Co to jest zgrzewanie ultradźwiękowe?

Przewodnik po produkcji części medycznych

Od około dwunastu lat prowadzę zgrzewarki ultradźwiękowe, głównie na liniach medycznych. Cewniki, zestawy dożylne, obudowy filtrów-co tylko chcesz. Ludzie cały czas pytają mnie, czym właściwie jest zgrzewanie ultradźwiękowe, a ja odpowiadam, że polega to po prostu na wykorzystaniu dźwięku do topienia plastiku. Wibracje o wysokiej-częstotliwości, znacznie przekraczające to, co słyszysz, generują ciepło tarcia bezpośrednio w stawie. Bez kleju, bez śrub i bez bałaganu.

Jak działa maszyna

System tworzą cztery elementy. Zasilacz pobiera prąd ze ściany i podbija go do 20 lub 40 kHz-czasami 15 lub 35, w zależności od zastosowania. Konwerter znajduje się na szczycie stosu; wewnątrz znajduje się ceramika piezoelektryczna, która zamienia sygnał elektryczny w ruch fizyczny. Wzmacniacz znajdujący się pośrodku wzmacnia lub tłumi ten ruch. Róg na dole faktycznie dotyka twojej części.

Większość warsztatów, w których pracowałem, pracuje z częstotliwością 20 kHz w przypadku większych części. W przypadku małych złączy lub elementów o cienkich-ścianach lepiej jest zastosować częstotliwość 40 kHz-mniejszą siłę i delikatniejszą dla delikatnej geometrii. Branson, Dukane, Herrmann-wszyscy oni produkują solidny sprzęt. Wybierz jedno i trzymaj się go, szczerze. Krzywa uczenia się jest wystarczająco stroma i nie wymaga przełączania platform.

Część wchodzi w osprzęt, klakson opada. Maszyna uruchamia się przy zadanej sile lub pozycji. Zaczynają się wibracje. Energia koncentruje się na złączu, gdzie znajduje się dyrektor ds. energii lub złącze ścinane. Plastik topi się w ułamku sekundy. Róg utrzymuje ciśnienie podczas schładzania materiału. Zrobione. Przetestuj go, przejdź do następnego.

Parametry procesu

Amplituda ma większe znaczenie, niż ludzie zdają sobie sprawę. Jest to ruch-do-od szczytu do czoła rogu, mierzony w mikronach. Zwykle 20-100 mikronów, w zależności od materiału i rozmiaru złącza. Widziałem facetów, którzy kręcili amplitudą, aby naprawić słabą spoinę, podczas gdy powinni byli patrzeć na geometrię swojego dyrektora energetycznego. Wyższa amplituda dostarcza więcej energii do części, ale wiąże się to również z ryzykiem spalenia lub zabrudzeń.

Czas spawania części medycznych jest krótki. Ćwierć sekundy, pół sekundy. Może całą sekundę na dużym złączu ścinanym. Dłużej i prawdopodobnie robisz coś złego-albo Twój projekt złącza wymaga dopracowania, albo Twój materiał nie nadaje się do stosowania w ultradźwiękach. Widziałem ludzi, którzy wykonywali dwu-sekundowe spawanie, próbując uratować zły projekt narzędzia. Nie kończy się dobrze.

Czas utrzymywania utrzymuje nacisk podczas wiązania plastiku. Połowa czasu spawania to przyzwoity punkt wyjścia. Przytnij go zbyt krótko w przypadku nylonu lub PP, a połączenie się rozerwie, ponieważ struktura krystaliczna nie jest jeszcze zamknięta.

Siła jest trudniejsza, niż się wydaje. Za mało i klakson podskakuje, co powoduje niespójny kontakt. Za dużo i zmiażdżysz kierownika energetycznego, zanim zdąży się właściwie stopić. Zwykle zaczynam od około 200–400 N w przypadku mniejszych części medycznych i stamtąd je zwiększam.

