Què és la soldadura per ultrasons?
Una guia per a la fabricació de peces mèdiques
Fa uns dotze anys que fa servir soldadores per ultrasons, sobretot en línies mèdiques. Catèters, jocs IV, carcasses de filtres-que ho dieu. La gent em pregunta tot el temps què és realment la soldadura per ultrasons, i els dic que bàsicament s'utilitza el so per fondre el plàstic. Les vibracions d'alta-freqüència, molt per sobre del que pots escoltar, generen calor de fricció just a l'articulació. Sense cola, sense cargols, sense embolic.
Com funciona la màquina
Quatre peces conformen el sistema. La font d'alimentació pren el corrent de la paret i l'augmenta fins a 20 o 40 kHz-de vegades 15 o 35 segons l'aplicació. El convertidor es troba a la part superior de la pila; Té ceràmica piezoelèctrica a l'interior que converteix el senyal elèctric en moviment físic. El reforç al mig amplifica o amortitza aquest moviment. La banya a la part inferior realment toca la teva part.
La majoria de botigues en les quals he treballat funcionen a 20 kHz per a peces més grans. Quan feu connectors petits o coses de-paret primes, 40 kHz és millor-menys força, més suau amb la geometria delicada. Branson, Dukane, Herrmann-tots fan equipament sòlid. Tria'n un i segueix-hi, sincerament. La corba d'aprenentatge és prou pronunciada sense canviar de plataforma.
Part va a l'aparell, la botzina baixa. La màquina s'activa amb una força o posició predeterminada. Comencen les vibracions. L'energia es concentra a la interfície de l'articulació on teniu el vostre director d'energia o articulació de cisalla. El plàstic es fon en una fracció de segon. La banya manté la pressió mentre el material es refreda. Fet. Feu-ne una prova, passeu a la següent.
Paràmetres del procés
L'amplitud importa més del que la gent s'adona. És el moviment de pic-a-pic a la cara de la banya, mesurat en micres. Normalment 20-100 micres depenent del material i la mida de la junta. He vist a nois manejar l'amplitud per arreglar una soldadura feble quan haurien d'haver mirat la geometria del seu director d'energia. Una amplitud més gran aboca més energia a la peça, és clar, però també corre el risc de cremar-se o marcar-se.
El temps de soldadura de les peces mèdiques és curt. Quart de segon, mig segon. Potser un segon complet en una gran junta de cisalla. Més temps que això i probablement esteu fent alguna cosa malament-o bé el vostre disseny conjunt necessita treballar o el vostre material no és adequat per a ultrasons. He vist gent executar soldadures de dos-segons intentant salvar un mal disseny d'eina. No acaba bé.
El temps de retenció manté la pressió mentre s'instal·la el plàstic. La meitat del temps de soldadura és un bon punt de partida. Talleu-lo massa curt amb niló o PP i l'articulació es separa perquè l'estructura cristal·lina encara no s'ha bloquejat.
La força és més complicada del que sembla. No n'hi ha prou i la banya rebota, et proporciona un contacte inconsistent. Massa i estàs aixafant el director d'energia abans que tingui l'oportunitat de fondre's correctament. Acostumo a començar al voltant de 200-400 N per a peces mèdiques més petites i el marco des d'allà.
Selecció de material
Plàstics amorfs
L'ABS és el material més fàcil de soldar. Període. Bona transmissió d'energia, finestra de procés àmplia, perdona molts pecats. Si esteu fent prototips o ensenyant a algú el procés, comenceu amb ABS. El policarbonat també solda bé, però vés amb compte amb l'estrès residual de l'emmotllament-Al PC li encanta trencar-se a les elevacions d'estrès quan l'impactes amb energia ultrasònica. Tenia un lot de carcasses de diagnòstic esquerdes cada vegada fins que el vam localitzar fins a la ubicació de la porta.
El poliestirè i l'acrílic es comporten bé. CYROLITE apareix molt en els connectors IV i en les aplicacions de contacte-sang. Els materials amorfs es suavitzen gradualment en un rang de temperatura, que és exactament el que voleu. La fusió flueix, mulla la superfície de l'articulació, les cadenes es difonen per la interfície. Netejar les soldadures.
