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14 mai 2015 | Oberflächen POLYSURFACES 01/2015 | Nettoyage

Effizienter zu optimal gereinigten Oberflächen

Les résidus issus de la fabrication représentent un risque lors de l’utilisation de nombreux dispositifs médicaux. Ceci étant, le nettoyage final après la fabrication gagne de plus en plus d’importance. Le nettoyage cryogénique (projection de CO2 sous forme de neige carbonique) permet d’obtenir un haut niveau de propreté, même sur les produits qui présentent des géométries extrêmement complexes.
Ob Instrumente, Implantate, OP-Bestecke für minimalinvasive und klassische chirurgische Eingriffe – die Entfernung der Verunreinigungen aus der Teilefertigung wie Bearbeitungsmedien, Trennmittel, Partikel und Grate hat in den letzten Jahren an Bedeutung gewonnen. Bei der Endreinigung ist einerseits eine hohe partikuläre und filmische Sauberkeit sowie biologische Verträglichkeit zu erzielen. Andererseits dürfen weder die Oberflächen noch Eigenschaften der Produkte durch den Reinigungsprozess beeinträchtigt werden.
Vor allem bei Teilen mit komplexen Geometrien und schwierigen Konturen wie beispielsweise Sacklochbohrungen und Hinterschneidungen stösst die klassische nasschemische Endreinigung mit wässrigen Medien häufig an Grenzen. Dies liegt meistens an einer nicht ausreichenden Bespülung der Werkstoffoberflächen in diesen Bereichen. Daraus resultiert einerseits eine ungenügende Reinigung der Oberflächen, andererseits wird der Abtransport der abgereinigten Kontaminationen erschwert. Ein weiterer Aspekt ist, dass nach der Reinigung noch weitere Prozessschritte wie beispielsweise eine Beschichtung erfolgen. Dies führt zu einem Bedarf an innovativen Reinigungsverfahren, die wie die CO2-Schneestrahlreinigung von acp eine Verbesserung der Reinigungsqualität ermöglichen.
 
Prinzip der Schneestrahlreinigung. (Bild: acp)

Untersuchung zur Validierung des Reinigungsverfahrens
Das Naturwissenschaftliche und Medizinische Institut (NMI) an der Universität Tübingen führte im Rahmen eines Verbundprojekts Untersuchungen zur Anwendbarkeit, Leistung und Tauglichkeit innovativer Reinigungsverfahren wie der Plasma- und der CO2-Schneestrahlreinigung durch. Darüber hinaus wurde vor dem Hintergrund einer möglichen Integration dieser Reinigungstechniken in einen bestehenden Reinigungsprozess ein validierbares nasschemisches Verfahren für die Medizintechnik vorgestellt. Die Projektteilnehmer kamen aus den Bereichen Medizinprodukte und Reinigungsverfahren.
Die Ermittlung der Reinigungseffizienz erfolgte durch den Vergleich des Reinheitszustands definiert kontaminierter Proben vor und nach der Reinigung. Dafür wurden verschiedene Baugruppen mit schwierig zu reinigenden Geometrien (Sacklochbohrung, Hinterschneidungen, Kanülenbohrung mit grossem Längen-Duchmesser-Verhältnis, Sacklochbohrung mit Hinterschneidung und Sacklochbohrung mit Hinterschneidung und Gewinde) aus den Werkstoffen Edelstahl und Titan mit unterschiedlichen Oberflächenstrukturen sowie PEEK untersucht. Nach der Herstellung der Proben fanden zunächst eine werkstoffkundliche Charakterisierung, eine Grundreinigung sowie eine weitere werkstoffkundliche Charakterisierung statt. Dafür kamen die Röntgen-Photoelektronenspektroskpie (XPS), Lichtmikroskopie (LM) und Rasterelektronenmikroskopie (REM) zum Einsatz. Danach wurden die Proben definiert partikulär und filmisch kontaminiert, nasschemisch gereinigt und werkstoffkundlich charakterisiert. Anschliessend erfolgte die Reinigung mit Plasma beziehungsweise der CO2-Schneestrahltechnologie. Zusätzlich wurden die Proben nur mit Plasma und Kohlendioxid gereinigt.
Die abschliessende Prüfung hinsichtlich Sauberkeit, Partikelarmut, Zytotoxizität mittels BCA-Test und Funktionalität (Oberflächenstrukturen) ergab, dass durch die Kombination nasschemische und anschliessende CO2-Schneestrahlreinigung mit dem acp-System bei allen metallischen Proben die besten Sauberkeitswerte erzielt werden. Das Verfahren ist daher geeignet, schwierige Konturen oder bestimmte Funktionsbereiche in einem der nasschemischen Reinigung nachgeschalteten Prozess im One-Piece-Flow gezielt zu reinigen. Dies ermöglicht es, die Ausbringung der Reinigungsanlage zu erhöhen und damit auch deren Wirtschaftlichkeit.
 

