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Universalwerkstoff reduziert Prüfaufwand in der Lebensmittelproduktion

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11.02.2019 Komponenten mit Lebensmittelkontakt unterliegen strengen gesetzlichen und hohen technischen Anforderungen. Das führt bei der Werkstoffvielfalt in industriellen Anlagen zu einem hohen Dokumentations- und Prüfaufwand.

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Entscheider-Facts für Betreiber und Einkäufer

  • In der Lebensmittelindustrie kostet die Prüfung und Dokumentation von eingesetzten Komponenten und Konstruktionselementen viel Zeit und Geld.
  • Ein neuer Universalwerkstoff für die Lebensmittelproduktion hilft dabei, die Vielfalt der eingesetzen Werkstoffe zu reduzieren und den Aufwand dadruch zu begrenzen.
  • Der Werkstoff ist verschleißfest auch bei Mangelschmierung oder Trockenlauf und eignet sich dadurch für bewegte Maschinenelemente.
Essen

Lebensmittel stellen ganz unterschiedliche Anforderungen an die eingesetzen Komponenten und Werkstoffe. (Bild: Inga Nielsen, Adobe Stock)

Dieser lässt sich mit dem Einsatz eines Universalwerkstoffs begrenzen.

Durch das steigende Angebot benötigt die Industrie in der Produktion auch immer leistungsfähigere Werkstoffe, die den Anforderungen einer komplexen Medienumgebung und den marktspezifischen Gegebenheiten gerecht werden. In lebensmittelverarbeitenden Maschinen finden sich vermehrt polymere Komponenten – beispielsweise Schläuche, Abdeckungen oder Gehäuse – aber auch stark beanspruchte Konstruktionselemente wie Dichtungen, Abstreifer, Führungen und Kolben. Als kostengünstige Alternative bieter sich der Einsatz von Kunststoffen an vielen Stellen auch als Metallsubstitution an. Technische Anforderungen an Temperatur- und Strukturfestigkeit lassen sich meist durch entsprechende Kunststoffauswahl abbilden. Neben wirtschaftlichen Vorteilen ergeben sich so teilweise auch funktionelle und technische Vorteile.

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Bild: Parker Hannifin

Gesetzliche und technische Anforderungen sind hoch

Um unterschiedliche Anforderungen abzudecken kommen dabei in der Regel verschiedene, maßgeschneiderte Werkstoffe zum Einsatz. Jeder von diesen muss in Einklang mit den gesetzlichen Richtlininen und technischen Anforderungen stehen. Das hat einen hohen Dokumentations- und Prüfaufwand zur Folge. An erster Stelle sind hier die umfangreichen gesetzlichen Vorgaben zu nennen. Es finden sich Vorschriften hinsichtlich der Dokumentation, der chemischen Zusammensetzung der Werkstoffe, deren Verarbeitungsprozess und Handhabung. In Europa werden diese Vorgaben vom europäischen Parlament und Rat bestimmt, in den USA ist die Food and Drug Administration (FDA) die für die Lebensmittelsicherheit zuständige Behörde. Freigaben der FDA werden jedoch auch global genutzt. W6101, die Lebensmittelvariante des Universalwerkstoffs Nobrox, erfüllt die Anforderungen der Food Contact Substance Notification (FDA), der europäischen Verordnungen (EG) Nr. 1935/2004 sowie (EU) Nr. 10/2011 und besitzt die Trinkwasserfreigabe nach NSF 61.

Nicht geringer als die gesetzlichen sind die technischen Anforderungen an den Werkstoff. Lebensmittel sind in der Regel wässrige Medien, die eine Vielzahl an polaren und unpolaren Stoffen oder Chemikalien enthalten. Ein einfaches Beispiel dafür ist Milch. Hier handelt es sich um ein Gemisch aus polarem Wasser und unpolarem Fett. Sowohl metallische als auch polymere Werkstoffe müssen gegen diese Medien beständig sein. Daher kommen teure Edelstähle und spezielle thermoplastische Werkstoffe und Elastomere zum Einsatz.

„Similia similibus solvuntur“ – „Ähnliches wird von ähnlichem gelöst“. Am Beispiel Milch bedeutet das: Ein polares Medium wie Wasser wird ein polares Polymer, wie z.B. Polyamid, auflösen oder aufquellen. Ein unpolares Medium wie Olivenöl wird ein unpolares Elastomer – zum Beispiel – EPDM angreifen. Schon die Anforderungen an ein Polymer zur prinzipiellen Verträglichkeit mit Milch sind daher nicht trivial. Neben der chemischen Beständigkeit der verwendeten Werkstoffe müssen Reaktionen mit den Lebensmitteln ausgeschlossen sein. Auch der Geschmack des Lebensmittels darf sich beim Kontakt mit dem Werkstoff nicht verändern. Es muss also verhindert werden, dass Polymer und Lebensmittel Inhaltsstoffen austauschen. In Migrationsversuchen wird geprüft, in welchem Maße Bestandteile aus dem Werkstoff in Lebensmittel übergehen oder umgekehrt. In verschiedenen Lebensmittelsimulanzien müssen Grenzwerte eingehalten werden, die durch die entsprechenden Behörden vorgegeben sind.

