Orvostechnika: Sorozatgyártásra kész műanyaggal

(Kép: ©Rodinger Kunststoff-Technik GmbH)

Átláthatóság az egyik legfontosabb kritérium az orvostechnikai alkatrészekhez használt műanyagok kiválasztásánál. Átlátszó fedelek – mint itt a képen egymásra rakva – lehetővé teszik az elemzési folyamatokat mikroszkópiával, kameratechnikával vagy fluoreszcens mérőműszerekkel. (Kép: ©Rodinger Kunststoff-Technik GmbH)

Apró kavitások egy Lab-on-a-Chip patronban (jobbra a képen): Az ilyen összetett és finom geometriák hatékonyan gyárthatók magas precizitású szerszámtechnika és bizonyos műanyagok segítségével injection molding módszerrel. (Kép: ©Rodinger Kunststoff-Technik GmbH)

A műanyag az orvostechnikai iparban keresett anyagnak számít. Ez kezdve a csomagolótermékekkel, például az inzulin toll külső alkatrészeivel, diagnosztikai részekkel, amelyek olyan anyagokkal érintkeznek, amelyeket később meg kell semmisíteni, egészen a termékekig, amelyek olyan anyagokkal kerülnek kapcsolatba, amelyek később visszakerülnek a szervezetbe. Az alkalmazási területtől függően különböző szabályozások és jóváhagyások léteznek a műanyagokra, amelyeket ún. Medical Grades néven tartanak számon. Az Medical-Grades-műanyagok alapvető követelményei közé tartozik a felhasznált termékek és alapanyagok teljes nyomon követhetősége, biokompatibilitás, kémiai ellenállóság, sterilizálhatóság és a szállítási biztonság.

Habár a műanyagok később a sorozatgyártásban dominálnak, a fejlesztési szakaszban a laboratóriumi körülmények között gyakran alternatív anyagokat, például üveget, fémet vagy szilikont próbálnak ki. Elsőként nem utolsósorban gazdasági és elérhetőségi okokból a piacon elérhető standard termékekhez nyúlnak, mint például Petri-csészékhez, titer táblákhoz, kvettákhoz vagy üveglemezekhez. Mivel a laboratóriumi folyamatokat mikroszkópiával, kameratechnikával vagy fluoreszcens mérésekkel elemzik, az átlátszóság az egyik fő követelmény az alkalmazott eszközöknél, amelyek elsősorban az üveg esetében adottak. A műanyagoknak is léteznek átlátszó változatai, azonban az üveg valamivel magasabb átlátszóságot mutat.

Plasztikák komplex struktúrákhoz

Sok alkalmazási területen, például összetett laborchipek esetében a standard eszközök csak alapvető kísérletekre alkalmasak. Ha a sorozatgyártás részletes folyamatfejlesztéséhez érkezünk, összetett geometriák és mikrofluidikus csatornák miatt más anyagokra, például bizonyos műanyagokra van szükség. Ezekkel a finom szerkezetek kevés energiával előállíthatók.

Első prototípusokat mélyhúzási eljárással vagy szilikonból vagy műgyantából készült mintákkal lehet megvalósítani. Itt az egyedi formázó eszközök költségei áttekinthetők. Ezzel szemben a műanyag alkatrészek laboratóriumi gyártása viszonylag bonyolult és minőségromlással járhat. Amikor végül a sorozatgyártás injection molding módszerrel kezdődik, a költséghányad fordított lesz: a szerszámköltség magas, de a műanyag alkatrészek nagy mennyiségben olcsón gyárthatók.

Kompromisszumok optikában és formatervezési szabadságban

A műanyagok alkalmazása az orvosi és diagnosztikai termékek sorozatgyártásában bizonyos korlátokat vonhat maga után. Különösen az optikai területen kell kompromisszumokat kötni. Vannak nagyon átlátszó műanyagok, amelyek azonban nem érnek el olyan optikai tulajdonságokat, mint az üveg. További korlátozásokat jelent a formatervezési szabadság. A műanyag injection molding esetében a részegységek mindig úgy kell kialakítani, hogy könnyen szerszámozás közben eltávolíthatók legyenek. Emellett a szerszámoknak formázási szögeléseket kell alkalmazniuk, amelyek befolyásolják a szabadságot. A részek oldalait mindig enyhén ferde kialakításúnak kell lennie a könnyű eltávolítás érdekében, általában 0,5-3 fok, ritkán akár 10 fok is. „Ez alig észrevehető optikailag, de a formázás szempontjából elengedhetetlen” – magyarázza Harald Höcherl, a Rodinger Kunststoff-Technik GmbH (RKT) folyamattechnikai vezetője. „Általában ezek a feltételek nem okoznak problémát a gyártás során.”

