An die Bedienoberflächen medizinischer Geräte werden hohe Anforderungen gestellt. Neben dem Wunsch nach einer einfachen Bedienbarkeit müssen die Oberflächen leicht zu reinigen sein, um den hohen Hygienestandards in den unterschiedlichen Umgebungen zu entsprechen – vom Einsatz beim Patienten zu Hause bis hin zur Intensivstation oder dem Operationssaal. Die Multifunctional Surface Technologie eröffnet den Herstellern von Medizinprodukten hier neue Chancen. Bedieneinheiten elektrischer Medizingeräte stellen in jeder Umgebung bis hin zu Sterilbereichen ein Risiko dar. An den Übergängen von Schaltern, Tasten und Regelknöpfen zur Bedienfront setzen sich leicht Keime und Schmutzpartikel fest, die sich nur schwer entfernen lassen.

Einbaufertige Funktionsbauteile in einem Schritt

Um eine durchgängig geschlossene, ebenmäßige Oberfläche zur Bedienung zu erhalten, wird oft eine Folientastatur verwendet. Doch diese erweist sich in der Praxis häufig als wenig robust und damit im Grunde als ein zusätzlicher Risikofaktor.

Auf der Suche nach Alternativen nehmen die Produktdesigner jetzt neue Verbundtechnologien auf Basis kapazitiver Elektronik ins Visier. Ihr Vorbild ist die Automobilindustrie, wo bereits erste Anwendungen entwickelt und umgesetzt wurden.

Die Basis für die Herstellung multifunktionaler Oberflächen bilden Folien, auf die durch Bedrucken, Maskieren und Metallisieren Sensoren und Leiterbahnen aufgebracht wurden. Diese Folien lassen sich dreidimensional formen, beschneiden und schließlich mit Thermoplast über- oder hinterspritzen.

Auf diese Weise ersetzt kapazitive Elektronik mechanische Schalter, Tasten und Regelknöpfe. Die Bedienelemente verschwinden unter einer geschlossenen, ebenmäßigen und langfristig widerstandsfähigen Oberfläche. Da die Lage der Sensoren dank der flexiblen Druckproduktion in weiten Grenzen frei gewählt werden kann, und sich die Folien nahezu beliebig formen lassen, eröffnet die Technologie ein sehr hohes Maß an Designfreiheit. Usability und Ergonomie können im Produktdesign stärker als bisher berücksichtigt werden. Auf seinem Symposium im Juni 2012 präsentierte der Spritzgießmaschinenbauer Engel Austria eine erste seriennahe Anwendung.

Im Automobilbau schon seriennahe Anwendungen

Auf einer Duo 350 Spritzgießmaschine mit Wendeplatte und Kombinationswerkzeug wurden Pkw-Mittelkonsolen mit multifunktionaler Oberfläche hergestellt. Dabei wurde von einem Roboter eine kapazitive, dreidimensional vorgeformte Folie in das Werkzeug eingelegt und im Clearmelt Verfahren mit PC/ABS überspritzt und mit Polyurethan überflutet. Die Polyurethan-Deckschicht dient zum Schutz der Oberfläche und sorgt zudem für eine hochwertige Anmutung.

Die Fertigungszelle machte dabei vor allem eines deutlich: Diese Technologie bietet nicht nur sehr gute Voraussetzungen zur Entwicklung idealer Bedienoberflächen, sondern erreicht zudem eine hohe Produktionseffizienz. In nur einem Arbeitsschritt entstehen ausgehend von kapazitiven Folien und Kunststoffgranulat einbaufertige Funktionsbauteile. Im Vergleich zur Herstellung herkömmlicher Bedieneinheiten, wo oft mehr als 100 Kleinteile einzeln produziert und montiert werden müssen, reduziert diese Technologie die Herstellungskosten für die Pkw-Mittelkonsolen um mindestens 30 Prozent. Hinzu kommt die deutliche Produktivitätssteigerung durch den Wegfall der sich als Produktionsschritt normalerweise anschließenden Montage.

Erkenntnisse auf die Medizintechnik übertragen

Das rasant steigende Interesse der Medizintechnik rührt vor allem daher, dass die Technologie verschiedenen Anforderungen auf einmal gerecht wird. Die strengen Hygieneanforderungen lassen sich leichter erfüllen – und das zu deutlich niedrigeren Herstellungskosten. Gemeinsam mit seinen Partnern – darunter Plastic Electronic, Linz, Österreich – arbeitet der Maschinenhersteller aus Schwertberg daran, die Erkenntnisse aus der Automobilindustrie auf Anwendungen in der Medizintechnik zu übertragen und die Technologie für diese Branche weiterzuentwickeln. Ein wichtiges Thema ist dabei aktuell die Sterilisierbarkeit der Bauteile.

Für die Automobilindustrie wurden erfolgreiche Funktionstests für Temperaturen zwischen -40 und +85 °C durchgeführt. Für die Medizintechnik geht es jetzt darum, dieses Temperaturspektrum nach oben zu erweitern, denn das Potenzial in der Medizintechnik ist groß. Prinzipiell eignet sich die Multifunctional Surface Technologie für alle elektrischen medizintechnischen Geräte, die in hohen Stückzahlen gefertigt werden, wie zum Beispiel Blutzuckermessgeräte, Insulin- und Infusionspumpen oder Atemtherapiesysteme, aber auch für Bedieneinheiten in Operationssälen.

 

Technik im Detail

Multifunctional Surface

Der Begriff Multifunctional Surface steht für einen neuartigen Technologieverbund. Durch die Kombination von Spritzgießtechnik und Mechatronik lassen sich Kunststoffoberflächen mit elektronischer Intelligenz funktionalisieren. Kapazitive Sensoren machen es möglich. Diese nutzen das Prinzip der elektrischen Kapazität, der Wechselwirkung zwischen zwei Raumpunkten, wie sie im elektrischen Kraftfeld zwischen zwei Elektroden vorhanden ist. Die elektrischen Flusslinien innerhalb des elektrischen Felds können durch Annäherung eines leitenden Objekts verändert werden, zum Beispiel durch Fingerkuppen. Die kapazitiven Sensoren erfassen diese Veränderungen und reagieren mit einer Spannungsänderung, die als Funktionsauslöser genutzt werden kann. Da die Feldlinien nichtleitende Festkörper durchdringen, funktioniert der Sensoreffekt auch aus der Distanz im Verbund mit einer dünnen Deckschicht, zum Beispiel einem Thermoplast, sowie beim Bedienen mit Handschuhen.

Autor

Über den Autor

Christoph Lhota ist Leiter des Geschäftsbereichs Medical und Michael Fischer ist Verkaufsleiter Technologien, beide bei Engel Austria, Schwertberg, Österreich. Christoph.Lhota@engel.at