High-end spuitgieten in de cleanroom

De centrale onderdelen van het analysetoestel zijn de cartridge (rechts) en de "TC" (midden) – een 2-componenten spuitgietstuk van PP en TPE, waarin tijdens de onderzoeken de vloeistoffen binnen de cartridge worden getransporteerd. Ganz links op de afbeelding is de harde component van de "TC" te zien. (Beeldbron: alle 1zu1 Prototypes / Darko Todorovic)

De productie van het 2-componenten-spuitgietstuk "TC" met zijn uiterst fijne structuren was een bijzondere uitdaging.

Wolfgang Spiegel, 1zu1 prototypes (links), und Daniel Quidiello, Weidmann Medical Technology (Mitte), beurteilen die produzierten Spritzgussteile.

Voor de medische tests produceerde 1-op-1 prototypes de spuitgietdelen in de nieuw geopende cleanroom.

Hochprecieze details in de 2-componenten-spuitgiettechniek, strakke vormings- en positioneringstoleranties, afwerkingsranden met maximaal twee honderdsten millimeter, tot 20.000 stuks uit één aluminium gereedschap, cleanroomkwaliteit ondanks omstortproces: bij de ontwikkeling van een apparaat voor in-vitro diagnostiek gingen de betrokken projectpartners tot het uiterste van het haalbare.

Ende 2015 werd de langverwachte cleanroom van het bedrijf 1zu1 Prototypen in Dornbirn, Oostenrijk, voltooid — precies op tijd voor een opdracht van de Zwitserse Weidmann Medical Technology. Een tiental verschillende onderdelen moest de Oostenrijkse specialist met zijn aluminium gereedschappen in de cleanroom produceren, telkens tot 20.000 stuks. De opdracht vormde de afsluiting van een meer dan twee jaar durend ontwikkelingsproject voor een internationaal actief medisch technologiebedrijf. Het doel: een apparaat voor in-vitro diagnostiek, waarmee monsters, bijvoorbeeld uit bloed, speeksel, plasma of weefsel, direct bij de arts of in het ziekenhuis op virussen en bacteriën kunnen worden onderzocht.

Tot nu toe moesten artsen dergelijke monsters vaak naar centrale laboratoria sturen en dagen wachten op de uitslag. Het nieuwe analyseapparaat levert binnen enkele minuten de diagnose voor tot 22 ziekteverwekkers. "Een snelle en precieze diagnose van ziekten zoals meningitis of griep wordt daarmee mogelijk op het punt van zorg," legt Daniel Quidiello uit, projectleider bij Weidmann.

Diagnose op de kleinste ruimte

In de zomer van 2013 gaf het medisch technologiebedrijf opdracht aan Weidmann Medical Technology voor de ontwikkeling van de cartridge, die het hart vormt van het nieuwe apparaat. Deze bestaat uit twaalf onderdelen, is ongeveer 15 centimeter lang en bevat meerdere kamers met vloeistoffen om de monsters microbiologisch te onderzoeken. Voor de bouw van de prototypes wende Weidmann zich nog in de zomer van 2013 tot 1zu1 Prototypen. De twee bedrijven verbinden meer dan tien jaar nauwe samenwerking. Eind september gaf Weidmann opdracht voor de eerste negen spuitgietgereedschappen. Zes weken later lagen de spuitgietonderdelen bij de klant aan het Zürichmeer op tafel.

"Negen gereedschappen tegelijk is al een uitzonderlijke opdracht," zegt Wolfgang Spiegel, productmanager voor Rapid-Tooling bij 1zu1 Prototypen. Het Vorarlbergse bedrijf produceert de gereedschappen voor prototypes en kleine series in aluminium spuitgietwerk. Ze zijn modulair opgebouwd. De onderdelen kunnen snel en precies worden vervaardigd op moderne draaibanken en freesmachines en later naar wens worden aangepast of verwisseld. Een uitdaging was niet alleen de omvang van het project, maar ook veel specificaties. "Dit was een high-end project. Alle eisen lagen net iets hoger dan gebruikelijk," herinnert productmanager Spiegel zich. Ook Weidmann-projectleider Quidiello geeft openlijk toe: "We waren aanvankelijk sceptisch over de haalbaarheid op lange termijn. De grote vraag voor ons was: kunnen we deze benodigde kwaliteit ook voor grote aantallen in serieproductie realiseren?"

