Ce este sudarea cu ultrasunete?

Un ghid pentru fabricarea de piese medicale

Conduc sudori cu ultrasunete de vreo doisprezece ani, mai ales pe linii medicale. Catetere, seturi intravenoase, carcase de filtru-cum ar fi. Oamenii mă întreabă tot timpul ce este de fapt sudarea cu ultrasunete, iar eu le spun că practic folosește sunetul pentru a topi plasticul. Vibrațiile de înaltă-frecvență, mult peste ceea ce puteți auzi, generează căldură de frecare chiar la articulație. Fără lipici, fără șuruburi, fără mizerie.

Cum funcționează mașina

Patru piese alcătuiesc sistemul. Sursa de alimentare preia curentul de perete și îl crește până la 20 sau 40 kHz-uneori 15 sau 35, în funcție de aplicația dvs. Convertorul se află deasupra stivei; are ceramică piezoelectrică în interior care transformă semnalul electric în mișcare fizică. Boosterul din mijloc fie amplifică, fie atenuează acea mișcare. Cornul din partea de jos îți atinge de fapt partea.

Majoritatea magazinelor în care am lucrat rulează 20 kHz pentru piese mai mari. Când faceți conectori minusculi sau chestii-perete subțiri, 40 kHz este mai bine-forță mai mică, mai blând cu geometria delicată. Branson, Dukane, Herrmann-toți fac echipamente solide. Alege unul și rămâi cu el, sincer. Curba de învățare este suficient de abruptă fără a schimba platforma.

O parte merge în dispozitiv, claxonul coboară. Mașina se declanșează la o forță sau o poziție prestabilită. Încep vibrațiile. Energia se concentrează la interfața articulației unde aveți directorul de energie sau articulația de forfecare. Plasticul se topește într-o fracțiune de secundă. Cornul menține presiunea în timp ce materialul se răcește. Făcut. Testați-l, treceți la următorul.

Parametrii procesului

Amplitudinea contează mai mult decât își dau seama oamenii. Este mișcarea de la vârf-la-la fața cornului, măsurată în microni. De obicei, 20-100 microni, în funcție de material și dimensiunea îmbinării. I-am văzut pe tipi acționând amplitudinea pentru a repara o sudură slabă când ar fi trebuit să se uite la geometria directorului de energie. Amplitudine mai mare aruncă mai multă energie în piesă, desigur, dar riscă și să se ardă sau să se marcheze.

Timpul de sudare a pieselor medicale este scurt. Un sfert de secundă, jumătate de secundă. Poate o secundă întreagă pe o îmbinare mare de forfecare. Mai mult decât atât și probabil că faceți ceva greșit-fie proiectarea îmbinării necesită lucrări, fie materialul dvs. nu este potrivit pentru ultrasunete. Am văzut oameni care execută suduri de două-secunde încercând să salveze un design prost de sculă. Nu se termină bine.

Timpul de menținere menține presiunea în timp ce plasticul se instalează. Jumătate din timpul de sudură este un punct de plecare decent. Tăiați-l prea scurt pe nailon sau PP și îmbinarea se desprinde deoarece structura cristalină nu s-a blocat încă.

Forța este mai complicată decât pare. Nu este suficient și claxonul sare, vă oferă contact inconsecvent. Prea mult și zdrobiți directorul de energie înainte ca acesta să aibă șansa să se topească corect. Încep de obicei în jurul valorii de 200-400 N pentru piese medicale mai mici și apelez de acolo.

Selectia materialelor

Materiale plastice amorfe

ABS-ul este cel mai ușor de sudat. Perioadă. Transmitere bună a energiei, fereastră largă de proces, iartă multe păcate. Dacă faceți prototipuri sau învățați pe cineva procesul, începeți cu ABS. Policarbonatul se sudează și el bine, dar aveți grijă la stresul rezidual de la turnare-PC-ului îi place să crape la ridicările de tensiune atunci când îl lovești cu energie ultrasonică. Aveam un lot de carcase de diagnosticare fisurate de fiecare dată până când l-am urmărit până la locația porții.

Polistirenul și acrilul se comportă frumos. CYROLITE apare foarte mult în conectorii IV și în aplicațiile de-sânge. Materialele amorfe se înmoaie treptat într-un interval de temperatură, care este exact ceea ce îți dorești. Topitura curge, umezește suprafața îmbinării, lanțurile difuzează peste interfață. Curățați sudurile.