Plàstics semicristal·lins
Ara entrem en un territori difícil. Polipropilè, niló, acetal, polietilè-tots semicristal·lís. Tenen regions moleculars ordenades que dispersen l'energia ultrasònica en lloc de transmetre-la. El punt de fusió agut significa que el material passa de sòlid a líquid ràpidament i, a continuació, torna a solidificar les caigudes de temperatura instantànies. Molt poc temps de treball.
El PP i el PE es troben a tot arreu a les-xeringues mèdiques, envasos i tancaments. Solden, però necessiteu una amplitud més gran, una configuració de camp proper (-banya a prop de la unió) i juntes de cisalla per a qualsevol cosa que requereixi un segell hermètic. Els directors d'energia per si sols no ho tallaran per muntatges de PP estancats-de fuites. He vist massa gent intentar-ho.
El niló absorbeix l'aigua com una esponja. Les peces assegudes al prestatge durant una setmana es soldaran de manera diferent que les peces acabades de sortir de la màquina d'emmotllament. La humitat bull a 100 graus durant el cicle de soldadura i crea porositat a la junta. Assequeu el niló o soldeu-lo ràpidament.
Referència ràpida
| Material | Estructura | Notes | Usos mèdics |
|---|---|---|---|
| ABS | Amorf | Finestra de procés àmplia i tolerant | Carcasses, nanses, cobertes |
| PC | Amorf | Vigila si es trenca l'estrès | Tancaments clars, finestres de diagnòstic |
| PS / PMMA | Amorf | Fàcil de soldar, bona claredat | Contenidors de laboratori, connectors IV |
| PP | Semicristal·lí | Necessita unió de cisalla per a segells | Xeringues, recipients |
| Niló | Semicristal·lí | Assecar abans de soldar | Eines quirúrgiques, peces estructurals |
Sobre la barreja de materials
La gent pregunta sobre la soldadura de plàstics diferents. Resposta curta: majoritàriament no. L'ABS a PC funciona perquè són químicament compatibles-per això existeixen les barreges PC/ABS. Les temperatures de fusió han d'estar a uns 40 graus F entre elles. PP a PE? Oblida't. Sé que totes dues són poliolefines però no s'uniran.
El farciment de vidre canvia les coses. Fins a un 20% en general ajuda-un material més rígid a transmetre millor l'energia. Passat el 30% i no hi ha prou polímer a la interfície de la junta per fer una soldadura decent. Els retardants de flama són un problema. Els lubricants a la superfície són pitjors. Va tenir un problema de contaminació una vegada que es remuntava a l'alliberament de motlles de silicona a les peces d'un proveïdor. Va trigar tres dies a esbrinar-ho.
Disseny conjunt
Tot en la soldadura per ultrasons es redueix al disseny d'unions. Les juntes dolentes no se solden, punt. Podeu modificar els paràmetres durant tot el dia i no solucionarà una geometria fonamentalment defectuosa.
Directors d'Energia
El director d'energia estàndard és una cresta triangular modelada en una superfície d'acoblament. El punt del triangle toca la cara plana oposada. Una petita àrea de contacte significa una alta concentració d'energia. El plàstic es fon ràpidament, flueix per omplir l'articulació. 90 grau inclòs angle per a material amorf. 60 grau per semicristal·lí-punt més afilat compensa la solidificació més ràpida.
Normalment, l'alçada és de 0,5 a 1,0 mm. Peces més petites, ED més petit. L'amplada de la base coincideix amb l'alçada d'un director de 90 graus. Una cosa que veig constantment: el desgast del motlle arrodoneix el director energètic amb el temps. La nova eina fa grans soldadures. Sis mesos després, les soldadures són febles. Comproveu la vostra geometria ED quan això passi.
Pas i llengua-i-Groove
L'articulació del pas afegeix alineació. Una part té un graó elevat, l'altra un rebaix a joc. ED s'asseu al graó. Localització de les peces-automàtiques. Flash entra a l'espai lliure en lloc de fora. Bo per a aplicacions cosmètiques on no voleu línies de soldadura visibles.
La llengüeta-i-la porta més lluny amb una llengüeta que sobresurt que s'ajusta a una ranura. Conté flaix als dos costats. L'inconvenient és que les toleràncies d'eines més estrictes-la distància igual a ambdós costats de la llengua és difícil de subjectar al motlle.
