Що таке ультразвукове зварювання?

Керівництво з виробництва медичних деталей

Уже близько дванадцяти років я працюю апаратами ультразвукового зварювання, в основному на медичних лініях. Катетери, крапельниці, корпуси фільтрів-що завгодно. Люди весь час запитують мене, що таке ультразвукове зварювання, і я кажу їм, що це в основному використання звуку для плавлення пластику. Високочастотні-вібрації, які значно перевищують те, що ви можете почути, створюють тепло тертя прямо в суглобі. Ні клею, ні гвинтів, ні безладу.

Як працює машина

Чотири частини складають систему. Джерело живлення приймає струм вашої стіни та підвищує його до 20 або 40 кГц-іноді 15 або 35 залежно від вашої програми. Конвертер знаходиться на вершині стека; всередині нього є п’єзоелектрична кераміка, яка перетворює електричний сигнал у фізичний рух. Підсилювач посередині або підсилює, або пригнічує цей рух. Ріг у нижній частині фактично торкається вашої частини.

Більшість магазинів, у яких я працював, працюють на частоті 20 кГц для більших деталей. Коли ви робите крихітні роз’єми чи тонкі -штуки, 40 кГц краще-з меншою силою, ніжніше для делікатної геометрії. Бренсон, Дюкейн, Геррманн-усі вони роблять надійне обладнання. Виберіть один і дотримуйтесь його, чесно. Крива навчання досить крута без зміни платформи.

Частина йде в кріплення, рупор опускається. Машина спрацьовує з попередньо встановленою силою або положенням. Починаються вібрації. Енергія зосереджується на межі з’єднань, де ви маєте свій енергетичний напрям або зсувне з’єднання. Пластик плавиться за частки секунди. Ріг утримує тиск, поки матеріал охолоджується. Готово. Перевірте його, перейдіть до наступного.

Параметри процесу

Амплітуда має більше значення, ніж люди усвідомлюють. Це переміщення від-до-піка на торці рупору, виміряне в мікронах. Зазвичай 20-100 мікрон залежно від матеріалу та розміру шва. Я бачив, як хлопці крутили амплітуду, щоб виправити слабкий зварний шов, хоча їм слід було дивитися на свою геометрію енергорежисера. Звісно, ​​вища амплітуда передає більше енергії в деталь, але це також ризик опіків або плям.

Час зварювання медичних деталей скорочується. Чверть секунди, півсекунди. Можливо, ціла секунда на великому зрізному з’єднанні. Більше того, ймовірно, ви робите щось не так-або ваш дизайн суглоба потребує доопрацювання, або ваш матеріал не підходить для ультразвуку. Я бачив, як люди зварювали дві-секунди, намагаючись врятувати погану конструкцію інструменту. Не закінчується добре.

Час витримки підтримує тиск, поки пластик схоплюється. Половина вашого часу на зварювання — гідна відправна точка. Розріжте його надто коротко на нейлоні або ПП, і з’єднання розійдеться, оскільки кристалічна структура ще не зафіксована.

Сила хитріша, ніж здається. Недостатньо, і гудок відскакує, дає вам непостійний контакт. Занадто багато, і ви руйнуєте енергетичний директор, перш ніж він матиме шанс розплавитися належним чином. Я зазвичай починаю приблизно з 200-400 Н для менших медичних частин і набираю його звідти.

Вибір матеріалу

Аморфні пластики

АБС найпростіший для зварювання. Крапка. Хороша передача енергії, широке вікно процесу, прощає багато гріхів. Якщо ви створюєте прототип або навчаєте когось процесу, почніть з ABS. Полікарбонат також добре зварюється, але слідкуйте за залишковою напругою від формування-Комп’ютер любить тріскатися на стійках напруги, коли ви вдаряєте по ньому ультразвуковою енергією. Кожного разу ламалася партія діагностичних кожухів, доки ми не відстежили їх назад до розташування воріт.

Пінополістирол і акрил поводяться добре. CYROLITE часто з’являється в з’єднувачах для внутрішньовенного введення та в -контактних програмах. Аморфні матеріали поступово розм’якшуються в певному температурному діапазоні, і це саме те, що вам потрібно. Розплав тече, змочує поверхню з’єднання, ланцюжки дифундують по поверхні розділу. Чисті зварні шви.