Wybór materiału

Amorficzne tworzywa sztuczne

ABS to najłatwiejszy materiał do spawania. Okres. Dobra transmisja energii, szerokie okno procesowe, odpuszcza wiele grzechów. Jeśli prototypujesz lub uczysz kogoś tego procesu, zacznij od ABS. Poliwęglan też dobrze się spawa, ale uważaj na naprężenia resztkowe powstałe podczas formowania.-PC uwielbia pękać w miejscach naprężeń, gdy uderza się w niego energią ultradźwiękową. Za każdym razem pękała partia obudów diagnostycznych, dopóki nie namierzyliśmy lokalizacji bramy.

Styropian i akryl zachowują się dobrze. CYROLITE często pojawia się w złączach IV i aplikacjach do-kontaktu z krwią. Materiały amorficzne miękną stopniowo w pewnym zakresie temperatur, czyli dokładnie tak, jak chcesz. Stop przepływa, zwilża powierzchnię złącza, łańcuchy dyfundują na granicy faz. Czyste spoiny.

Półkrystaliczne tworzywa sztuczne

Teraz wkraczamy na trudny teren. Polipropylen, nylon, acetal, polietylen-wszystkie półkrystaliczne. Mają uporządkowane obszary molekularne, które rozpraszają energię ultradźwiękową zamiast ją przenosić. Ostra temperatura topnienia oznacza, że ​​materiał szybko przechodzi ze stanu stałego w ciecz, a następnie ponownie zestala się przy natychmiastowym spadku temperatury. Bardzo krótki czas pracy.

PP i PE są wszędzie w medycznych-strzykawkach, pojemnikach i zamknięciach. Spawają, ale do wszystkiego, co wymaga hermetycznego uszczelnienia, potrzebna jest większa amplituda, ustawienie w pobliżu pola- (róg blisko złącza) i połączenia ścinane. Sami dyrektorzy ds. energii nie pozwolą sobie na-szczelne zespoły PP. Widziałem zbyt wielu ludzi próbujących.

Nylon chłonie wodę jak gąbka. Części leżące na półce przez tydzień będą się zespawać inaczej niż części świeżo wyjęte z maszyny formierskiej. Wilgoć wrze w temperaturze 100 stopni podczas cyklu spawania i tworzy porowatość w złączu. Wysusz nylon lub szybko go zespawaj.

Szybkie odniesienie

O mieszaniu materiałów

Ludzie pytają o spawanie różnych tworzyw sztucznych. Krótka odpowiedź: w większości nie. ABS na PC działa, ponieważ jest chemicznie kompatybilny,-dlatego istnieją mieszanki PC/ABS. Temperatury topnienia muszą mieścić się w granicach około 40 stopni F od siebie. PP do PE? Zapomnij o tym. Wiem, że oba są poliolefinami, ale nie będą się wiązać.

Szklane wypełnienie zmienia sytuację. Zwykle pomaga nawet 20%-sztywniejszy materiał lepiej przekazuje energię. Powyżej 30% i na styku złącza nie ma wystarczającej ilości polimeru, aby wykonać przyzwoitą spoinę. Środki zmniejszające palność są problemem. Gorsze są smary na powierzchni. Kiedyś wystąpił problem z zanieczyszczeniem, którego przyczyną była uwolniona pleśń silikonowa na częściach dostawcy. Rozpracowanie tego zajęło trzy dni.

Wspólny projekt

Wszystko w spawaniu ultradźwiękowym sprowadza się do projektowania połączeń. Złe złącza nie spawają się, kropka. Możesz zmieniać parametry przez cały dzień i nie naprawi to zasadniczo wadliwej geometrii.

