如何使超声波焊机应对医疗加工的挑战

作者:Rinco Ultrasonics Stephen Potpan 文章来源:PT塑料网 发布时间:2021-05-20
​新的超声波技术可以满足小型复杂医用零部件中焊缝的高可重复性和高一致性要求。请遵循以下这些忠告,确保你的设备能满足这些市场要求。

目前,各种医疗器械已在全世界范围内大量使用,它们包括药物输送设备、矫形外科手术器械、胸腔引流管和导管等等,由于医疗器械变得越来越复杂和精巧,因此超声波焊接在医疗行业中正扮演着日益重要的角色。这些医疗器械越来越多地由更小、更轻的塑料部件组成,并且可能包含对连接过程提出附加要求的其他组件。尽管可以考虑使用更传统的连接方法,但是加工商们发现超声波焊接具有明显的优势。

为了满足医疗行业的高标准,超声波焊接制造商们正在开发独特的技术,满足在这些更小型、更复杂系统中对可重复且一致的焊缝的全部要求,包括洁净室技术。这意味着依靠验证用记录软件和质量监控软件,可以实现更高质量的焊接结果、精心挑选的工具材料以及绝对的过程控制。专家项目管理是基于ISO 13485和ISO 9001的认证。

对快速交货和高度复杂的焊接应用的需求在不断增长,这使焊接制造商们发展了新的能力。为了做到对医疗客户的文档、测试和其他关键程序功能的完全控制,供应商已将超声工具转移到内部,例如Rinco公司的超声波设备(如图1所示)。

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图1 Rinco公司的Electric Motion 20 kHz台式焊机带有发生器和控制器,它被用于焊接医用听诊器

材料、部件设计扮演关键角色 

医疗器械连接的关键技术考虑因素包括材料、工艺参数和部件设计。无定形材料(如ABS、PS和PC)由于其熔点特性,往往更容易焊接。它们逐渐软化,从其刚性状态到达玻璃化转变,然后变为橡胶态,接着再变为真正的熔融态。它们的固化也是渐进的。

同时,尼龙、PP和PE等半结晶材料具有明确的熔点,需要更多的能量才能实现熔融。固化也同样如此。

在确定了适用的材料后,部件需要采用适当的接头设计。例如焊接后用于气密密封的剪切接头,或将两个部件粘合在一起的一个简单能量导向器。超声波焊接供应商可以根据所使用的材料和最终产品的功能来评估适合该应用的超声波工具设计。

目前,复杂的医疗器械都有许多内部零部件,采用超声波焊接和符合人体工程学的设计要求(使医生或外科医生感到舒适)也使超声波工具变得更加复杂。超声波应用不仅需要适合部件,还需要有适当数量的输出振幅来使材料熔融。 

解决焊头问题       

图2展示了一个典型的复杂的超声波焊头,它由一个大型母焊头和13个扩展焊头(通常称为复合焊头)组成。扩展焊头的轮廓经过铣削来匹配部件的细节,并且要求每个扩展器在规定的时间内被定位在正确的位置,以获得在部件上的适当接触。

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图2 这种多元件焊头是由母焊头和几个扩展器组成,用于焊接医用听诊器

当把这种类型的焊头用于医疗部件时,可能会出现许多故障问题需要排除:

1.一个常见的焊头问题是部件上的迹印,它可以从小划痕到材料变色。部件迹印可能是成型部件中尺寸变化或在成型过程中添加添加剂的结果。建议加工者检查部件尺寸和成型条件。

2.另一个问题可能是部件与焊头之间的对准。对于所有的焊头,焊头与部件和固定装置之间的对准至关重要。如果复合焊头上的扩展器未对准,则可能需要重新对准工具。检查扩展器并进行适当地调整。

3.磨损或接触固定装置的面上不存在部件而造成的焊头面损坏也可能产生迹印或零部件失效。未涂层的(未加工)铝制焊头会释放出氧化铝并在部件上造成黑色残留物,这在白色和浅色部件上最常见。这可以通过对铝制焊头进行电镀或硬涂层阳极化以避免铝的氧化来解决。 