Juntes de cisalla
Les juntes de cisalla no són-negociables per a segells hermètics de peces semicristal·lines. Dues parets amb una lleugera interferència llisquen entre si durant la soldadura. Les parets es fonen quan es telescopi juntes. L'acció contínua d'untar elimina els buits i els camins de fuites.
Els temps de soldadura són 3-4 vegades més llargs que les juntes ED. Més fusió de material, més energia necessària. La interferència sol ser de 0,2-0,4 mm per costat. Massa fluix i no es desfà completament. Massa ajustat i les peces no es munten per soldar. El control dimensional és important.
Carcassa del filtre, dipòsits de fluids, qualsevol cosa que aguanti la pressió-junta de cisalla. Mai he aconseguit un segell hermètic fiable sobre PP només amb un director d'energia. Algunes persones diuen que sí. No ho he vist aturar-se en producció.
Aplicacions en medicina
IV conjunts són el pa i la mantega. Cambres de degoteig, connectors, puntes, ports-tots soldats. Sense adhesius significa que no hi ha problemes de biocompatibilitat per lixiviació o residus. Un sol conjunt IV pot tenir quatre o cinc juntes soldades. Els sistemes rotatius d'alta-velocitat poden funcionar milers per hora.
La filtració és enorme. Filtres de sang, cartutxos de diàlisi, filtres respiratoris. La membrana s'incrusta a la carcassa. La soldadura segella el perímetre sense danyar el medi filtrant. Qualsevol camí de fuita i el filtre és inútil-el fluid passa per alt en comptes de passar. Juntes de cisalla, inspecció 100%, estudis de capacitat de procés. La FDA no s'enganya amb aquestes coses.
El lliurament de medicaments segueix creixent. Bolígrafs d'insulina, auto-injectors, inhaladors. Múltiples subconjunts per dispositiu. Pegats que es poden portar amb segells de membrana fina-aquí és on brillen els sistemes de soldadura torsional. La vibració lineal regular pot perforar pel·lícules primes. El patró d'oscil·lació horitzontal de les unitats de torsió és més suau.
Els cartutxos de diagnòstic funcionen ràpidament. Carcassa de tires de prova, gots de mostres, pous de reactius. Temps de cicle inferiors a un segon. El posicionament és fonamental perquè aquestes peces són petites i les toleràncies són ajustades. La manipulació robòtica alimenta peces a estacions de soldadura dedicades.
Control de Qualitat i Processos
Els soldats moderns ho registren tot. Temps real de soldadura, energia lliurada, potència màxima, distància de col·lapse. Configureu els vostres límits i la màquina marcarà qualsevol cosa fora de la finestra. Executem gràfics SPC a cada articulació crítica. Captura una tendència abans que es converteixi en un rebuig.
La prova d'estirada valida la soldadura. Els accessoris de prova de tracció agafen la peça i mesuren la força de trencament. Executeu mostres a l'inici del torn, periòdicament durant la producció i al final del torn. Proves d'explosió dels conjunts de pressió-sustentant-ompliu-lo, augmenteu la pressió fins que falli, registreu on i a quina PSI.
Les-seccions transversals us indiquen què passa dins de l'articulació. Munteu-lo en epoxi, talleu la soldadura, poliu la superfície, mireu amb augment. La fusió i el flux complets semblen homogenis. La fusió incompleta mostra una interfície visible. La porositat significa humitat o contaminació. Feu-ho durant el desenvolupament per optimitzar els paràmetres. Feu-ho periòdicament en producció per comprovar-ho.
Resolució de problemes
Soldadures febles
El primer que comprovo és la geometria del director d'energia. Agafa una part, mira-la amb augment. La punta és aguda o s'ha arrodonit? Els motlles desgastats arrodoneixen els ED i ningú no se n'adona fins que baixen els números de proves.
El segon és el contacte amb la banya. El contacte desigual significa un lliurament d'energia desigual. La desalineació posa tota l'energia en un costat de l'articulació. Busqueu marques de testimoni a la part-que us indicarà on toca realment la banya.
El tercer és la variació del lot de material. Nou lot de resina, els paràmetres de soldadura que van funcionar ahir no funcionen avui. La trituració a la mescla canvia les característiques del flux. Em vaig cremar una vegada quan un proveïdor va començar a afegir un 15% de trituració sense dir-nos-ho.