Dyrektorzy ds. Energii

Standardowy dyrektor energii to trójkątny grzbiet uformowany w jedną współpracującą powierzchnię. Punkt trójkąta dotyka płaskiej przeciwległej powierzchni. Mała powierzchnia styku oznacza dużą koncentrację energii. Tworzywo sztuczne topi się szybko, wypływa, aby wypełnić spoinę.. 90 stopień zawiera się pod kątem dla substancji amorficznych,. 60 stopień dla substancji półkrystalicznych,-ostrzejszy punkt kompensuje szybsze krzepnięcie.

Wysokość wynosi zazwyczaj od 0,5 do 1,0 mm. Mniejsze części, mniejszy ED. Szerokość podstawy odpowiada wysokości reżysera 90 stopni. Jedno, co widzę stale: zużycie pleśni z biegiem czasu zaokrągla dyrektora energetycznego. Nowe narzędzie wykonuje doskonałe spoiny. Sześć miesięcy później spoiny są słabe. Kiedy to nastąpi, sprawdź geometrię ED.

Krok i język-i-wpust

Złącze stopniowe dodaje wyrównania. Jedna część posiada podwyższony stopień, druga pasujące wgłębienie. ED siedzi na stopniu. Samodzielne-lokowanie części. Flash idzie do prześwitu, zamiast na zewnątrz. Dobry do zastosowań kosmetycznych, gdzie nie chcesz widocznych linii spawów.

Język-i-wpust posuwają się dalej dzięki wystającemu pióru pasującemu do rowka. Zawiera błysk po obu stronach. Wadą są mniejsze tolerancje oprzyrządowania-równy luz po obu stronach pióra jest trudny do utrzymania w formie.

Połączenia ścinane

Połączenia ścinane-nie podlegają negocjacjom w przypadku hermetycznych uszczelek na częściach półkrystalicznych. Dwie ściany z niewielkim wciskiem przesuwają się obok siebie podczas spawania. Ściany topią się, gdy łączą się teleskopowo. Ciągłe działanie rozmazujące eliminuje puste przestrzenie i ścieżki wycieków.

Czasy zgrzewania są 3-4 razy dłuższe niż w przypadku połączeń ED. Więcej topienia materiału, potrzeba więcej energii. Interferencja wynosi zazwyczaj 0,2–0,4 mm na stronę. Zbyt luźne i nie roztopi się całkowicie. Zbyt ciasne i części nie będą montowane do spawania. Kontrola wymiarowa ma znaczenie.

Obudowy filtrów, zbiorniki płynu, wszystko, co utrzymuje złącze-ciśnieniowe. Nigdy nie udało mi się uzyskać niezawodnego, hermetycznego uszczelnienia PP w pojedynkę z dyrektorem ds. energii. Niektórzy twierdzą, że tak. Nie widziałem, żeby to się utrzymało w produkcji.

Zastosowania w medycynie

Zestawy IV to chleb powszedni. Komory kroplowe, złącza, kolce, porty-wszystko spawane. Brak klejów oznacza brak problemów związanych z biokompatybilnością związanych z wymywaniem lub pozostałościami. Pojedynczy zestaw kroplówek może mieć cztery lub pięć połączeń spawanych. Wysoko-systemy obrotowe mogą pracować tysiące na godzinę.

Filtracja jest ogromna. Filtry do krwi, wkłady do dializ, filtry oddechowe. Membrana zostaje wtopiona w obudowę. Spaw uszczelnia obwód bez uszkadzania materiału filtrującego. Jakakolwiek droga wycieku i filtr są bezużyteczne.-płyn omija zamiast przechodzić. Połączenia ścinane, 100% kontrola, badania możliwości procesu. FDA nie miesza się z tymi sprawami.

Liczba dostaw leków stale rośnie. Wstrzykiwacze do insuliny,-automatyczne wstrzykiwacze, inhalatory. Wiele podzespołów na urządzenie. Nadające się do noszenia łatki z cienkimi uszczelkami membranowymi-właśnie tam wyróżniają się systemy zgrzewania skrętnego. Regularne wibracje liniowe mogą przebić cienkie folie. Poziomy wzór oscylacji jednostek skrętnych jest łagodniejszy.