Напівкристалічні пластмаси

Тепер ми потрапляємо на складну територію. Поліпропілен, нейлон, ацеталь, поліетилен-усі напівкристалічні. У них є впорядковані молекулярні області, які розсіюють ультразвукову енергію, а не передають її. Різка точка плавлення означає, що матеріал швидко переходить із твердого стану в рідкий, а потім повторно затвердіває при миттєвих падіннях температури. Дуже мало робочого часу.

PP і PE всюди в медичних-шприцах, контейнерах, кришках. Вони зварюють, але для всього, що потребує герметичного ущільнення, вам потрібна більша амплітуда, налаштування в ближньому-польовому режимі (розпірка близько до з’єднання) і з’єднання на зріз. Лише директори з питань енергетики не ріжуть це для-непроникних вузлів ПП. Я бачив, як багато людей намагаються.

Нейлон вбирає воду як губка. Деталі, що лежать на полиці протягом тижня, будуть зварюватися інакше, ніж деталі, щойно зняті з формувальної машини. Волога закипає при 100 градусах під час циклу зварювання та створює пористість у з’єднанні. Швидко висушіть нейлон або зваріть його.

Короткий довідник

Про змішування матеріалів

Люди запитують про зварювання різнорідних пластмас. Коротка відповідь: переважно ні. ABS і PC працюють, оскільки вони хімічно сумісні-ось чому існують суміші PC/ABS. Температури танення мають бути в межах приблизно 40 градусів F одна від одної. PP до PE? Забудь це. Я знаю, що вони обидва поліолефіни, але вони не з’єднуються.

Скляне наповнення змінює речі. До 20 % зазвичай допомагає-твердішому матеріалу краще передавати енергію. Понад 30 %, і на межі з’єднання недостатньо полімеру, щоб зробити гідне зварювання. Антипірени - біда. Змащення на поверхні гірше. Одного разу виникла проблема із забрудненням, пов’язана з випуском силіконової форми на деталі постачальника. Знадобилося три дні, щоб зрозуміти.

Спільний дизайн

Все в ультразвуковому зварюванні зводиться до дизайну з’єднання. Погані з’єднання не зварюються, і крапка. Ви можете налаштовувати параметри цілий день, і це не виправить фундаментально помилкову геометрію.

Енергетичні директори

Стандартний енергетичний директор являє собою трикутний виступ, сформований в одну сполучну поверхню. Країна трикутника торкається плоскої протилежної грані. Мала контактна площа означає високу концентрацію енергії. Пластик швидко плавиться, витікає, щоб заповнити шви. 90 градус включений кут для аморфного матеріалу. 60 градус для напівкристалічного-гостріша точка компенсує швидше твердіння.

Висота зазвичай коливається від 0,5 до 1,0 мм. Менші частини, менший ED. Ширина основи відповідає висоті напрямної 90 градусів. Одну річ я постійно спостерігаю: зношення цвілі з часом зменшує енергодиректор. Новий інструмент робить чудові зварні шви. Через півроку зварні шви слабкі. Коли це станеться, перевірте свою геометрію ED.

Step and Tongue-and-Groove

Крокове з’єднання додає вирівнювання. Одна частина має підвищену сходинку, інша – відповідну виїмку. ED сідає на сходинку. Само-розташування частин. Спалах йде в зазор, а не назовні. Добре підходить для косметичних застосувань, де не потрібні видимі лінії зварювання.

Язичок-і-розширюється завдяки виступаючому язику, який вставляється в паз. Містить спалах з обох сторін. Недоліком є ​​більш жорсткі допуски для інструментів-однаковий зазор з обох боків язичка важко утримувати у формі.

Зсувні з'єднання

Зрізні з’єднання не-підлягають обговоренню для герметичного ущільнення напівкристалічних частин. Дві стінки з невеликими перешкодами ковзають одна повз одну під час зварювання. Стіни тануть, коли вони зближуються. Постійне розмазування усуває порожнечі та шляхи витоку.