Materiale plastice semicristaline

Acum ajungem pe teritoriul dificil. Polipropilenă, nailon, acetal, polietilenă-toate semicristaline. Au regiuni moleculare ordonate care împrăștie energia ultrasonică în loc să o transmită. Punctul de topire ascuțit înseamnă că materialul trece rapid de la solid la lichid, apoi resolidifică scăderea instantanee a temperaturii. Timp de lucru foarte mic.

PP și PE sunt peste tot în seringi-medicale, containere și dispozitive de închidere. Ele sudează, dar aveți nevoie de o amplitudine mai mare, o configurație aproape-de câmp (corn aproape de îmbinare) și îmbinări de forfecare pentru orice necesită o etanșare ermetică. Numai directorii de energie nu o vor tăia pentru ansambluri PP etanșe-scurgeri. Am văzut prea mulți oameni încercând.

Nailonul absoarbe apa ca un burete. Piesele care stau pe raft timp de o săptămână se vor suda diferit față de piesele proaspăt scoase din mașina de turnat. Umiditatea fierbe la 100 de grade în timpul ciclului de sudare și creează porozitate în îmbinare. Uscați-vă nailonul sau sudați-l rapid.

Referință rapidă

Despre amestecarea materialelor

Oamenii întreabă despre sudarea materialelor plastice diferite. Răspuns scurt: în mare parte nu. ABS la PC funcționează deoarece sunt compatibile chimic-de aceea există amestecuri PC/ABS. Temperaturile de topire trebuie să fie la aproximativ 40 de grade F una de alta. PP la PE? Uită-l. Știu că ambele sunt poliolefine, dar nu se vor lega.

Umplerea de sticlă schimbă lucrurile. Până la 20% ajută, de obicei,-materialul mai rigid să transmită mai bine energia. Trecuți de 30% și nu există suficient polimer la interfața îmbinării pentru a face o sudură decentă. Ignifugele sunt probleme. Lubrifianții de la suprafață sunt mai rău. A avut o problemă de contaminare odată ce se datora eliberării mucegaiului de silicon pe piesele unui furnizor. A durat trei zile să-mi dau seama.

Proiectarea comună

Totul în sudarea cu ultrasunete se reduce la proiectarea îmbinărilor. Îmbinările proaste nu se sudează, punct. Puteți modifica parametrii toată ziua și nu va repara o geometrie fundamental defectuoasă.

Directori de energie

Directorul de energie standard este o creastă triunghiulară turnată într-o suprafață de împerechere. Punctul triunghiului atinge fața opusă plată. O zonă mică de contact înseamnă o concentrație mare de energie. Plasticul se topește rapid, curge afară pentru a umple îmbinarea. 90 unghiul de grade inclus pentru materiale amorfe. 60 grade pentru punctul mai ascuțit-semicristalin compensează solidificarea mai rapidă.

Înălțimea este de obicei între 0,5 și 1,0 mm. Piese mai mici, ED mai mic. Lățimea bazei se potrivește cu înălțimea pentru un director de 90 de grade. Un lucru pe care îl văd în mod constant: uzura mucegaiului completează directorul energetic în timp. Un nou instrument face suduri grozave. Șase luni mai târziu, sudurile sunt slabe. Verificați-vă geometria ED când se întâmplă asta.

Pas și Limbă-și-Canelura

Îmbinarea pasului adaugă aliniere. O parte are o treaptă ridicată, cealaltă o nișă potrivită. ED se așează pe treaptă. Piese auto-localizate. Flash intră în spațiul liber în loc de exterior. Bun pentru aplicații cosmetice în care nu doriți linii de sudură vizibile.

Limbă-și-canelura duce mai departe cu o limbă proeminentă care se potrivește într-o canelură. Conține blitz pe ambele părți. Dezavantajul este că toleranțele sculelor mai strânse-un spațiu egal de pe ambele părți ale limbii este greu de ținut în matriță.

Îmbinări de forfecare

Îmbinările de forfecare nu sunt-negociabile pentru etanșările ermetice ale pieselor semicristaline. Doi pereți cu interferențe ușoare alunecă unul pe lângă celălalt în timpul sudării. Pereții se topesc în timp ce se telescopează împreună. Acțiunea continuă de pete elimină golurile și căile de scurgere.

