Gibt es eine bessere Möglichkeit, medizinische tragbare Komponenten zu schweißen?

2. November 2022 Von MDO Contributors Network

Spritzenfilter enthalten dünne Membranen, die bei Beschädigung beim Zusammenbau unbrauchbar werden würden. [Foto mit freundlicher Genehmigung von Emerson]

David Devine, Branson Welding and Assembly, Medizin bei Emerson

Technologie und Marktnachfrage drängen Designer und Hersteller dazu, medizinische Geräte zu entwickeln, die immer kleiner und kompakter sind. Der Miniaturisierungstrend gilt insbesondere für tragbare Geräte, die zur Medikamentenverabreichung und Patientenüberwachung eingesetzt werden. Der Zusammenbau dieser Kunststoffkomponenten, insbesondere derjenigen mit winzigen Filtern, die häufig in tragbaren Geräten verwendet werden, stellt besondere Herausforderungen dar.

Es gibt viele Möglichkeiten, Kunststoffe zu verbinden, darunter Ultraschallschweißen, Laserschweißen sowie Stauch- und Stauchungsverfahren, bei denen Ultraschall oder Wärmetechnik zum Einsatz kommt. Die zunehmende Miniaturisierung führt jedoch dazu, dass die zusammenzubauenden Teile sehr zerbrechlich sein können und höchste Sorgfalt erfordern, um Schäden beim Schweißen oder Vernieten zu vermeiden.

Die in medizinischen Anwendungen verwendeten Filtermedien – typischerweise aus Polymeren wie Polypropylen-Vlies (PP) oder Polyethylenterephthalat (PET) – sind normalerweise in einem Kunststoffrahmen oder -gehäuse versiegelt. Während ein größeres Gerät möglicherweise Filter mit einem Durchmesser von einem Zoll oder mehr und einer Dicke von 0,010 Zoll oder mehr aufnehmen kann, haben die Strukturen in Wearables möglicherweise nur einen Durchmesser von 0,1 bis 0,25 Zoll und eine Dicke von 0,005 Zoll oder weniger. Die meisten Hersteller würden Ultraschallschweißen verwenden, wenn sie könnten, da es schnell, kontrollierbar und wirtschaftlich ist. Allerdings können die dadurch verursachten Vibrationen in manchen Fällen dünne oder zerbrechliche Filtermembranen beschädigen. Selbst das Äquivalent einer Lochblende würde die Filter wertlos machen.

Um Schäden zu vermeiden, suchen Hersteller von Miniaturfiltern und ähnlichen Produkten nach Alternativen zum Ultraschall und ziehen zunehmend thermische Verfahren in Betracht. Es ist möglich, thermische Werkzeuge so zu konstruieren, dass sie Wärme und Druck auf den gesamten Umfang eines Filters anwenden und ihn so in einem Schritt mit seinem Gehäuse verbinden. Da es sich bei der thermischen Versiegelung um einen vibrationsfreien Prozess handelt, wird das Risiko der Entstehung von Nadellöchern im Filter eliminiert. Das Ergebnis ist ein hochwertiges Siegel.

Herkömmliche thermische Versiegelung im stationären Zustand funktioniert in dieser Hinsicht einwandfrei. Ein Hersteller kann Thermodichtungen relativ schnell und kostengünstig herstellen, ohne dass eine arbeitsintensive mechanische Befestigung, teure Klebebefestigungsprozesse oder die Vibration von Ultraschall erforderlich sind. Allerdings hat das Verfahren seine Tücken hinsichtlich der Wiederholbarkeit von Zyklus zu Zyklus und der Prozesskontrolle. Während sich die Designs weiterentwickeln und immer empfindlichere Komponenten in die neuesten Geräte eingebaut werden, haben die Hersteller festgestellt, dass das thermische Abstecken einige technische und kontrolltechnische Einschränkungen mit sich bringt.

Ein neuerer Ansatz von Emerson namens PulseStake geht auf viele dieser Bedenken ein. Die PulseStake-Technologie hat nachweislich eine ebenso gute oder sogar bessere Leistung als bestehende stationäre thermische Prozesse und ist selbst für die anspruchsvollsten Filteranwendungen problemlos anwendbar. Es kann mit mehreren, eng beieinander liegenden Merkmalen an geometrisch komplexen Teilen arbeiten, einschließlich solcher mit ansonsten schwierigen Winkeln und Ebenen, und kann Verbindungen auf einem breiteren Spektrum von Kunststoffen herstellen als herkömmliches Heißnieten.