Час зварювання триває в 3-4 рази довше, ніж з’єднання ED. Чим більше плавиться матеріал, тим більше енергії потрібно. Перешкода зазвичай становить 0,2-0,4 мм на кожну сторону. Занадто пухкий, і ви не отримаєте повного розплавлення. Занадто туго, і деталі не збираються для зварювання. Контроль розмірів має значення.

Корпуси фільтрів, резервуари для рідини, будь-що, що підтримує тиск-зсув. Я жодного разу не отримував надійного герметика на ПП одним енергодиректором. Деякі люди стверджують, що мають. Я не бачив, щоб це витримало виробництво.

Застосування в медицині

IV набори - це хліб з маслом. Зливні камери, з’єднувачі, шипи, порти-все зварене. Відсутність клеїв означає відсутність занепокоєння щодо біосумісності щодо вимивання чи залишків. Один комплект IV може мати чотири або п'ять зварних з'єднань. Високошвидкісні-роторні системи можуть працювати тисячі за годину.

Фільтрація величезна. Фільтри для крові, діалізні картриджі, дихальні фільтри. Мембрана вбудовується в корпус. Зварний шов ущільнює периметр, не пошкоджуючи фільтруючий матеріал. Будь-який шлях витоку та марний фільтр-рідина обходить, а не проходить. Зсувні з’єднання, 100% перевірка, дослідження можливостей процесу. FDA не займається цим.

Доставка ліків продовжує зростати. Інсулінові ручки, авто-ін’єктори, інгалятори. Кілька вузлів на пристрій. Зношувані накладки з тонкими мембранними ущільнювачами-ось де сяють торсійні системи зварювання. Регулярна лінійна вібрація може пробити тонкі плівки. Горизонтальна картина коливань торсіонних вузлів більш м’яка.

Діагностичні картриджі працюють швидко. Корпуси для тест-смужок, чашки для зразків, лунки для реактивів. Тривалість циклу менше секунди. Позиціонування має вирішальне значення, оскільки ці деталі маленькі, а допуски жорсткі. Роботизоване транспортування подає деталі на спеціальні зварювальні станції.

Контроль якості та процесу

Сучасні зварювальники все фіксують. Фактичний час зварювання, доставлена ​​енергія, пікова потужність, відстань згортання. Встановіть обмеження, і машина позначатиме будь-що за вікном. Ми запускаємо діаграми SPC для кожного критичного з’єднання. Зловіть тенденцію, перш ніж вона стане відхиленою.

Випробування на розтягування підтверджує зварювання. Пристосування для випробування на розтяг захоплюють деталь і вимірюють силу розриву. Виконуйте проби на початку зміни, періодично протягом виробництва, наприкінці зміни. Випробування на розрив для-вузлів утримання тиску-заповніть його, збільшуйте тиск, доки він не вийде, запишіть, де та на якому PSI.

Поперечні-зрізи повідомляють вам, що відбувається всередині суглоба. Вмонтуйте його в епоксидну смолу, проріжте зварний шов, відполіруйте поверхню, подивіться під збільшенням. Повне розплавлення і течія виглядають однорідними. Неповне злиття показує видимий інтерфейс. Пористість означає вологість або забруднення. Зробіть це під час розробки, щоб оптимізувати параметри. Робіть це періодично у виробництві для перевірки.

Усунення несправностей

Слабкі зварні шви

Перше, що я перевіряю, це геометрія енергетичного директора. Візьміть частину, подивіться на неї під збільшенням. Кінець гострий чи закруглений? Зношені форми закруглюють EDs, і ніхто не помічає, доки показники тесту на розтягування не впадуть.

По-друге, це звуковий контакт. Нерівномірний контакт означає нерівномірну подачу енергії. Зміщення спрямовує всю енергію на одну сторону суглоба. Шукайте сліди свідків на частині-вони скажуть вам, куди насправді торкається гудок.

По-третє, варіація партії матеріалу. Нова партія смоли, параметри зварювання, які працювали вчора, сьогодні не працюють. Повторне подрібнення в суміші змінює характеристики потоку. Одного разу обпікся на цьому, коли постачальник почав додавати 15% помелу, не повідомляючи нам.