Timpul de sudură este de 3-4 ori mai lung decât îmbinările ED. Se topește mai mult material, este necesară mai multă energie. Interferența este de obicei de 0,2-0,4 mm pe latură. Prea slăbit și nu te topești complet. Prea strâns și piesele nu se vor asambla pentru sudare. Controlul dimensional contează.

Carcase de filtru, rezervoare de lichid, orice ținând presiune-articulație de forfecare. Nu am obținut niciodată un sigiliu ermetic de încredere pe PP doar cu un director energetic. Unii oameni susțin că au. Nu l-am văzut rezistând în producție.

Aplicații în domeniul medical

Seturile IV sunt pâine și unt. Camere de picurare, conectori, vârfuri, porturi-toate sudate. Fără adezivi înseamnă că nu există probleme de biocompatibilitate cu privire la leșiere sau reziduuri. Un singur set IV poate avea patru sau cinci îmbinări sudate. Sistemele rotative-de mare viteză pot rula mii pe oră.

Filtrarea este uriașă. Filtre de sânge, cartușe de dializă, filtre respiratorii. Membrana este încorporată în carcasă. Sudarea etanșează perimetrul fără a deteriora mediul filtrant. Orice cale de scurgere și filtrul este inutil-fluidul ocolește în loc să treacă prin. Îmbinări de forfecare, inspecție 100%, studii de capacitate de proces. FDA nu se încurcă cu chestiile astea.

Livrarea medicamentelor continuă să crească. Stilouri cu insulină, auto-injectoare, inhalatoare. Mai multe subansambluri pe dispozitiv. Petice purtabile cu etanșări subțiri cu membrană-acolo strălucesc sistemele de sudare prin torsiune. Vibrațiile liniare regulate pot perfora peliculele subțiri. Modelul de oscilație orizontală al unităților de torsiune este mai blând.

Cartușele de diagnosticare funcționează rapid. Carcase pentru benzi de testare, cupe de probă, godeuri de reactivi. Timpi de ciclu sub o secundă. Poziționarea este critică, deoarece aceste părți sunt mici și toleranțele sunt strânse. Manipularea robotizată alimentează piesele către stațiile de sudare dedicate.

Controlul calității și al proceselor

Sudorii moderni înregistrează totul. Timpul real de sudare, energia furnizată, puterea de vârf, distanța de colaps. Stabilește-ți limitele și mașina semnalează orice în afara ferestrei. Executăm diagrame SPC pe fiecare articulație critică. Prinde o tendință înainte de a deveni un respingere.

Testarea la tragere validează sudarea. Dispozitivele de testare la tracțiune prind piesa și măsoară forța de rupere. Preluați mostre la începutul schimbului, periodic pe parcursul producției, la sfârșitul schimbului. Testarea la explozie pentru ansambluri de-reținere a presiunii-umpleți-l, creșteți presiunea până când eșuează, înregistrați unde și la ce PSI.

Secțiunile transversale-vă spun ce se întâmplă în interiorul articulației. Montați-l în epoxid, tăiați prin sudură, lustruiți suprafața, priviți sub mărire. Topirea și curgerea completă arată omogenă. Fuziunea incompletă arată o interfață vizibilă. Porozitatea înseamnă umiditate sau contaminare. Faceți acest lucru în timpul dezvoltării pentru a optimiza parametrii. Faceți-o periodic în producție pentru a verifica.

Depanare

Suduri slabe

Primul lucru pe care îl verific este geometria directorului energetic. Luați o parte, priviți-o cu mărire. Vârful este ascuțit sau s-a rotunjit? Formele uzate rotunjesc ED-urile și nimeni nu observă până când numărul testelor de tracțiune scade.

Al doilea este contactul cu claxonul. Contactul neuniform înseamnă livrarea neuniformă a energiei. Nealinierea pune toată energia pe o parte a articulației. Căutați semne de martori pe partea-vă va spune unde se atinge de fapt cornul.

În al treilea rând este variația lotului de materiale. Lotul nou de rășină, parametrii de sudură care au funcționat ieri nu funcționează astăzi. Remacinarea în amestec modifică caracteristicile de curgere. Am fost ars de asta o dată când un furnizor a început să adauge 15% remacinat fără să ne spună.

Timpul dintre turnare și sudare contează și el. Piesele fierbinți proaspăt ieșite din mașină se comportă diferit față de părțile reci care au stat într-un coș peste noapte. Standardizați-l sau ajustați-l pentru el.

