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Mit Ultraschall verschweißt

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Mit Ultraschall verschweißt

Fügetechnik | Mikroschläuche, Pumpen oder große Monitore – Hersteller komplexer Medizintechnik setzen bei der Fertigung verstärkt auf das Fügen von Kunststoffprodukten. Die Auswahl der für die Anwendung besten Fügemethode hat Auswirkung auf Zuverlässigkeit und Qualität des Ergebnisses.

Tom Hoover Branson Ultrasonics, Danbury/USA

Der Einsatz endoskopischer Instrumente erlaubt es einem Chirurgen, während einer orthopädischen Operation das Innere des Knies eines Patienten zu betrachten. Ein mikrofluidisches Produkt macht es möglich, dass ein Arzt schnell eine Krankheit diagnostiziert. In beiden Fällen kommen für das Fügen der Kunststoffe, die zur Herstellung dieser Produkte benötigt werden, unterschiedliche Technologien zum Einsatz. Die Auswahl der besten Fügemethode für die unterschiedlichen Kunststoffanwendungen ist von ganz wesentlicher Bedeutung, wenn es auf Zuverlässigkeit, Leistungsfähigkeit, Qualität und Regelkonformität ankommt. Bei der Auswahl einer Technik ist es wichtig, die Optionen zu prüfen und zu vergleichen, um entscheiden zu können, welche davon für eine bestimmte Anwendung die am besten geeignete ist. Für Anwendungen im Bereich der Medizinprodukte stehen zahlreiche Fügetechnologien zur Verfügung. Zwar ist Ultraschall hier die dominierende Technologie, aber andere Optionen wie Lasersysteme eröffnen neue Möglichkeiten. Und bei vielen Anwendungen stellt der Einsatz einer Kombination von Technologien die beste Lösung dar.
Das Fügen mittels Ultraschall ist eine kosteneffiziente und beliebte Technik. Zu ihren Vorteilen gehören Schnelligkeit, kein Verbrauchsmaterial, wenig oder keine Einrichtungszeit und einfache Integration in Automatisierungssysteme. Dabei kommen eine Reihe von Komponenten zum Einsatz, um mechanische Schwingungen und Kraft auf die Teile zu übertragen. Dies erzeugt Wärme an der Kontaktfläche der zusammenzufügenden Flächen, sodass der Kunststoff aufschmilzt und eine feste Verbindung entsteht.
Bei Medizinprodukten kommt es üblicherweise auf hohe Präzision und partikelfreie Verbindungen an. Andere Fügeverfahren können hier Nachteile aufweisen. Klebstoffe erfordern längere Einrichtungs- und Bearbeitungszeiten und können zu Verunreinigungen führen, insbesondere im Mikrobereich, in dem viele dieser Produkte eingesetzt werden.
Klebstoff, Ultraschall, Vibration – welches Verfahren passt?
Ultraschall bietet bei der Fertigung chirurgischer Instrumente, die normalerweise mithilfe von Schrauben und Lösungsmitteln zusammengefügt werden, Vorteile. Bei Ultraschall erfolgt die Verbindung mit dem Werkstoff des Produkts selbst, ohne Verwendung von Klebstoffen, sodass die Notwendigkeit für Verbrauchsmaterialien entfällt. Außerdem wird bei der Fertigung im Vergleich zu Klebetechniken Zeit eingespart. Das Fügen mittels Ultraschall kommt häufig bei Instrumenten für die minimal-invasive Chirurgie, Kathetern, Kanülen und Luer-Systemen zur Anwendung.
Die Clean-Vibration-Technologie kombiniert die Infrarot- und Vibrationstechnologie und bietet dadurch mehr Möglichkeiten und Anwendungen für ein intelligentes Design von Formteilverbindungen. Der Hauptvorteil von Vibration im Allgemeinen liegt in ihrer Anwendung bei großen Bauteilen (bis zu 1500 mm Länge und 700 mm Breite) und komplexen Geometrien. Sogar Querrippen, die separate Kammern bilden, können geschweißt werden.
Der Vorteil der Clean-Vibration-Technologie liegt in der Vorwärmung der Oberfläche mittels mittelwelliger Infrarot-Strahlung. Dadurch kommt es während der Phasen des Vibrationsschweißens kaum zu Partikelbildung, sodass saubere, extrem feste Verbindungen entstehen, und dies bei einer Verringerung von Eigenspannungen und materialspezifischer Reibung. Diese Technologie wird üblicherweise bei der Herstellung von großen zweiteiligen Systemen wie Patientenmonitoren, Infusionspumpen oder Fluidsammelbehältern eingesetzt.
Das Laserschweißen von Kunststoffen ist eine innovative Schweißtechnik, die auf einem Prinzip beruht, bei dem Laserenergie durch ein Kunststoffteil (das durchlässige Teil) geleitet und von einem zweiten Teil (dem absorbierenden Teil) aufgenommen wird. Diese Absorption führt zur Erwärmung und zum Aufschmelzen der Kontaktfläche, und die Teile werden durch eine kontrollierte Schweißkraft zusammengefügt. Das Fügen mit Laser ist die Technologie der Wahl für das Fügen von Kunststoffen für In-vitro-Diagnostika (IVD) sowie für mikrofluidische Produkte, wie sie beispielsweise bei der Versorgung von Diabetikern Anwendung finden.
Die „Clean-Infrared“-Technologie kann für das saubere Verbinden von kleinen, mittelgroßen und großen Teilen verwendet werden. Es erfolgt eine präzise Plastifizierung mittels berührungsloser Wärmeeinbringung durch mittelwellige Metallfolienemitter (Strahler), die in einem Wellenlängenspektrum emittieren, das dem Absorptionsbereich der meisten üblichen Thermoplasten entspricht. Während des CIT-Prozesses werden die beiden miteinander zu verbindenden Teile wenige Millimeter vom Strahler entfernt in Position gehalten, während dieser dem konturierten Profil der Schweißnaht folgt. Der Strahler schmilzt ausschließlich den Schweißnahtbereich gleichmäßig vor – ohne Beschädigung vormontierter Innenteile. Nach erfolgter Plastifizierung wird der Strahler entfernt und die Bauteil-Hälften werden unter Druck zusammengefügt und können sich wieder verfestigen, was zu einer sauberen, partikelfreien Schweißnaht führt.
Welches Verfahren für eine Anwendung am besten geeignet ist, hängt von der Materialwahl, der Teilegeometrie, der Komplexität des Bauteils, den Wandstärken und Innenwände sowie den Produktionsmengen ab. Um sicherzugehen, dass die geeignete Fügetechnik ausgewählt wird, sollten für neue und modifizierte Medizinprodukte alle Parameter einer eingehenden Bewertung unterzogen werden, einschließlich Design, Materialien, Prototypen und Produktleistung sowie Bearbeitungszeit und Kosten. ■
Auf der Messe K: Halle 11, Stand E57
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