Wkłady diagnostyczne działają szybko. Obudowy pasków testowych, kubki na próbki, studzienki na odczynniki. Czas cyklu poniżej sekundy. Pozycjonowanie ma kluczowe znaczenie, ponieważ te części są małe, a tolerancje wąskie. Zrobotyzowana obsługa dostarcza części do dedykowanych stanowisk spawalniczych.

Kontrola jakości i procesu

Współcześni spawacze rejestrują wszystko. Rzeczywisty czas spawania, dostarczona energia, moc szczytowa, odległość załamania. Ustaw swoje limity, a maszyna oznaczy wszystko za oknem. Prowadzimy wykresy SPC dla każdego krytycznego połączenia. Złap trend, zanim stanie się odrzuceniem.

Test rozciągania potwierdza spoinę. Przyrządy do badania rozciągania chwytają część i mierzą siłę zrywającą. Wykonuj próbki na początku zmiany, okresowo w trakcie produkcji i na końcu zmiany. Próba rozrywająca-zespołów utrzymujących ciśnienie-napełnij go, zwiększaj ciśnienie aż do awarii, zapisz, gdzie i przy jakim PSI.

Przekroje-pokazują, co dzieje się wewnątrz złącza. Zamontuj w żywicy epoksydowej, przetnij spoinę, wypoleruj powierzchnię, obejrzyj w powiększeniu. Całkowity stop i płynność wyglądają jednorodnie. Niekompletna fuzja pokazuje widoczny interfejs. Porowatość oznacza wilgoć lub zanieczyszczenie. Zrób to podczas programowania, aby zoptymalizować parametry. Wykonuj to okresowo w środowisku produkcyjnym, aby to zweryfikować.

Rozwiązywanie problemów

Słabe spoiny

Pierwszą rzeczą, którą sprawdzam, jest geometria dyrektora energetycznego. Chwyć część i obejrzyj ją w powiększeniu. Czy ostrze jest ostre, czy zaokrąglone? Zużyte formy uzupełniają ED i nikt tego nie zauważa, dopóki liczba testów rozciągania nie spadnie.

Drugi to kontakt z klaksonem. Nierówny kontakt oznacza nierówne dostarczanie energii. Niewspółosiowość powoduje przeniesienie całej energii na jedną stronę stawu. Poszukaj znaków świadków na tej części,-pokażą ci, gdzie właściwie dotyka klakson.

Trzecia to zmienność partii materiału. Nowa partia żywicy, parametry spawania, które działały wczoraj, dzisiaj nie działają. Przemiał w mieszance zmienia charakterystykę przepływu. Raz się tym spalił, gdy dostawca zaczął dodawać 15% przemiału, nie informując nas o tym.

Czas między formowaniem a spawaniem również ma znaczenie. Gorące części, świeżo zdjęte z maszyny, zachowują się inaczej niż zimne części, które leżały przez noc w koszu. Standaryzuj to lub dostosuj do tego.

Problemy z Flashem

Zbyt dużo błysku zwykle oznacza zbyt dużo energii. Najpierw zmniejsz amplitudę. Następnie czas spawania. Potem na siłę. Jedna zmienna na raz, inaczej nigdy nie dowiesz się, co właściwie to naprawiło.

Wspólny projekt również może być pomocny. Wypływka zatrzymuje-niewielkie wgłębienie na obwodzie spoiny-wychwytuje przemieszczony materiał. Połączenia schodkowe ukrywają wypływ w szczelinie prześwitowej. Wbudowane-rozwiązania przewyższają próbę naprawienia tego za pomocą parametrów.

Pęknięcie i uszkodzenie części

PC pęka przy koncentracji naprężeń. Ostre narożniki, pozostałości bram,-odformowane pod wpływem naprężeń spowodowanych gradientami chłodzenia-wszystkie potencjalne miejsca inicjacji pęknięć. Czasami rozwiązaniem jest zmiana parametrów formowania, a nie parametrów spawania.

