Medische technologie: Serienproductie met kunststof

(Bild: ©Rodinger Kunststoff-Technik GmbH)

Transparantie is een van de belangrijkste criteria bij de selectie van kunststoffen voor medischtechnische onderdelen. Transparante deksels – zoals hier op de afbeelding gestapeld – maken analyseprocessen mogelijk door microscopie, camera-techniek of fluorescerende metingen. (Afbeelding: ©Rodinger Kunststoff-Technik GmbH)

Kleine kaviteiten van een Lab-on-a-Chip-cartridge (rechts op de afbeelding): complexe en fijne geometrieën zoals deze kunnen dankzij uiterst precieze gereedschapstechniek en bepaalde kunststoffen efficiënt worden vervaardigd via spuitgieten. (Afbeelding: ©Rodinger Kunststoff-Technik GmbH)

kunststof is in de medische technologie een gewilde materiaalsoort. Dit begint bij verpakkingsproducten, bijvoorbeeld de buitenste onderdelen van een insulinpennen, via diagnostische onderdelen die in contact komen met stoffen die daarna worden afgevoerd, tot producten die in contact komen met stoffen die later weer in het lichaam worden ingebracht. Afhankelijk van het toepassingsgebied bestaan er verschillende regelgeving en goedkeuringen voor kunststoffen, die onder de zogenaamde Medical Grades worden vermeld. Fundamentele eisen aan Medical-Grades-kunststoffen zijn volledige traceerbaarheid van de gebruikte producten en grondstoffen, biocompatibiliteit, chemische bestendigheid, steriliseerbaarheid en ook leveringszekerheid.

Ook al domineren kunststoffen later in de serieproductie, worden producten onder laboratoriumomstandigheden in de ontwikkelingsfase vaak getest met alternatieve materialen zoals glas, metaal of siliconen. Eerst wordt, niet in de laatste plaats vanwege economische en beschikbaarheidsredenen, teruggegrepen op standaardartikelen die op de markt verkrijgbaar zijn. Daartoe behoren bijvoorbeeld petrischaaltjes, titerplaten, cuvetten of glazen plaatjes. Omdat in het laboratorium processen worden geanalyseerd, hetzij door microscopie, camera-techniek of fluorescentiemetingen, is transparantie een van de belangrijkste eisen aan de gebruikte hulpmiddelen, die vooral bij glas aanwezig is. Ook kunststoffen zijn er in transparante varianten. Echter, glas heeft een iets hogere transparantie.

kunststof voor complexe structuren

In veel toepassingsgevallen, zoals bijvoorbeeld complexe laboratoriummicrochips, zijn de standaardhulpmiddelen echter alleen geschikt voor fundamentele experimenten. Wanneer het gaat om de gedetailleerde procesontwikkeling voor de serieproductie, vereisen complexe geometrieën en microfluïdale kanalen andere materialen, zoals bepaalde kunststoffen. Hiermee kunnen dergelijke fijne structuren met weinig energieverbruik worden vervaardigd.

Eerste prototypes kunnen worden gerealiseerd met diepe trekprocessen of met afdrukken uit siliconen of kunsthars. Hier zijn de eenmalige kosten voor de mallen beheersbaar. Daarentegen is de productie van kunststofonderdelen in het laboratorium relatief arbeidsintensief en gepaard met kwaliteitsverlies. Wanneer uiteindelijk de serieproductie met spuitgieten begint, is de kostenverhouding precies omgekeerd: de investering in een mal is hoog, maar de kunststofonderdelen kunnen daarmee in grote hoeveelheden kosteneffectief worden geproduceerd.

