Ventile aus technischem Polymer für Vending

15. September 2021

ODE`s Magnetventile aus technischem Polymer für den Verkaufsautomaten- und Büro-Kaffeeservice-Automaten (OCS)-Bereich

Eine komplette Reihe von PPS-Ventilen für den Umgang mit flüssigen Lebensmitteln und mehr

Zusammenfassung:

2012: Reduzierung des Bleigehalts in Messingprodukten

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Im Laufe der Zeit haben wachsende Bedenken hinsichtlich der Freisetzung giftiger Substanzen in Lebensmitteln und Trinkwasser zu einer Reihe von Einschränkungen in Bezug auf die Art vieler in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie verwendeten Materialien geführt.

Zu diesen Materialien gehört Messing, das 2012 aufgrund des Vorhandenseins von Blei in einigen seiner Standardformulierungen die Aufmerksamkeit der Überwachungsstellen auf sich zog. Um den Werkzeugverschleiß beim Fräsen und Drehen zu begrenzen, enthält die Kupfer- und Zinklegierung (OT58 oder CW614n), die traditionell beim Heißpressen und beim anschließenden Zerspanen verwendet wird, tatsächlich Blei in einem Anteil von etwa 3%. OT58 wird in der Tat traditionell zur Herstellung von Ventilen, Hähnen, Armaturen und anderem Zubehör verwendet, das in Kontakt mit Trinkwasser und verschiedenen flüssigen Lebensmitteln verwendet wird.

Das Hauptproblem, insbesondere während der Anfangsphase der Verwendung von Messingprodukten, ist das allmähliche Auswaschen dieses Schwermetalls in das Wasser aufgrund der kontinuierlichen Waschwirkung. Dieses Phänomen, das zu Bleiverunreinigungen in Mengen führen kann, die weit über den von der WHO empfohlenen Grenzwerten liegen, wurde von mehreren internationalen Instituten untersucht und steht im Mittelpunkt expliziter Beschränkungen (beispielsweise die Proposition 65-Liste der OEHHA).

Die einfachste Alternative zu OT58 besteht darin, Legierungen mit einem sehr geringen oder keinem Bleigehalt zu wählen, um eine Veränderung der sensorischen Eigenschaften des Wassers und vor allem gesundheitliche Risiken zu vermeiden. Messinglegierungen mit niedrigem Bleigehalt werden somit zu den neuen Materialien der Wahl für Anwendungen im Sanitär-, Heizungs- und Sanitärbereich, für die zuvor OT58 ausgewählt worden wäre. Es ist nunmehr an der Zeit einige innovative Lösungen zu erforschen.

 

Ein neues Abenteuer für ODE-Magnetventile

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Die Notwendigkeit, die Freisetzung von Blei und Nickel in Lebensmittelanwendungen zu verhindern, zwingt viele traditionelle Anwender von OT58 dazu, alternative Materialien für die Herstellung ihrer Komponenten und Zubehörteile in Betracht zu ziehen. Ein solcher Benutzer, der mehr als bereit ist, nach neuen Lösungen zu suchen, ist das italienische Unternehmen ODE (www.ode.it).

ODE hat seinen Hauptsitz in Colico (Lecco) und ist in der Entwicklung und Herstellung von Magnetventilen, Spulen und Fluidtechniksystemen tätig, die insbesondere im Bereich der automatischen Verkaufsautomaten und der Büro-Kaffeeservice-Automaten (OCS) eingesetzt werden. ODE wurde in den 1960er Jahren gegründet und ist traditionell geneigt Messing zu verwenden.

Den Übergang zu neuen Materialien betrachtet ODE als mehr als nur eine technische und ingenieurwissenschaftliche Herausforderung. Dies ist vor allem auch ein kultureller und praktischer Fortschritt in einem Nischenbereich, in dem Zuverlässigkeit und Reputation angesichts der direkten Beziehung zu den Kunden und ihrer sehr hohen Erwartungen an Qualität und technischen Service ein hohes Gewicht haben.

 

Die Anforderungen der Branche

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Die typischen Projektspezifikationen für Ventile sind in der Tat sehr streng und schließen jede Möglichkeit von Ausnahmen aus. Erstens der ständige Kontakt mit Trinkwasser und anderen flüssigen Lebensmitteln.

Das Material muss mit dieser Verwendung kompatibel und von einer akkreditierten internationalen Behörde zertifiziert sein. Es darf daher keine Substanz freisetzen, die eine Gefahr für die menschliche Gesundheit darstellt oder auf andere Weise die sensorischen Eigenschaften und die Art des Getränks verändern.