Zeer hoge kwaliteitsnormen werden aanvankelijk gesteld aan de fijne structuren van de onderdelen: voor de verschillende microbiologische analyses worden de vloeistoffen in de cartridge getransporteerd en gemengd. Daarvoor bestaan meer dan 20 varianten, waarbij de kanalen soms doorsneden van minder dan een millimeter hebben. De zeer kleine ventielen moeten daarbij soepel bewegen en absoluut dicht zijn.

Ook verder is dichtheid bij dit apparaat bijzonder belangrijk. "Stel je voor dat bij de arts de monsters met ziekteverwekkers zouden lekken. De gevolgen kunnen fataal zijn," beschrijft Quidiello. De sluitscharnieren in sommige delen van de cartridge moeten daarom net zo dicht sluiten als de kamers met de analysevloeistoffen. Deze worden na het vullen met een speciaal proces afgedicht, dat een hoge oppervlakteruwheid van de spuitgietonderdelen vereist. Randafwerkingen of zwevende membranen zijn hier slechts in de honderdsten millimeter toegestaan.

Samen succesvol

Om aan de eisen te voldoen, werkten beide bedrijven nauw samen bij de constructie van de gereedschappen. "We hebben elke constructie op kostenefficiëntie en veiligheid beoordeeld, elkaar gemotiveerd om ook technologische innovaties in gereedschap te implementeren," herinnert Rapid-Tooling-expert Wolfgang Spiegel zich. Steeds weer werd teruggekoppeld met de eindklant. Het succes geeft beide bedrijven gelijk: de aluminium gereedschappen leverden niet alleen bij de eerste productie zeer goede resultaten, maar bleken ook uiterst duurzaam. 1zu1 Prototypen had oorspronkelijk 2.500 stuks per gereedschap gegarandeerd. Uiteindelijk leverden de gereedschappen tot wel 20.000 stuks in de vereiste hoge kwaliteit.

Overstap naar cleanroom

In twee prototypesfasen in standaard spuitgietwerk werden de onderdelen in de eerste twee ontwikkeljaren 2013 en 2014 op technische functionaliteit getest. Dankzij de modulaire opbouw waren wijzigingen aan bestaande gereedschappen met minimale inspanning mogelijk. In de derde fase vanaf begin 2016 vonden de tests plaats onder medisch-technische aspecten. De productie werd daarom verplaatst naar de nieuwe cleanroom van 1zu1 Prototypen. Deze voldoet aan klasse 8 cleanroomnormen, maar de afnameproeven leveren vaak nog veel betere resultaten. De onderdelen worden gemaakt van grondstoffen die zijn toegelaten voor medische toepassingen. "De microbiologische onderzoeken vereisen absolute reinheid. Vreemde DNA in de kamers met de analysevloeistoffen zou de resultaten vertekenen," benadrukt Spiegel.

Een uitdaging in de cleanroom waren de onderdelen in de 2-componenten-spuitgiettechniek. Ze moeten handmatig tussen de twee machines worden omgezet. "In de cleanroom brengt elke handmatige ingreep een risico op verontreiniging met zich mee," zegt de leidinggevende voor Rapid-Tooling. "Met bijzondere zorg hebben we ook deze barrière overwonnen."

Pre-serie bespaard

Vanwege de hoge stabiliteit van de gereedschappen konden tijdens het project zelfs de pre-serie gereedschappen worden overgeslagen, die Weidmann Medical Technology gewoonlijk na de prototypes fase produceert. "De partnerschapssamenwerking in dit project was echt uitzonderlijk," prijst Wolfgang Spiegel. Ook zijn tegenhanger, Daniel Quidiello, prijst de open communicatie: "We hebben er allebei veel profijt van gehad en veel geleerd." Tijdens het project hebben de twee partners verschillende materiaalkleuren en oppervlaktestrukturen getest om de esthetiek van het nieuwe hightech-apparaat ook visueel zichtbaar te maken. Dit heeft zich uitbetaald, vindt Quidiello: "Het gebruiksvriendelijke, eenvoudig-elegante ontwerp maakt de analyzer tot een echte blikvanger."