Kein Tröpfchen geht daneben

Für das sichere Befestigen eines Filters mit Rückfluss- verhinderung in einer Tropfkammer wird ein neues torsionales Ultraschall-Reibschweißverfahren eingesetzt. Es soll jetzt das Heißklebeverfahren ablösen.

Tropfkammern kommen in der Medizin bei Infusionen oder zur intra- und postoperativen Blasenspülung zum Einsatz. Mit integrierten Feinfiltern, beispielsweise einer hydrophilen Membran, sollen vor allem zwei Dinge sichergestellt werden: Es darf keine Luft in die stromabwärtigen Schläuche gelangen, und der Rückfluss muss verhindert werden, beziehungsweise die Fließrichtung wird definiert. Die Verbindung zwischen Membranen und Tropfkammer ist dabei entscheidend: Sie muss absolut dicht sein. Des Weiteren darf die Membran bei der Montage nicht beschädigt werden.

Ein namhafter deutscher Medizintechnikhersteller will nun das bisher zur Verbindung von Membran und Tropfkammer verwendete Heißklebeverfahren durch ein neues Ultraschallverfahren ersetzen. Das von der Schweizer Telsonic AG, Bronschhofen, entwickelte torsionale Reibschweißverfahren Soniqtwist arbeitet besonders schonend. „Die Teilebelastung beträgt weniger als 10 Prozent gegenüber herkömmlichem Ultraschallschweißen“, berichtet Georg Lang, Geschäftsführer von Telsonic Deutschland. „Wir haben die Membranen mit Rückflussverhinderung in die Tropfkammern hochdicht verschweißt, ohne dass die empfindliche Mechanik darunter gelitten hat.“

Beim bisherigen Heißklebeverfahren konnte es passieren, dass der Heizstempel beim Fixieren die Membran beschädigte. Außerdem kommt mit dem Klebstoff ein fremder Stoff hinzu. Und obwohl der Prozess aus dieser Sicht betrachtet sehr sicher ist, bleibt dennoch ein ungutes Gefühl dabei. Lösemittel, Klebstoffe und andere Verbindungsmittel könnten die hochempfindlichen Membranen angreifen und eventuell die Funktionalität dieser hochtechnischen Filter beeinträchtigen. Bisher bekannte Ultraschallverfahren waren für den Fügeprozess ungeeignet, da sie nicht so schonend sind.

Das neue torsionale Verfahren kombiniert die Vorteile von Ultraschallschweißen und Reibschweißen und eignet sich für das Fügen von Kunststoffen, aber auch für das Bördeln, Nieten, Trennen oder Feinumformen sowie für das Maß- und Formkalibrieren von Funktionsflächen. Die sehr geringe Belastung der zu verschweißenden Teile schont empfindliche Elektronikbauteile oder innen liegende Feinmechanik, was gerade in der Medizintechnik häufig gefordert wird. Außerdem tritt kein Membraneffekt auf, so dass sich auch Filtermembrane und andere dünne Teile wie Folien damit verschweißen lassen. „Bei Folien sind Kerbeffekt und Materialverdünnung kaum erkennbar“, betont Lang, „weil wir hierbei eine klassische Grenzflächenreibung haben.“ Darüber hinaus ist das Verfahren unempfindlich gegenüber Störmedien in der Schweißnaht. „Wasser, Fett, Silikon, Öl oder anderes könnten das Ergebnis nicht negativ beeinflussen.“

Der Schweißprozess erzeugt hochfeste Verbindungen, die den thermischen Belastungen bei der Sterilisation standhalten. Gerade auch verschiedene, nicht sortenreine Kunststoffe lassen sich mit Soniqtwist sicher verbinden. Bei kleinen Polypropylen-Teilen mit nur 8 mm Durchmesser hat das Verfahren mit hoher Prozesssicherheit und sehr kurzen Zykluszeiten seine Prozesstauglichkeit bereits bewiesen. Entgegen herkömmlicher Reibschweißverfahren wird beim neuen torsionalen Verfahren die Ultraschallenergie nicht longitudinal, sondern torsional eingebracht. Die Sonotrode dreht sich dazu abwechselnd nach links und rechts in einem definierten Winkel – vergleichbar der Kniebewegung beim Twist-Tanz. „Diese Drehbewegung anstelle der vertikalen Bewegung ist hauptverantwortlich für den schonenden Energieeintrag“, erklärt Lang. Trotzdem kann Ultraschall mit einer Leistung von Energie sparenden 500 W bis hohen 10 kW über eine Sonotrode übertragen werden.

Um für die sichere Verbindung der sensiblen Membranen mit den Tropfkammern die richtigen Parameter bezüglich Schweißzeit, Schweißkraft und Schweißamplitude zu finden, wurden viele Versuche durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten, dass ein fest vorgegebener Energiewert und eine bestimmte Amplitude die besten Resultate lieferte. Die inlinefähigen Soniqtwist-Torsionalpressen sind ähnlich aufgebaut wie beim herkömmlichen Ultraschallschweißen – mit Generator, Konverter und Sonotrode – und können in jeder Lage eingebaut werden. Durch den besonderen Aufbau der verschiedenen Einheiten sind Umrüstvorgänge schneller möglich. Mit der Prozessüberwachung über Software konnte auch das Problem der zerstörungsfreien Prüfung gelöst werden: Waren früher nur Stichproben möglich, bei denen der Prüfling zerstört werden musste, bietet heute die Rundum-Überwachung des gesamten Prozesses eine 100-%-Kontrolle.

Nach Abschluss der Versuchsreihen gingen die Prüfmuster an den Kunden. Dort werden die Ergebnisse bewertet. Anschließend soll der Serienanlauf stattfinden, denn „dass der Prozess sicher, serientauglich und wirtschaftlich ist“, darin ist sich Lang sicher.

Eine Herausforderung dürfte noch die Lösung der Handlingproblematik werden, damit die dünnen Membranen exakt zentrisch platziert werden können. Das Einlegen von Hand ist relativ schwierig, weil die Folienplättchen aufgrund statischer Aufladung überall anhaften. Für eine Serienfertigung wäre das zu langsam.

Jürgen Fürst Journalist in Stuttgart