Apparate und Behälter in Pharma-, Lebensmittel- und Verfahrenstechnik Optimierte Oberflächen für hygienesensible Branchen

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Die Oberflächenbeschaffenheit beeinflusst maßgebend die chemischen und physikalischen Eigenschaften von Edelstählen. Welche Faktoren beeinflussen die Anhaftung von Partikeln an hygienischen Oberflächen und wie können diese Faktoren optimiert werden?

In sensiblen Branchen, wie der Lebensmittel- und Pharmaindustrie gewinnen Fachbegriffe wie EHDG oder auch das Hygienic Design immer mehr an Bedeutung. Hintergrund ist, dass Betreiber eine Verschleppung von Partikeln und die somit verbundene Kontamination ihrer Charge tunlichst vermeiden möchten. Einer der entscheidenden Faktoren stellt hierbei das Reinigungsverhalten von Oberflächen und das hiermit verbundene Anhaftverhalten von Partikeln dar. Doch welche Faktoren beeinflussen die Anhaftung von Partikeln an hygienischen Oberflächen und wie können diese Faktoren optimiert werden?

Das Unternehmen Bolz Intec, bekannt für Behälter und Sonderkonstruktionen aus Chrom-Nickelstählen, hat sich genau diese Fragen gestellt und die Eigenschaften von Oberflächen in mehrjähriger Forschungsarbeit in Kooperation mit der Hochschule Konstanz untersucht. Hierbei wurden neben dem üblichen Rauheitsprofil von Oberflächen, das derzeit als Hauptmerkmal bei der Beschreibung von Oberflächenqualität verwendet wird, weitere Faktoren wie deren finale Oberflächenenergie genauer untersucht.

Stand der Technik ist die derzeitige Beurteilung der Oberflächen mit zerstörungsfreien Prüfungen, wie der Rautiefenmessung in Verbindung mit einer optischen Prüfung. Doch gibt es weitere Kriterien, die nicht außer Acht gelassen werden sollten, u. a. die Art und Weise, wie die Oberfläche veredelt wird. So wurde herausgefunden, dass unterschiedliche Schleifmethoden in der Endbeurteilung der Oberfläche unterschiedliche Anhaftverhalten aufweisen, obwohl der R_a-Wert beider Oberflächen derselbe ist. Die Art und Weise, wie das Material abgetragen wird, spielt also eine wichtige Rolle. Als Versuch wurde – entgegen dem üblichen manuellen Schleifen – der Behälter mit einem automatisiertem Schleifprozess über einen langen Zeitraum geschliffen. Dieser feine Abtrag über einen längeren Zeitraum hatte eine geringere Anhaftung und somit eine bessere Reinigung zur Folge. Er wurde im weiteren Verlauf der Untersuchung als finale Oberflächenenergie bezeichnet.

Die aus diesen Untersuchungen gewonnenen Erkenntnisse hat sich Bolz Intec zu Nutzen gemacht und ein Verfahren entwickelt, bei welchem der zuvor erwähnte, geringe konstante Abtrag über einen langen Zeitraum, teilautomatisiert erreicht wird. Das Verfahren wurde mit „Optimized Grind Finishing“ bzw. „OGF-Verfahren“ betitelt. Der Abtrag im Behälter wird mit geometrisch unbestimmten Schleifkörpern erzielt, die sich im Inneren des Behälters bewegen. Der Vorteil dieses Verfahrens ist, dass die Oberfläche neben ihrer hohen Qualität reproduzierbar ist. Man ist unabhängig von unbestimmten Variablen, z. B. dem händischen Anpressdruck beim konventionellen Schleifen durch einen Mitarbeiter oder der Qualität von einzelnen Schleifmitteln. Wichtig war Bolz Intec dabei, dass im Endergebnis eine definierte Rautiefe bei geringer Tiefenbeeinflussung des Gefüges und einer optisch ansprechenden Oberfläche erreicht wird.

Wie im Bild 1 (siehe Bildergalerie) zu sehen ist, sind diese Unterschiede auch optisch zu erkennen. Als Vergleich wurde hier eine mit dem konventionellen Schleifverfahren erzeugte Oberfläche herangezogen und diese mit dem OGF-Verfahren verglichen. Bei dieser Untersuchung wurden die Oberflächen in Anlehnung an die DIN EN ISO 25178 mit einem optischen 3D-Messsystem untersucht und anhand einer Falschfarben-Darstellung visualisiert. Hierbei ist zu erkennen, dass beim OGF-Verfahren keine lineare Schleifrichtung vorliegt. Dies hat zur Folge, dass die Höhenunterscheide der Oberfläche deutlich geringer ausfallen als beim Vergleichsmodell.

In Bild 2 wird dies anhand einer Rautiefenmessung gezeigt. Im Elektronenmikroskop wurden weitere Veränderungen sichtbar, wie im Bild 3 zu erkennen ist. Es treten beim üblichen Schleifverfahren Ungänzen in den Oberflächen auf. Durch den sehr feinen und schonenden Abtrag werden diese Fehler deutlich reduziert.

Bildergalerie

Im weiteren Verlauf der Untersuchungen hat Bolz Intec diese Oberflächen noch weiter veredelt und einem Elektropolitur-Verfahren unterzogen. Bei diesem werden die Spitzen in der Oberflächenstruktur weiter abgetragen, was neben optischen Vorteilen auch chemische Veränderungen, wie einen verbesserten Korrosionsschutz durch eine verstärkte Passivschicht mit sich bringt. In der Endbeurteilung dieser Untersuchung wurde das verbesserte Reinigungsverhalten mithilfe eines Versuchs an Anlehnung an die VDA19.1 (März 2015) / ISO16232 (Dezember 2018) aufgezeigt. Das OGF-Verfahren verringert ansehnlich die Restschmutzanhaftung in Behältern und bietet somit dem Betreiber den Mehrwert, dass das Risiko einer Kontamination zweier Chargen deutlich reduziert wird (Bild 4).

Bolz Intec hat somit die zu Beginn der Untersuchungen geförderten Parameter nachgewiesen und mithilfe der Forschung eine Oberfläche generiert, die sowohl in deren Rauheitsprofil als auch in der optischen Beurteilung wiederholgenau zu erzeugen ist. Zusätzlich weist diese Oberfläche Vorteile gegenüber dem Vergleichsmodell in der Reinigung auf. Gerade für kritische, sehr wertvolle oder sehr feine Partikel könnte dieser Mehrwert entscheidend sein. Beispielhaft wären hierfür Branchen wie die Nanotechnologie, die Bio- bzw. Pharmatechnologie oder alle weiteren Branchen, bei denen die Chargenreinheit und die Vermeidung von Kontaminationen ein ausschlagender Punkt in der Produktion darstellt.

Literatur:

[1] P. Gümpel, und 7 Mitautoren: Rostfreie Stähle, 5., durchgesehene Auflage 2015; expert-verlag GmbH; Renningen; ISBN 978-3-8169-3148-5

[2] A. Turnbull, K. Mingard, J.D. Lord, B. Roebuck: Sensitivity of stress corrosion cracking of stainless steel to surface machining und grinding procedure; Corrosion science 53, S. 349-355, 2012

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