Die PulseStaking-Spitzen sind sowohl zum Heizen als auch zum Kühlen ausgestattet und verwalten die Spitzen- und Versiegelungstemperatur präzise, ​​bis jede Versiegelung abgeschlossen ist. [Illustration mit freundlicher Genehmigung von Emerson]

Dieser Betriebsablauf ist viel besser kontrollierbar als der einer herkömmlichen thermischen Einheit. Bei stationärer thermischer Versiegelung steht das Werkzeug immer unter Strom, wodurch Wärmeenergie verschwendet wird und ein größerer CO2-Fußabdruck entsteht. Darüber hinaus befindet sich der Absteckprozess nie wirklich in einem stabilen Zustand. Jeder Zyklus entzieht dem Werkzeug Wärme, die dann vor dem nächsten Zyklus wiederhergestellt werden muss. Wenn in den Prozess keine ausreichende Aufwärmzeit eingebaut ist, kann die Schweißtemperatur variieren und ein oder zwei Grad können den Unterschied zwischen einem guten Teil und einem Ausschuss ausmachen.

Beim PulseStaking hingegen durchlaufen die Spitzen einen Zyklus aus mehreren Erwärmungs-, Abkühlungs- und Pausen- oder „Verweil“-Intervallen, um eine Überhitzung zu verhindern und die Spitzen- und Versiegelungstemperatur präzise zu steuern, bis jede Versiegelung abgeschlossen ist. Somit hängt die Zykluskonsistenz nicht von der Temperatur des Werkzeugs zu Beginn des Zyklus ab.

Die mit den meisten medizinischen Geräten, einschließlich Wearables, verbundenen Volumina belaufen sich oft auf Hunderte Millionen. Folglich werden Fertigungslinien wahrscheinlich stark automatisiert sein. Medizinische Anwendungen – wie das Einschließen von Filtermedien in ein Gehäuse für ein tragbares medizinisches Gerät – erfordern typischerweise komplexe Herstellungsprozesse. Nach der Filterversiegelung wird es wahrscheinlich nachgelagerte Tests geben, beispielsweise eine maschinelle Bildverarbeitungs-Qualitätsprüfung. Letztlich sind zusätzliche Prozesse erforderlich, um das Filterelement in das größere Bauteil einzubauen. Daher sind Zykluskonsistenz und Temperaturkontrolle entscheidend für die Effizienz und Wiederholbarkeit jedes mehrstufigen Hochgeschwindigkeitsprozesses. Schwankungen im Versiegelungsprozess führen zu erhöhtem Ausschuss und dem Risiko eines fehlerhaften Produkts sowie zu längeren Zykluszeiten.

Die Automatisierung kann auch die Anpassung des PulseStaking-Prozesses an eine bestimmte Anwendung erfordern. Heizspitzen sind in vielen Standard- und kundenspezifischen Formen erhältlich und können einzeln oder – wenn es die Produktion und die Zykluszeiten erfordern – dicht in größeren Werkzeugen gruppiert werden, die mehrere Vorgänge gleichzeitig ausführen können. Darüber hinaus ermöglichen die lokalisierten Heizeigenschaften jeder Spitze, wie oben erwähnt, Versiegelungsvorgänge auf komplexen oder abgewinkelten Oberflächen, in unmittelbarer Nähe zu wärmeempfindlichen Komponenten wie Leiterplatten und können sogar in tiefe Hohlräume oder andere schwer zugängliche Bereiche vordringen - Zugriff auf Bereiche ohne das Risiko einer unbeabsichtigten Strahlungserwärmung, selbst wenn Werkzeuge oder Spitzen sehr nahe an Nichtzieloberflächen oder wärmeempfindlichen Komponenten vorbeikommen.

Da sich medizinische Geräte ständig weiterentwickeln und immer komplexer und kompakter werden, werden Verbindungstechnologien, die winzige, dünne und empfindliche Komponenten wie Filterelemente aufnehmen können, immer wichtiger.

David Devine ist Business Development Manager, Medical, Branson Welding and Assembly bei Emerson. [Foto mit freundlicher Genehmigung von Emerson]

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