 

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Auf dem Verschleißprüfstand nach ISO 7148 zeigte der Universalwerkstoff ein ähnliches Leistungsniveau wie PEEK-Werkstoffe.

Viele Funktionen, weniger Werkstoffe

W6101 bietet die Möglichkeit, einem Großteil der technischen und gesetzlichen Herausforderungen gerecht zu werden und so die Werkstoffvielfalt und den damit verbundenen Aufwand zu begrenzen. Der Werkstoff ist aufgrund seiner mechanischen Eigenschaften zwischen thermoplastischen Werkstoffen wie Polyamiden und PEEK sowie deren Derivaten einzuordnen. Er eignet sich sowohl für den Einsatz in Form von dynamischen Dichtungen oder Abstreifern als auch für verschiedenste andere technische Bauteile, wie Kolben, Führungen oder Getriebekomponenten. Auch die funktionelle Integration – bspw. Integration von Dichtung, Abstreifer oder Führung in einen Kolben – und eine damit verbundene Reduktion der Komponentenanzahl ist möglich.

Damit reduzieren sich auch der Montageaufwand sowie Schnitt- und Fügestellen der Konstruktion. Diese bergen die größte Gefahr von Verschmutzungen und Agglomeraten aus Lebensmittelrückständen oder Mikroorganismen. Die in der Regel schwere Zugänglichkeit von engen Spalten – etwa vor Dichtungsnuten, Stoß- und Fügestellen – spiegelt sich in langen und teuren Reinigungszyklen wider. Eine hohe Werkstoffkompetenz in Kombination mit intelligenter Konstruktion vermeidet hier, die Folgen durch exzessive Reinigung mit immer aggressiveren Medien bekämpfen zu müssen. Eine reduzierte Komponentenanzahl wirkt sich außerdem auf eine benutzerfreundlichere Handhabung aus. Die oft notwendige Teildemontage der Geräte zu Instandhaltungs- und Reinigungszwecken wird somit erleichtert und gestaltet sich wesentlich zeitsparender und komfortabler.

 

Verschleißfest auch bei Mangelschmierung und Trockenlauf

Bewegte Maschinenelemente wie Dichtungen, Abstreifer oder Führungen arbeiten in der Regel unter hoher tribologischer Beanspruchung im Trockenlauf oder bei Mangelschmierung. Hohe Lebensdauerforderungen machen daher den Einsatz verschleißfester Werkstoffe unabdingbar. Die Verwendung von Schmierstoffen ist oftmals nicht möglich oder muss vermieden werden.

Verschleißuntersuchen an Lebensmittelwerkstoffen verschiedener Polymerfamilien lassen sich auf einem Prüfstand nach nach ISO 7148 durchführen. Eine rotierende Kugel drückt dabei mit definierter Kraft auf Werkstoffproben und erzeugt einen Kugelabdruck. Anhand des sich einstellenden Kugeleindruckvolumens lässt sich eine Bewertung hinsichtlich der kombinierten Last aus Verschleiß und Kriechneigung unter definierten Prüfbedingungen vornehmen. W6101 weist dabei ein ähnlich hohhes Leistungsniveau wie PEEK-Werkstoffe auf. Im Vergleich mit PTFE, UHMW-PE und Polyamiden zeigt sich bei dem Werkstoff ein deutlich geringeres Kugeleindruckvolumen. Für die Anwendung als Dichtung, Konstruktionselement oder Führung lässt sich somit eine gute tribologische Eignung ableiten.

Im Einsatz in professionellen Kaffeemaschinen hat der Werkstoff bereits seine gute Verträglichkeit mit Lebensmitteln gezeigt. Neben dem polaren Wasseranteil finden sich im Filterrückstand eines Kaffeegetränks unpolare Fette, Proteine und eine Vielzahl an weiteren Inhaltsstoffen. Verschiedene Versuche mit unterschiedlichen Reinigungssubstanzen haben eine breite Medienbeständigkeit des Werkstoffs offenbart. Ein chemischer Angriff durch handelsübliche Reinigungsmedien im Lebensmittelbereich ist als unwahrscheinlich anzusehen.

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Über den Autor

Matthias Buchfink, Anwendungstechnik, Parker Hannifin und Michael Erwerle, Compoundtechnologie/Prüflabor, Engineered Materials Group, Parker Hannifin
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