Efficiënter naar optimaal gereinigde oppervlakken

Principe van de sneeuwstraalreiniging (beeldbron: acp)

Een van de kernonderdelen van het quattroClean-reinigingssysteem is een ultrasone tweestofferingsspuitmond. Het vloeibare kooldioxide wordt door de spuitmond geleid en ontspant bij het uitgaan tot een sneeuw/gas-mengsel. (Beeldbron: acp)

Probewisser aus Edelstahl 1.4441 nach der Grundreinigung (Bildquelle: NMI)

Het proefstuk na de reiniging met het acp-sneeuwstraalreinigingssysteem. (Beeldbron: NMI)

De combinatie van natron- en CO2-sneeuwstraalreiniging biedt de beste resultaten. (Afbeeldingsbron: NMI)

Probeer na de natronchemische reiniging (beeldbron: NMI)

De selectie van de optimale reinigingstechniek levert een belangrijke bijdrage aan de kwaliteit en kostenefficiëntie bij de productie van medische producten. Met de quattroClean sneeuwstraalreiniging kan ook bij producten met zeer complexe geometrieën een hoge reinheid worden bereikt. Dit is bevestigd door een onderzoek naar het gebruik van innovatieve reinigingsmethoden, uitgevoerd door het Naturwissenschaftliche und Medizinische Institut (NMI) aan de Universiteit Tübingen.

Restanten uit de productie vormen bij het gebruik van talrijke medisch-technische producten, zoals instrumenten, implantaten, operatiesets voor minimaal-invasieve en klassieke chirurgische ingrepen, een risico. Productiegerelateerde verontreinigingen zoals bewerkingsmedia, afscheidingsmiddelen, deeltjes en bramen moeten betrouwbaar worden verwijderd. Bij de eindreiniging van de producten moet een hoge partikel- en filmreinigheid worden bereikt, evenals biologische compatibiliteit. Tegelijkertijd mag het reinigingsproces de oppervlakken of producteigenschappen niet aantasten. Vooral bij onderdelen met complexe geometrieën en moeilijke contouren, zoals zakboorgaten en ondercutten, stuit de klassieke nat-chemische eindreiniging met vochtige media vaak op grenzen. Dit komt meestal doordat de oppervlakken van het materiaal in deze gebieden onvoldoende worden gespoeld. Dit kan zowel leiden tot onvoldoende reiniging van de oppervlakken als tot een moeilijker afvoer van de verwijderde contaminaties. Een ander aspect is dat na de reiniging nog verdere processtappen kunnen volgen, zoals bijvoorbeeld een coating. Hieruit volgt de behoefte aan innovatieve reinigingsmethoden die, zoals de quattroClean sneeuwstraalreiniging van acp – advanced clean production GmbH, een verbetering van de reinigingskwaliteit mogelijk maken.

Onderzoek ter validatie van de reinigingsmethode

Het Naturwissenschaftliche und Medizinische Institut (NMI) aan de Universiteit Tübingen voerde in het kader van een samenwerkingsproject onderzoeken uit naar de toepasbaarheid, prestaties en geschiktheid van innovatieve reinigingsmethoden zoals plasma- en CO2-sneeuwstraalreiniging. Daarnaast werd, met het oog op een mogelijke integratie van deze reinigingstechnologieën in een bestaand reinigingsproces, een valideerbare nat-chemische procedure voor de medische technologie gepresenteerd. De projectdeelnemers kwamen uit de sectoren medische producten en reinigingsprocedures, waaronder acp.

De efficiëntie van de reiniging werd vastgesteld door de reinheidsstatus van gedefinieerde, besmette monsters vóór en na de reiniging te vergelijken. Hiervoor werden verschillende assemblages met moeilijk te reinigen geometrieën (zoals zakboorgaten, ondercutten, kanaalboringen met een grote lengte-/diameterverhouding, zakboorgaten met ondercut en zakboorgaten met ondercut en schroefdraad) uit de materialen roestvrij staal en titanium, met verschillende oppervlaktestructuren, en PEEK onderzocht. Na de productie van de monsters volgde eerst een materiaalkundige karakterisering, een basisreiniging en een verdere materiaalkundige karakterisering. Hiervoor werden röntgen-photo-elektronenspectroscopie (XPS), lichtmicroscopie (LM) en rasterelektronenmicroscopie (REM) ingezet. Vervolgens werden de monsters gedefinieerd partikel- en filmcontaminatie ondergaan, nat-chemisch gereinigd en materiaalkundig gekarakteriseerd. Daarna werd de reiniging uitgevoerd met plasma of de CO2-sneeuwtechnologie. Daarnaast werden de monsters alleen met plasma en kooldioxide gereinigd. De eindcontrole op reinheid, deeltjesarme toestand, cytotoxiciteit via de BCA-test en functionaliteit (oppervlaktestructuren) toonden aan dat door de combinatie van nat-chemische en daaropvolgende CO2-sneeuwreiniging met het quattroClean-systeem bij alle metalen monsters de beste reinheidswaarden werden behaald.