Zimne części są kruche. Zimą w magazynie osiąga 50 stopni F, części stają się zimne i zamiast się topić, pękają. Pozwól im się rozgrzać lub umieść grzejnik w linii przed spawaczem.

Ślady klaksonu na powierzchniach kosmetycznych? Zmniejsz siłę spustu, wypoleruj powierzchnię tuby lub umieść cienką warstwę mylaru pomiędzy tubą a częścią. Film zamiast plastiku podejmuje nadużycia.

Konserwacja sprzętu

Stan klaksonu jest wszystkim. Pęknięcia, wżery i rowki spowodowane zużyciem-wszystko wpływa na przenoszenie energii. Codziennie sprawdzaj wzrokowo, co tydzień sprawdzaj impedancję. Pęknięty klakson brzmi inaczej po uruchomieniu-można usłyszeć, jak się zmienia. Wymień, zanim ulegnie katastrofalnej awarii. Widziałem pęknięte rogi uszkadzające konwertery, a to droga naprawa.

Konwertery z czasem ulegają degradacji. Ceramika piezoelektryczna traci wydajność. Wydajność spada stopniowo na tyle, że nie można tego zauważyć, dopóki spoiny nie zaczną pękać. Okresowy pomiar produkcji wychwytuje spadek. Wymień zgodnie z harmonogramem, zamiast czekać na awarię.

Oprawy zużywają się. Części znajdują się w tych samych miejscach, plastik ociera się o metal, wymiary się zmieniają. Okresowo sprawdzaj specyfikacje rysunkowe. Odbuduj lub wymień, gdy tolerancje się otworzą. Zużyty uchwyt zmienia położenie części, co zmienia jakość spoiny, a jeśli go nie wyłapiesz, będziesz gonił za fantomowymi problemami.

Uwagi dotyczące przepisów

ISO 13485 obejmuje zarządzanie jakością wyrobów medycznych. Walidacja procesu-IQ, OQ, PQ-pokazuje, że Twoja operacja spawania konsekwentnie zapewnia akceptowalny produkt. Dokumentuj wszystko. Kontrola zmian dotyczy parametrów, oprzyrządowania, materiałów. Zmień jedną rzecz bez odpowiedniej dokumentacji i otrzymasz niezgodność.

Zgrzewanie ultradźwiękowe dobrze sprawdza się w pomieszczeniach czystych. Brak oparów, minimalna ilość cząstek, brak ciekłych klejów kapiących lub rozpryskujących się. Sprzęt łatwo integruje się z kontrolowanymi środowiskami. Wystarczy przestrzegać harmonogramu konserwacji i nie zanieczyszczać części smarem maszynowym lub olejem do cięcia.

Rozstanie z myślami

Najpierw wybierz materiał w oparciu o zastosowanie. Następnie sprawdź, czy się spawa. ABS i PC zapewniają najszersze okno procesowe. PP i nylon wymagają więcej uwagi, ale są wykonalne. Złącza ścinane do uszczelnień hermetycznych w materiałach półkrystalicznych. Dyrektorzy ds. energii w większości pozostałych kwestii.

Uzyskaj projekt złącza tuż przed zakupem oprzyrządowania. Naprawa złego projektu złącza po wycięciu formy jest kosztowna i frustrująca. Wyślij próbki części do dostawcy sprzętu w celu przeprowadzenia prób spawania. Robią to cały dzień.-Pozwól im pomóc w znalezieniu odpowiednich parametrów.

Większość problemów ma swoje korzenie w podstawach: wymiarach części, konsystencji materiału, stanie sprzętu. Fantazyjne systemy monitorowania nie pomogą, jeśli Twój dyrektor ds. energii jest zaokrąglony lub Twoja oprawa jest zużyta. Opanuj podstawy, a reszta nastąpi.