Compromissen in optiek en ontwervrijheid

Het gebruik van kunststoffen in de serieproductie van medische en diagnostische producten kan echter bepaalde beperkingen met zich meebrengen. Vooral op het gebied van optiek moeten compromissen worden gesloten. Er zijn wel zeer transparante kunststoffen, maar deze kunnen niet helemaal tippen aan de optische eigenschappen van glas. Verder zijn er beperkingen in de ontwerpmogelijkheden. Bij kunststof spuitgieten moeten de onderdelen altijd zo worden ontworpen dat ze demoldbaar zijn. Daarnaast zijn bij spuitgieten demoldingshoeken nodig die de ontwerpmogelijkheden beïnvloeden. De wanden van het onderdeel moeten altijd licht schuin worden ontworpen voor demolding, meestal tussen 0,5 en 3 graden, in zeldzame gevallen tot 10 graden. „Dit is nauwelijks visueel waarneembaar, maar voor de vormgeving wel dringend noodzakelijk“, legt Harald Höcherl uit, hoofd processtechniek bij Rodinger Kunststoff-Technik GmbH (RKT). „In de regel vormen deze voorwaarden voor ons geen problemen in de productie.“

Medisch compatibele kunststoffen verwerken

Welke kunststof geschikt is voor welke medische of medisch-technische toepassing, is een zeer breed veld. Vooral vaak worden COC-kunststoffen gebruikt in de medische technologie – met name in de diagnostiek – omdat ze hoogtransparant zijn, zeer geringe optische anisotropieën vertonen en ook biocompatibel zijn. Wanneer het om massaproducten zoals wegwerpartikelen gaat, worden vooral kosteneffectieve massakunststoffen zoals PP, PE of PS gebruikt, mits de mechanische eigenschappen dat toelaten. Onderdelen met hoge mechanische eisen (bijvoorbeeld in de binnenkant van insulinpennen) worden gemaakt van technische thermoplasten, zoals POM, PA of PPA. Om metalen onderdelen te vervangen, worden vaak technische kunststoffen met hoge vezelgehaltes (glasvezel of koolstofvezel) ingezet. Behuizingsonderdelen worden vooral gemaakt van slagvaste kunststoffen zoals ABS, PC/ABS, polyamiden of PBT.

„Bij de verwerking van verschillende kunststoffen komt het aan op bepaalde technische finesse en trucs om bij elk materiaal het beste resultaat te behalen“, weet Harald Höcherl. Een uitdaging kan bijvoorbeeld een bijzonder kleine onderdeelmaat zijn, waarvoor speciale apparatuur bij de spuitgietmachine nodig is, zoals microspray-eenheden. Bij de transparante COC-kunststoffen is er weer een truc om vergeling te voorkomen; Harald Höcherl: „COC is zeer gevoelig voor zuurstof en bindt zich in de smelttijd daaraan, wat vergeling tot gevolg heeft. Daarom moet het gebied bij de verwerking worden gevuld met stikstof. Zo kan de zuurstof tijdens het smeltproces worden geweerd.“ Daarnaast is COC relatief bros en gevoelig voor spanningsscheuren. Hier komt het vooral aan op sterkere demoldingshoeken. Een andere uitdaging in de kunststofverwerking zijn cleanroom-eisen voor bepaalde diagnostische onderdelen. Afhankelijk van de klantenspecificaties wordt onderzocht welke cleanroomklasse geschikt is voor het betreffende product, of aanvullende kiemtesten nodig zijn, en volgens deze eisen worden de productie- en assemblagecellen cleanroom-proof ingericht.

RKT ondersteunt procesontwikkeling

RKT is onder andere gespecialiseerd in het begeleiden van de procesontwikkeling voor medisch-technische onderdelen tot aan de serieproductie. In het ideale geval wordt eerst een pre-engineering uitgevoerd en een prototype-inrichting gebouwd, wanneer het gaat om het realiseren van complexe geometrieën in kunststof spuitgieten. Op basis van de onderdeelvereisten worden geschikte kunststoffen geadviseerd, geselecteerd en getest in de prototype-inrichting. Met het proefonderdeel kan het product verder worden ontwikkeld en geperfectioneerd. Zo wordt uiteindelijk de serie-inrichting gemaakt, die afhankelijk van de complexiteit een gegarandeerde productie van miljoenen onderdelen kan leveren.

Conclusie: kunststof spuitgieten – efficiënt en waardevol

Voor grote aantallen en soepele processen is kunststof spuitgieten een efficiënt proces om medisch-technische onderdelen kwalitatief hoogwaardig en volgens de hoge medische normen te produceren. Glas heeft op het gebied van transparantie voor optische inspectie zeker voordelen, maar kunststof heeft qua kostenefficiëntie en handling in de serieproductie de voorkeur.