De methode is daarom geschikt om moeilijke contouren of bepaalde functionele gebieden gericht te reinigen in een proces dat na de nat-chemische reiniging plaatsvindt in één stuk. Dit maakt het mogelijk om de doorvoer van de reinigingsinstallatie te verhogen en daarmee ook de kosteneffectiviteit ervan.

Droog, residu-vrij en voorzichtig reinigen

Het medium van de sneeuwtechnologie is vloeibaar kooldioxide. Het ontstaat als bijproduct bij bijvoorbeeld chemische processen en biogasproductie en wordt voor de reiniging bereid uit flessen of tanks. De goede reinigingsprestatie van de methode komt voort uit de speciale werking van het gepatenteerde quattroClean-reinigingssysteem. Een van de kernonderdelen is een ultrasone tweestoffenringdouche. Het vloeibare kooldioxide wordt door de douche geleid en ontspant bij het verlaten tot een sneeuw-/gasmengsel. Dit kernstraal wordt omgeven door perslucht die als mantelstraal wordt toegevoerd, waardoor de onschadelijke en niet-brandbare CO2-sneeuwkristallen met ultrasone snelheid worden versneld. De lage hardheid van de fijne kooldioxide-sneeuw zorgt er bovendien voor dat gevoelige onderdelen en fijne structuren substraatstressend worden gereinigd.

Bij het treffen van de goed te focussen sneeuwstraal op het te reinigen oppervlak ontstaan vier effecten.

Thermisch effect

Het ongeveer -78,5 °C koude straalmiddel koelt de bovenste laag van het oppervlak schoksgewijs af, waardoor de vervuiling loskomt. Verschillende thermische uitzettingscoëfficiënten van materiaal en verontreiniging bevorderen dit werkingsmechanisme. Door de lage procestemperatuur werkt de CO2-sneeuwreiniging daarnaast bacteriostatisch en ondersteunt het de vermindering van micro-organismen op oppervlakken.

Mechanisch effect

Het mechanische effect zorgt voor het losmaken van vuildeeltjes van het substraat. Door de kinetische energie van kooldioxide en de persluchtstraal worden de losgekomen vuildeeltjes weggespoten.

Oplosmiddelsffect

Bij de overgang van vaste naar gasvormige fase werkt kooldioxide als oplosmiddel en verwijdert organische verontreinigingen.

Sublimatie-effect

Het ondersteunt de bovengenoemde effecten door een drukgolf als gevolg van de volumevergroting bij de overgang van vast naar gasvormig.

Aangezien kooldioxide onder atmosferische druk volledig sublimeert, blijven er geen reinigingsmiddelenresten of secundaire afvalstoffen achter en is het reinigingsmateriaal direct droog.

Flexibele methode met breed toepassingsgebied

Aangezien met de quattroClean-sneeuwtechnologie zowel partikel- als filmverontreinigingen (ook siliconen) van vrijwel alle materialen procesveilig en reproduceerbaar kunnen worden verwijderd, biedt het een breed toepassingsgebied in de medische technologie. En dat niet alleen voor het reinigen van instrumenten en implantaten, maar ook bij mechatronische componenten. Zo maakt de methode bijvoorbeeld de selectieve reiniging van contact- en bondingvlakken, lijmplaatsen of lasgebieden mogelijk vóór en na het lassen. Omdat de reiniging droog gebeurt, kan deze ook worden toegepast op stroomvoerende componenten en modules, evenals kunststofonderdelen. De procesparameters zoals stralingsintensiteit en duur kunnen nauwkeurig worden afgestemd op de specifieke toepassing, materiaaleigenschappen en de te verwijderen contaminatie, en als recept worden opgeslagen in de besturing van de installatie.

Tegelijkertijd zorgt de eenvoudige automatisering voor een probleemloze integratie in productielijnen. Dit wordt ondersteund door de geringe ruimtebehoefte – een quattroClean-sneeuwstraalunit van acp kan inclusief een afzuiging voor het verwijderde vuil op een oppervlak van ongeveer 20 x 20 cm worden geplaatst. Systemen in cleanroom-uitvoering kunnen volgens de taak worden gerealiseerd met een lokaal cleanroom-systeem (MENV) en een speciaal aangepaste afzuiging.