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CO2-Schneestrahlreinigung Effizienter zu optimal gereinigten Oberflächen

| Redakteur: Anne Richter

Rückstände aus der Fertigung stellen beim Einsatz zahlreicher medizintechnischer Produkte ein Risiko dar. Die Endreinigung nach der Herstellung gewinnt daher zunehmend an Bedeutung. Mit der CO2-Schneestrahlreinigung lässt sich auch bei Produkten mit sehr komplexen Geometrien eine hohe Sauberkeit erzielen. Dies hat eine beim Naturwissenschaftlichen und Medizinischen Institut (NMI) an der Universität Tübingen durchgeführte Untersuchung zum Einsatz innovativer Reinigungsverfahren belegt.

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Die Kombination von nasschemischer und Kohlendioxid-Schneestrahlreinigung bietet die besten Ergebnisse.
Die Kombination von nasschemischer und Kohlendioxid-Schneestrahlreinigung bietet die besten Ergebnisse.
(Bild: NMI)

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. Insbesondere 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 meist 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 der ACP – Advanced Clean Production GmbH, eine Verbesserung der Reinigungsqualität ermöglichen.

Untersuchung zur Validierung des Reinigungsverfahrens

Das Naturwissenschaftliche und Medizinische Institut (NMI) an der Universität Tübingen führte im Rahmen eines Verbundprojektes 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 Reinigungstechnologien in einen bestehenden Reinigungsprozess ein validierbares nasschemisches Verfahren für die Medizintechnik vorgestellt. Die Projektteilnehmer kamen aus den Bereichen Medizinprodukte und Reinigungsverfahren, unter anderem die ACP.

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Die Ermittlung der Reinigungseffizienz erfolgte durch den Vergleich des Reinheitszustandes definiert kontaminierter Proben vor und nach der Reinigung. Dafür wurden verschiedene Baugruppen mit schwierig zu reinigenden Geometrien (Sacklochbohrung, Hinterschneidungen, Kanülenbohrung mit grossem Längen-/Duchmesserverhältnis, 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 fand zunächst eine werkstoffkundliche Charakterisierung, eine Grundreinigung sowie eine weitere werkstoffkundliche Charakterisierung statt. Dafür kamen die Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (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, die Ausbringung der Reinigungsanlage zu erhöhen und damit auch deren Wirtschaftlichkeit.

Trockene, rückstandsfreie und schonende Reinigung

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 Kohlendioxid-Schnees sorgt ausserdem 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 Sublimations-Effekt.

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 ausserdem bakteriostatisch und unterstützt die Keimreduzierung auf Oberflächen.

Mechanischer Effekt

Der mechanische Effekt bewirkt eine Ablösung der Schmutzpartikel vom Substrat. Durch die kinetische Energie des Kohlendioxids und des Druckluftstrahls werden die abgelösten Schmutzpartikel weggeströmt.

Sublimationseffekt

Dieser Effekt unterstützt die beiden vorgenannten durch Druckwellen, die direkt an der Bauteiloberfläche wirken. Sie entstehen durch die Volumenvergrösserung beim Übergang des CO2 vom festen in den gasförmigen Zustand. Gleichzeitig wirkt das Kohlendioxid in dieser Phase als Lösemittel und entfernt auch unpolare Kontaminationen. Da das CO2 unter 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, kann sie auch für stromführende Komponenten und Baugruppen sowie Kunststoffteile eingesetzt werden. Die Prozessparameter wie Strahlintensität und Dauer lassen sich exakt auf die jeweilige Applikation, die Materialeigenschaften und die abzureinigende Kontamination abstimmen und als Rezept in der 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 inklusive einer Absaugung für den entfernten Schmutz auf einer Fläche ab zirka 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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