Die zweite wichtige Spezifikation betrifft die Temperatur der Flüssigkeiten in den inneren Kammern der Ventile. Ein Verkaufsautomat verarbeitet normalerweise Wasser mit 95°C wenn heiße Getränke zubereitet werden. Bei dieser Temperatur muss die Robustheit und Unversehrtheit des Ventilkörpers gewährleistet sein. Selbst Flüssigkeitslecks aus Dichtungen oder Lastverluste aufgrund lokaler Verformungen müssen unbedingt verhindert und vermieden werden.

Aus mechanischer Sicht erzeugt der auf Flüssigkeiten ausgeübte Druck erhebliche Spannungen. Obwohl der Infusionsprozess normalerweise bei 16 bar durchgeführt wird, überprüft ODE die Leistung seiner Geräte bei Drücken von über 80 bar.

Die Belastung wird statisch angelegt und pulsiert über einen längeren Zeitraum, wodurch die tatsächlichen Betriebsbedingungen der Magnetventile simuliert werden. Als Element eines elektromechanischen Geräts muss der Ventilkörper bei Bedarf flammgeschützt sein und das UL-Selbstlöschzertifikat tragen. Schließlich sind die Lebenserwartung und die Häufigkeit der Wartungsarbeiten grundlegende Faktoren und sollten in beiden Fällen mit denen herkömmlicher Messingelemente vergleichbar sein oder sogar noch besser.

 

Auswahl des richtigen technischen Polymers für die neuen Magnetventile

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Angesichts einer solch komplexen Kombination aus technischen Anforderungen und dem durch viele Durchbrüche am Bauteil verbundenen Risikoszenario entschieden sich die Konstruktionsmitarbeiter von ODE für ein 40% glasfaserverstärktes PPS-basiertes Compound, d. h. LARTON G/40 von LATI.

Die Entscheidung, PPS für die innovative Generation von Ventilen aus technischem Polymer einzusetzen, wurde in Übereinstimmung mit den Technikern von LATI nach einer sorgfältigen Analyse möglicher Alternativen getroffen, die alle aus dem einen oder anderen Grund verworfen wurden: PP und POM durch ihre thermischen Grenzen, PA wegen der Neigung zur Wasseraufnahme, Polyester wegen Hydrolyseproblemen, PPA bezüglich Dimensionsproblemen, PEEK wegen Budgetbeschränkungen. Die endgültige Entscheidung wird durch die unzähligen erfolgreichen Anwendungen von PPS-basierten Compounds in den unterschiedlichsten Branchen und unter extremen Betriebsbedingungen gestützt.

Das interessanteste Merkmal von PPS ist sicherlich seine beträchtliche Beständigkeit gegen hohe Temperaturen, die nur von PEEK und sehr wenigen anderen Hochleistungspolymeren übertroffen wird, deren Verarbeitung jedoch erheblich teurer und komplexer ist. Aufgrund der besonderen chemisch-physikalischen Natur und Struktur von PPS-Makromolekülen eignet sich dieses Polymer besonders für das Spritzgießen sehr komplexer dünnwandiger Geometrien.

Die unterschiedliche Schwindung ist minimal, wodurch eine Maßgenauigkeit gewährleistet wird, die anderen thermoplastischen Polymeren häufig entgegensteht.PPS ist selbst bei hohen Temperaturen extrem beständig gegen aggressive organische und anorganische Chemikalien. Es ist auch nicht hygroskopisch und daher verschlechtern sich seine Haupteigenschaften nicht, wenn es längere Zeit Wasser oder Dampf ausgesetzt wird. Aufgrund seiner inhärenten Flammwidrigkeit benötigt PPS keine selbstverlöschenden Zusätze, die nicht nur seine mechanischen Eigenschaften, sondern vor allem seine Eignung für den Kontakt mit Trinkwasser beeinträchtigen könnten.

LARTON G/40 ist ein Compound, welches dank eines 40%igen Kurz- und Dünnglasfasergehalts eine gute strukturelle Leistung für extreme Metallersatzanwendungen bietet. Diese Kombination optimiert die Verbindung zwischen Verstärkung und Matrix und gewährleistet die vollständige Ausnutzung des Verstärkungssystems. Das E- Modul von LARTON G/40 überschreitet 17 GPa mit einer Bruchspannung nahe 200 MPa. Diese Werte sind denen von Basispolymeren weit überlegen und in Kombination mit richtig gestalteten Geometrien mehr als zufriedenstellend.

