Die Abstreifer an der Verstellhülse sowie die Abdichtung der Gelenkkugel sind so gestaltet, dass sie eine Anpassung in Höhe und Winkel zulassen. Auch bei ihnen gewährleistet der Einbauraum zusammen mit dem Dichtungsquerschnitt eine spaltfreie, vorgespannte Abdichtung. Die gefundene dreiteilige Lösung verfügt über einen Dichtring aus NBR (Härte 70 ±5 Shore A), einen Abstreifer aus TPU (95 ±5 Shore A), einen Gelenkdichtring aus H-NBR (85 ±5 Shore A). Zusätzlich besitzt der Stellfuß eine Bodendichtung aus Silikon (mit 85 ±5 Shore A). Bis auf diese wurden alle Dichtelemente während der gedrehten Bemusterungsphase Zehntel für Zehntel millimeterweise an den Stellfuß angepasst. Bei diesen iterativen Entwicklungsschritten konnten auch zuerst übersehene Axialspiele berücksichtigt und alle Varianten immer wieder von Ganter modifiziert werden.

Dabei wurde auch der Vorschlag des Dichtungsspezialisten umgesetzt, die Abdichtungswirkung durch scharfkantig geformte Dichtlippen nochmals zu erhöhen. Bei der abschließenden Grenzwertbemusterung wurden die für die gespritzte Serie erforderlichen Toleranzen simuliert, indem die Grenzen jeweils nach oben und unten zunächst überschritten wurden, um einen technisch realisierbaren Mittelwert zu erzielen. Nach der Bemusterung aus dem Werkzeug konnte Ganter die gefundene Komplettlösung freigeben und einen Prototypen seines Stellfußes GN 20 der EHEDG und 3-A Sanitary zur Prüfung und Zertifizierung vorlegen.

Die anschließende Serienproduktion im Spritzgießverfahren verlief dank der sorgfältigen Grenzwertbemusterungen problemlos und ohne Qualitätsverlust. Zwei Jahre nach Projektbeginn sind alle Normelemente der Produktfamilie Hygienic Design von Ganter zertifiziert und mit dem HD-Symbol gekennzeichnet. Stellfüße, Griffe, Klemmhebel, Muttern und Schrauben des neu entwickelten Sortiments verfügen sämtlich über eine hohe Oberflächengüte, Totraumfreiheit, nichtschöpfende Außenflächen und perfekt gedichtete Anschraubbereiche. Übrigens: Für beschädigte oder im Zuge präventiver Wartung auszutauschender Dichtungen bietet Ganter das Ersatzteil GN 7600 an. aru