解决噪声问题

通常情况下,焊头可以正常运行一段时间,但它可能会缓慢产生高音调噪声。这时就需要检查由转换器、增压器和焊头组成的堆叠组件了(如图3所示)。卸下这个叠件,每个组件都要得到检查。

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图3 堆叠组件包含一个转换器,它从发生器获取电能并将其转换为机械运动;增压器(中间部件),它可调节转换器的机械运动;以及针对应用订制的超声焊头

接下来,查看配对螺栓(每个组件之间的螺纹杆),看它们是否松动或破裂。可以将它们取出并用外用酒精擦拭,然后用干净的干燥压缩空气吹扫。还建议使用外用酒精和尼龙刷清理螺栓孔。配合面也可用干净的干燥空气吹扫。如果任何一个配合表面都显示出有迹印或小划痕,则可以使用600粒度的湿/干砂纸进行轻微打磨。切记要轻轻打磨,避免产生裂缝和使配合表面不平行。在极端情况下,可能需要机加工配合面。

噪声问题还可能与堆叠组件未按制造商规定的转矩拧紧有关。堆叠组件松动或组件拧得过紧都会引起噪声问题。如果噪声是由焊机产生的,并且使操作员不舒服,那么建议使用隔音罩。噪声问题普遍存在于较大的部件中以及在将黄铜件通过超声波插入塑料外壳的应用中。

如果发生器产生一个焊头故障或频率错误,请检查堆叠组件是否有松动或螺栓是否损坏。如果焊头处于原始位置(不接触部件),请确定是否可以进行超声波测试。如果是这样的话,请按发生器上的测试按钮以查看焊头是否在空气中运转。如果不运转,请拆卸堆叠组件,然后重试。如果在超声波测试期间发生器再次出错,请试用备用焊头,然后看问题是否自行解决。如果没有解决,则问题可能出在转换器或增压器上。

如果备用焊头起作用,那应该检查原来焊头的表面是否有裂纹或损坏。裂纹有时很容易发现,而其他缺陷则可能在内部发生。如果焊头没有运转并且没有裂纹的迹象,则需要通过焊头分析仪对焊头进行进一步测试。焊头分析仪可以更好地判断焊头是否破裂。例如,读数为19750 Hz的20 kHz焊头将证明该焊头已破裂。诊断焊头破裂的另一个方法是使用一种化学染料系统。 

解决过热        

一个变脏的焊头、部件材料或焊头设计不良都可能会导致热量积聚。大多数热量积聚的问题都来自应用的速度,因为超声过程是基于摩擦的,摩擦会产生热量,使塑料能够熔融然后粘合。更换一种更宽容的材料可以减少热量积聚。也可以考虑采用新的焊头设计。

增加冷却通常可以解决热量问题。清洁的干燥压缩空气可吹到焊头表面和堆叠组件的配对接头上。通常,仅3~5 psi(0.3~0.5MPa)的压缩空气就足以减少焊头和堆叠件中的热量。请记住,如果一段时间后仍未解决散热问题,热量将传递到转换器,并最终导致内部零部件发生故障。针对空气冷却有一个很好的经验法则:如果焊头处于原始位置,超声波关闭(焊接周期结束),并且你不能用手握住焊头,那就需要对其进行空气冷却。在某些极端条件下,可以使用冷却空气。

不适当的焊头返工也会引起许多不同的问题。如果一个焊头经过机加工返工以修复磨损的表面或由于部件改动而略作修改,那么用适当的设备进行焊头扫描非常重要。对焊头进行任何修改都会导致整个焊头表面出现振幅不均匀的问题,从而增加或降低焊头的运行频率。这些问题可能导致堆叠件和焊接系统中的其他组件发生故障。强烈建议制造商采取正确的步骤进行修改和返工,以确保焊头正常有效地运行。

关于作者

Stephen Potpan是Rinco超声波美国公司(位于康涅狄格州丹伯里)的区域经理。他在超声波焊接领域拥有34年以上的经验,专门研究塑料材料和接头设计。Potpan与一家大型医疗公司合作,设计了用于快速鉴定和检测微生物的测试盒,这些测试盒已经在国际空间站上进行了测试。他的从业背景还包括在外科器械业务中与多家制造商合作,以及在汽车领域与一级和二级供应商一起工作。

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