 

Projekt und Entwicklung

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Die ersten Machbarkeitsstudien wurden von ODE in Zusammenarbeit mit LATI durchgeführt. FEM-Analysen zielen darauf ab, den Spannungszustand des Materials des einzelnen Ventilkörpers während der Anwendung des Testdrucks bei Raumtemperatur zu bewerten.

Die 80 bar Druck, die auf die Innenflächen der Zweiwege- und Dreiwegemodule verteilt sind, führen dank der Anwendung eines Gesamtsicherheitsfaktors von 1,8 zu lokalen Spitzen der Von-Mises-Spannung unterhalb der Sicherheitsgrenze (95 MPa). Die resultierenden Verformungen wurden sorgfältig analysiert, um Undichtigkeiten an den Dichtungsbereichen zu vermeiden.

Die Berechnungen zeigen, dass die Verformung unter Last auf einige hundertstel Millimeter begrenzt ist. In der Praxis wurden die ersten Prototypen Labortests unterzogen - einschließlich 900 aufeinanderfolgender Betriebsstunden -, die für die Entwicklung der Geometrie des Ventilkörpers, der Form und des Produktionsprozesses unerlässlich sind. Sobald die Tests erfolgreich abgeschlossen wurden, erhält der Formenbau grünes Licht.

Als erstes Unternehmen auf dem Markt bietet ODE seine Familie italienischer PPS-Ventile an, mit denen das Unternehmen schnell zum Marktführer in seiner Branche werden kann.

 

Eine komplette Reihe von Ventilen aus technischen Polymeren

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Einige Jahre sind vergangen, seit ODEs erstes neues Produkt (21JP und 31JP) auf den Markt kam.

Das Sortiment des Unternehmens für den Markt für Magnetventile in Lebensmittelqualität enthält jetzt Dutzende verschiedener Lösungen für PPS, PSU, POM und andere technische Polymere.Unabhängig davon, ob es für Standardventilkörper oder für NSF-61-zertifizierte Teile verwendet wird, die beispielsweise in freistehenden automatischen Getränkeautomaten oder für OCS-Automaten verwendet werden, kann verstärktes PPS aufgrund seiner besonderen Eigenschaften mit heißem Speisewasser bei 95°C umgehen.

Die Tests an Polymeren haben dann eine Reihe zusätzlicher Stärken hervorgehoben. Erstens eine geringere Tendenz zur Bildung von kalkhaltigen Sedimenten im Vergleich zu herkömmlichen Elementen, was der Zuverlässigkeit und Lebensdauer der auf dem Markt befindlichen Geräte zugutekommt.

PPS-Ventilkörper ermöglichen auch eine erhebliche Gewichtsreduzierung im Vergleich zu Metall, da die Dichte von LARTON G/40 bei 1,67 g/cm3 liegt, im Vergleich zu 8,73 g/cm3 was beispielsweise der Dichte von Messing entspricht. Es sorgt auch für eine Reduzierung des Wärme- und Energieverbrauchs dank der Wärmeleitfähigkeit des Polymers, die im Vergleich zu Messing deutlich niedriger ist.

All diese Aspekte haben auch dazu beigetragen, ODE-Ventile im Hotellerie-, Restaurant- und Catering-Bereich (HoReCa) erfolgreich zu etablieren, bei denen Getränke einwandfrei nach höchsten Qualitätsstandards geliefert werden müssen, um Durchfluss, Druck und Temperatur des Warmwassers zu kontrollieren.

Moderne ODE PPS-Ventile können auch problemlos mit anderen Flüssigkeiten umgehen, z. B. Dampf bei 140°C, Inertgas, Druckluft und flüssige Lebensmittel. Die technischen Polymersysteme von ODE werden daher erfolgreich in anderen Bereichen außerhalb von Verkaufsautomaten eingesetzt, einschließlich pneumatischer Systeme, industrieller Automatisierung, medizinischer Anwendungen und Sterilisationsanwendungen.

Die zunehmende Bedeutung von Magnetventilen aus technischen Polymeren im Lebensmittel- und Getränkebereich wird insbesondere durch die Einhaltung der verschiedenen auf internationaler Ebene geltenden Zertifizierungen der Lebensmittelindustrie gestärkt.

All dies führt zu einer durchschlagenden Erfolgsgeschichte für die italienische Fertigung - ein Abenteuer, das stark von den Synergien führender Unternehmen in ihren jeweiligen Branchen unterstützt und geleitet wird.

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