Probleme cu blițul

Prea mult flash înseamnă de obicei prea multă energie. Reduceți mai întâi amplitudinea. Apoi timpul de sudare. Apoi forta. O variabilă la un moment dat sau nu îți vei da seama niciodată ce a remediat-o de fapt.

Designul articulațiilor poate ajuta și el. Capcanele cu fulger-o mică adâncitură în jurul perimetrului de sudură-captează materialul deplasat. Îmbinările treptei ascund fulgerul în spațiul liber. Soluțiile încorporate-depășesc încercarea de a o remedia cu parametri.

Crăpare și deteriorare a părților

PC-ul se sparge la concentrații de stres. Colțuri ascuțite, vestigii de porți, turnate-în stres de la gradienții de răcire-toate locurile potențiale de inițiere a fisurilor. Uneori, soluția este modificarea parametrilor de turnare, nu a parametrilor de sudare.

Părțile reci sunt casante. Depozitul atinge 50 de grade F iarna, piesele vin la rece, crapă în loc să se topească. Lăsați-le să se încălzească sau puneți un încălzitor în linie înaintea sudorului.

Urme de corn pe suprafețele cosmetice? Reduceți forța de declanșare, lustruiți fața cornului sau puneți o peliculă subțire de Mylar între corn și piesă. Filmul preia abuzul în loc de plastic.

Întreținerea echipamentelor

Starea claxonului este totul. Crăpăturile, gropile, canelurile de uzură-toate afectează transferul de energie. Inspectare vizuală zilnic, verificare săptămânală a impedanței. Un claxon crăpat sună diferit când pornește-puteți auzi cum se schimbă. Înlocuiți înainte de a se defecta catastrofal. Am văzut coarnele crăpate deteriorează convertoarele și asta este o reparație costisitoare.

Convertizoarele se degradează în timp. Piezoceramica își pierde eficiența. Ieșirea scade suficient de treptat încât să nu observi până când sudurile încep să cedeze. Măsurarea periodică a producției surprinde declinul. Înlocuiți după un program, în loc să așteptați eșecul.

Corpurile de uzură. Piesele stau în aceleași locuri, plasticul se freacă de metal, dimensiunile se deplasează. Verificați periodic cu specificațiile desenului. Reconstruiți sau înlocuiți atunci când toleranțele se deschid. Un dispozitiv de fixare uzat schimbă poziția piesei, ceea ce schimbă calitatea sudurii și veți urmări probleme fantomă dacă nu îl prindeți.

Note de reglementare

ISO 13485 acoperă managementul calității pentru dispozitivele medicale. Validarea procesului-IQ, OQ, PQ-demonstrează că operația dvs. de sudare face în mod constant un produs acceptabil. Documentează totul. Controlul modificărilor se aplică parametrilor, sculelor, materialelor. Schimbați un lucru fără documentație adecvată și aveți o neconformitate.

Sudarea cu ultrasunete funcționează bine în camerele curate. Fără vapori, particule minime, fără adezivi lichidi care picură sau stropi. Echipamentul se integrează cu ușurință în medii controlate. Păstrați doar programul de întreținere și nu contaminați piesele cu unsoare de mașină sau ulei de tăiere.

Gânduri de despărțire

Alegeți mai întâi materialul pe baza aplicației. Atunci află dacă se sudează. ABS și PC vă oferă cea mai largă fereastră de proces. PP și nailon au nevoie de mai multă atenție, dar sunt realizabile. Îmbinări de forfecare pentru etanșări ermetice pe materiale semicristaline. Directori de energie pentru aproape orice altceva.

Obțineți designul îmbinării chiar înainte de a cumpăra sculele. Repararea unui design prost al îmbinării după tăierea matriței este costisitoare și frustrantă. Trimiteți eșantion de piese furnizorului dumneavoastră de echipamente pentru teste de sudare. Ei fac asta toată ziua-lăsați-i să vă ajute să găsiți parametrii potriviți.

Cele mai multe probleme provin din elementele de bază: dimensiunile pieselor, consistența materialului, starea echipamentului. Sistemele de monitorizare sofisticate nu vă vor ajuta dacă directorul de energie este rotunjit sau dispozitivul dumneavoastră este uzat. Stăpânește elementele fundamentale și restul urmează.