Eines der Kernelemente des CO2-Schneestrahlreiigungssystems ist die Überschall-Zweistoffringdüse.
 

Trockene, rückstandsfreie und schonende Reinigung
Das Medium der Schneestrahltechnologie ist flüssiges Kohlendioxid. Es entsteht als Nebenprodukt bei beispielsweise chemischen Prozessen sowie der Biogasherstellung und wird für die Reinigung aufbereitet aus Flaschen oder Tanks zugeführt. Die gute Reinigungsleistung des Verfahrens resultiert aus der speziellen Wirkungsweise des patentierten acp-Reinigungssystems. Eines seiner Kernelemente ist eine Überschall-Zweistoffringdüse. Das flüssige Kohlendioxid wird durch die Düse geleitet und entspannt beim Austritt zu einem Schnee-Gas-Gemisch. Diesem Kernstrahl wird Druckluft als Mantelstrahl zugeführt, der die ungiftigen und nicht brennbaren CO2-Schneekristalle auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt. Die geringe Härte des feinen Kohlendioxidschnees sorgt zudem dafür, dass empfindlichste Bauteile und filigrane Strukturen substratschonend gereinigt werden.
Beim Auftreffen des gut fokussierbaren Schneestrahls auf die zu reinigende Oberfläche kommt es zu einem thermischen, mechanischen und Sublimationseffekt.
Thermischer Effekt: Das rund -78,5 °C kalte Strahlmittel kühlt die oberste Schicht der Oberfläche schockartig ab, wodurch sich die Verschmutzung löst. Unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten von Werkstoff und Verunreinigung begünstigen diesen Wirkmechanismus. Durch die tiefe Prozesstemperatur wirkt die CO2-Schneestrahlreinigung zudem bakteriostatisch und unterstützt die Keimreduzierung auf Oberflächen.
Mechanischer Effekt:Er bewirkt eine Ablösung der Schmutzpartikel vom Substrat. Durch die kinetische Energie des Kohlendioxids und des Druckluftstrahls werden die abgelösten Schmutzpartikel weggeströmt.
Sublimationseffekt: Er unterstützt die beiden vorgenannten Effekte durch Druckwellen, die direkt an der Bauteiloberfläche wirken. Sie entstehen durch die Volumenvergrösserung beim Übergang des CO2vom festen in den gasförmigen Zustand. Gleichzeitig wirkt das Kohlendioxid in dieser Phase als Lösemittel und entfernt auch unpolare Kontaminationen.
Da das CO2unter Umgebungsdruck vollständig sublimiert, bleiben keine Reinigungsmittelrückstände oder Sekundärabfälle zurück und das Reinigungsgut ist sofort trocken.
 
 
Flexibles Verfahren mit breitem Einsatzspektrum
Da sich mit der CO2-Schneestrahlreinigung sowohl partikuläre als auch filmische Verunreinigung (auch Silikone) von nahezu allen Materialien prozesssicher und reproduzierbar entfernen lassen, bietet es ein breites Einsatzspektrum in der Medizintechnik. Und das nicht nur, wenn es um die Reinigung von Instrumenten und Implantaten geht, sondern auch bei mechatronischen Komponenten. So ermöglicht das Verfahren beispielsweise die selektive Reinigung von Kontakt- und Bondflächen, Klebestellen oder Schweissbereichen vor und nach dem Schweissen. Da die Reinigung trocken erfolgt, ist sie auch für stromführende Komponenten und Baugruppen sowie Kunststoffteile einsetzbar. Die Prozessparameter wie Strahlintensität und Dauer lassen sich exakt auf die jeweilige Applikation, die Materialeigenschaften und die abzureinigende Kontamination abstimmen und als Rezept in den Anlagensteuerung hinterlegen.
Gleichzeitig sorgt die einfache Automatisierbarkeit für eine problemlose Integration in Fertigungslinien. Dies wird durch den geringen Platzbedarf unterstützt: eine CO2-Schneestrahlunit von acp lässt sich einschliesslich einer Absaugung für den entfernten Schmutz auf einer Fläche ab etwa 20 x 20 cm unterbringen. Systeme in Reinraumausführung können entsprechend der Aufgabenstellung mit einem lokalen Reinraumsystem (MENV) und einer speziell angepassten Absaugung realisiert werden.
 
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