El temps entre l'emmotllament i la soldadura també és important. Les peces calentes acabades de sortir de la màquina es comporten de manera diferent que les peces fredes que es van asseure en un contenidor durant la nit. Estandaritzar-lo o ajustar-lo.
Problemes de flaix
Massa flaix normalment significa massa energia. Reduïu primer l'amplitud. A continuació, temps de soldadura. Després força. Una variable a la vegada o mai no sabràs què ho va solucionar realment.
El disseny conjunt també pot ajudar. Les trampes de flaix-un petit rebaix al voltant del perímetre de soldadura-agafen el material desplaçat. Les juntes de pas amaguen el flaix a l'espai lliure. Les solucions integrades-venen a intentar arreglar-ho amb paràmetres.
Esquerdes i danys parcials
El PC s'esquerda a concentracions d'estrès. Cantons pronunciats, vestigis de portes, modelats-a causa de la tensió dels gradients de refredament-tots els llocs potencials d'inici d'esquerdes. De vegades, la solució és canviar els paràmetres d'emmotllament, no els paràmetres de soldadura.
Les parts fredes són trencadisses. El magatzem arriba als 50 graus F a l'hivern, les peces venen fredes, s'esquerden en lloc de fondre's. Deixeu-los escalfar o poseu un escalfador a la línia davant del soldador.
Marques de banya a les superfícies cosmètiques? Baixeu la força del disparador, poliu la cara de la banya o poseu una fina pel·lícula de Mylar entre la banya i la part. La pel·lícula pren l'abús en lloc del plàstic.
Manteniment d'equips
L'estat de la banya ho és tot. Les esquerdes, les picades i les ranures de desgast-tots afecten la transferència d'energia. Inspecció visual diària, comprovació d'impedància setmanal. Una botzina esquerdada sona diferent quan funciona-podeu sentir-la canviar. Substituïu abans que falli catastròficament. He vist banyes esquerdades danyar convertidors i això és una reparació cara.
Els convertidors es degraden amb el temps. La ceràmica piezoeléctrica perd eficiència. La sortida cau prou gradualment que no es nota fins que les soldadures comencen a fallar. El mesurament periòdic de la producció detecta el descens. Substituïu segons un calendari en lloc d'esperar el fracàs.
Desgast dels accessoris. Les peces es troben als mateixos llocs, el plàstic frega contra el metall, les dimensions es desplacen. Comproveu les especificacions del dibuix periòdicament. Reconstrueix o substitueix quan s'obrin les toleràncies. Un accessori desgastat canvia la posició de la peça, la qual cosa canvia la qualitat de la soldadura, i perseguiràs problemes fantasma si no l'agafes.
Notes normatives
La norma ISO 13485 cobreix la gestió de la qualitat dels dispositius mèdics. La validació del procés-IQ, OQ, PQ-demostra que la vostra operació de soldadura fa que un producte sigui acceptable. Documentar-ho tot. El control de canvis s'aplica als paràmetres, eines i materials. Canvieu una cosa sense la documentació adequada i teniu una no conformitat.
La soldadura per ultrasons funciona bé a les sales netes. Sense vapors, partícules mínimes, sense goteig ni esquitxades d'adhesius líquids. L'equip s'integra fàcilment en entorns controlats. Només heu de mantenir el calendari de manteniment i no contamineu les peces amb greix de màquina o oli de tall.
Pensaments de separació
Trieu primer el vostre material segons l'aplicació. A continuació, esbrineu si es solda. ABS i PC us ofereixen la finestra de procés més àmplia. El PP i el niló necessiten més atenció, però són factibles. Juntes de cisalla per a segells hermètics sobre materials semicristal·lins. Directors d'energia per a la majoria de la resta.
Obteniu el vostre disseny conjunt abans de comprar l'eina. Arreglar un mal disseny d'unió després de tallar el motlle és costós i frustrant. Envieu peces de mostra al vostre proveïdor d'equips per a proves de soldadura. Ho fan tot el dia-permet que us ajudin a trobar els paràmetres adequats.
La majoria dels problemes es remunten als principis bàsics: dimensions de les peces, consistència del material, estat de l'equip. Els sistemes de supervisió elegants no ajudaran si el vostre director d'energia està arrodonit o el vostre aparell està desgastat. Domina els fonaments i la resta segueix.