Orvosilag kompatibilis műanyagok feldolgozása

Az, hogy melyik műanyag mely orvosi vagy orvostechnikai alkalmazáshoz alkalmas, egy igen széles terület. Különösen gyakran használják a COC műanyagokat az orvostechnikában – különösen a diagnosztikában –, mivel magas átlátszóságúak, nagyon alacsony optikai anizotropiával rendelkeznek és biokompatibilisek is. Műanyag tömegtermékek, például egyszer használatos termékek esetén elsősorban költséghatékony tömeggyártású műanyagokat, mint például PP, PE vagy PS alkalmaznak, ha a mechanikai tulajdonságok ezt lehetővé teszik. Magas mechanikai igényeket kielégítő alkatrészek (például inzulin toll belső részei) technikai termoplasztokat, például POM, PA vagy PPA anyagokat használnak. A fémalkatrészek helyettesítésére gyakran technikai műanyagokat, magas szálarányú (üveg vagy szénszál) változatokat alkalmaznak. A házrészeket elsősorban ütésálló műanyagokból, mint például ABS, PC/ABS, poliamidok vagy PBT készítik.

„A különböző műanyagok feldolgozásánál bizonyos technikai fortélyokra és trükkökre van szükség, hogy minden anyagnál a legjobb eredményt érjük el” – mondja Harald Höcherl. A kihívás lehet például egy különösen kicsi alkatrész, amely speciális szerszámokat, például mikroszivattyú egységeket igényel a injection molding gépeknél. A transzparens COC műanyagok esetében pedig van egy trükk a sárgulás megelőzésére; Harald Höcherl: „A COC nagyon érzékeny az oxigénre, és a megolvasztási fázisban összekapcsolódik vele, ami sárguláshoz vezet. Ezért a feldolgozás során a területet nitrogénnel kell töltötté tenni. Így távol tartható az oxigén a megolvasztási folyamattól.” Emellett a COC relatíve törékeny és hajlamos a feszültségsérülésekre. Itt különösen fontos a szigorúbb formázási szögelés. Egy másik kihívás a műanyagfeldolgozásban a tisztatéri követelmények egyes alkatrészeknél diagnosztikai alkalmazásokhoz. A vevői specifikációk szerint meg kell határozni, hogy melyik tisztatéri osztály felel meg az adott terméknek, szükség van-e további mikroorganizmus-ellenőrző tesztekre, és ezeknek megfelelően a RKT tisztatéri környezetben alakítja ki a gyártócellákat.

A RKT támogatja a folyamatfejlesztést

A RKT többek között arra specializálódott, hogy orvostechnikai alkatrészek esetében kísérje a folyamatfejlesztést a sorozatgyártásig. Ideális esetben először pre-engineeringet végeznek, és prototípus szerszámokat készítenek, amikor összetett geometria műanyag injection moldingben való megvalósításáról van szó. A részegységkövetelmények alapján megfelelő műanyagokat tanácsolnak, kiválasztanak és tesztelnek prototípus szerszámokban. A mintadarabból a termék továbbfejleszthető és tökéletesíthető. Végül így készül el a sorozatszerszám, amely garantált mennyiségben, akár milliós darabszámokra is képes gyártani a komplexitástól függően.

Összegzés: Műanyag injection molding – hatékony és értékálló

A nagy darabszámokra és gördülékeny folyamatokra a műanyag injection molding hatékony módszer az orvostechnikai alkatrészek magas minőségű, magas orvostechnikai szabványoknak megfelelő gyártására. A transzparencia szempontjából a üveg nyilvánvalóan előnyökkel bír az optikai ellenőrzési folyamatok során, azonban a gazdaságosságban és a kezelhetőségben a műanyag felülmúlja a többi anyagot a sorozatgyártásban.