Час між формуванням і зварюванням також має значення. Гарячі деталі, щойно зняті з машини, поводяться інакше, ніж холодні деталі, які пролежали в смітнику протягом ночі. Стандартизуйте його або пристосуйте до нього.

Проблеми зі спалахом

Забагато спалаху зазвичай означає забагато енергії. Спочатку зменште амплітуду. Потім час зварювання. Тоді силою. Одна змінна за раз, або ви ніколи не зрозумієте, що насправді це виправило.

Спільний дизайн також може допомогти. Уловлювачі спалаху-невелике заглиблення навколо периметра зварювання-уловлюють зміщений матеріал. Східчасті з'єднання приховують спалах у зазорі. Вбудовані-рішення перемагають спроби виправити це за допомогою параметрів.

Розтріскування та пошкодження деталей

ПК розтріскується при концентрації напруги. Гострі кути, залишки воріт, сформовані-під впливом градієнтів охолодження-усі потенційні місця виникнення тріщин. Іноді виправленням є зміна параметрів формування, а не параметрів зварювання.

Холодні частини крихкі. Взимку температура на складі досягає 50 градусів F, деталі надходять холодними, вони тріскаються, а не плавляться. Дайте їм нагрітися або поставте обігрівач у лінію перед зварювальником.

Рогові сліди на косметичних поверхнях? Зменште силу спуску, відполіруйте поверхню ріжка або покладіть тонку лавсанову плівку між рогом і деталлю. Плівка знімає наругу замість пластику.

Технічне обслуговування обладнання

Стан рогу - це все. Тріщини, виїмки, зношені борозенки-впливають на передачу енергії. Візуальний огляд щодня, перевірка опору щотижня. Тріснутий ріг звучить інакше, коли він біжить-ви можете почути, як він змінюється. Замініть, поки він не вийде з ладу. Я бачив, як тріснуті гудки пошкоджують конвертери, і це дорогий ремонт.

Перетворювачі з часом погіршуються. П'єзокераміка втрачає ефективність. Вихід падає настільки поступово, що ви не помічаєте, доки зварні шви не почнуть виходити з ладу. Періодичне вимірювання виходу фіксує падіння. Замінюйте за розкладом, а не чекайте відмови.

Знос світильників. Деталі сидять на тих самих місцях, пластик треться об метал, розміри дрейфують. Періодично перевіряйте специфікації креслень. Відновіть або замініть, коли відкриються допуски. Зношене пристосування змінює положення деталі, що змінює якість зварювання, і ви будете переслідувати фантомні проблеми, якщо цього не помітите.

Нормативні примітки

ISO 13485 охоплює управління якістю медичних пристроїв. Перевірка процесу-IQ, OQ, PQ-демонструє, що ваша зварювальна операція постійно створює прийнятний продукт. Документуйте все. Контроль змін стосується параметрів, інструментів, матеріалів. Змініть одну річ без належної документації, і ви отримаєте невідповідність.

Ультразвукове зварювання добре працює в чистих приміщеннях. Відсутність випарів, мінімальна кількість частинок, відсутність крапель або бризок рідкого клею. Обладнання легко інтегрується в контрольоване середовище. Просто дотримуйтеся графіку технічного обслуговування та не забруднюйте деталі машинним мастилом або оливою.

Прощальні думки

Спершу виберіть матеріал відповідно до програми. Тоді з’ясуйте, чи він зварюється. ABS і ПК дають вам найширше вікно процесу. ПП і нейлон потребують більше уваги, але вони здійсненні. З’єднання на зріз для герметичного ущільнення напівкристалічних матеріалів. Енергетичні директори майже для всього іншого.

Ознайомтеся з дизайном з’єднання безпосередньо перед покупкою інструменту. Виправляти погану конструкцію з’єднання після того, як форму вирізали, дорого і неприємно. Надішліть зразки деталей своєму постачальнику обладнання для випробувань зварювання. Вони роблять це цілий день-допоможіть вам знайти правильні параметри.

Більшість проблем сходять до основ: розміри деталей, консистенція матеріалу, стан обладнання. Модні системи моніторингу не допоможуть, якщо ваш енергодиректор заокруглений або ваш світильник зношений. Опануйте основи, а решту слідує.