O que é soldagem ultrassônica?

Um guia para fabricação de peças médicas

Trabalho com soldadores ultrassônicos há cerca de doze anos, principalmente em linhas médicas. Cateteres, conjuntos intravenosos, caixas de filtro-você escolhe. As pessoas me perguntam o tempo todo o que é realmente a soldagem ultrassônica, e eu digo que basicamente se trata de usar som para derreter plástico. Vibrações de alta-frequência, muito acima do que você pode ouvir, geram calor de fricção diretamente na junta. Sem cola, sem parafusos, sem bagunça.

Como funciona a máquina

Quatro peças compõem o sistema. A fonte de alimentação pega a corrente da parede e aumenta até 20 ou 40 kHz-às vezes 15 ou 35, dependendo da sua aplicação. O conversor fica no topo da pilha; possui cerâmica piezoelétrica interna que transforma o sinal elétrico em movimento físico. O reforço no meio amplifica ou amortece esse movimento. A buzina na parte inferior realmente toca sua parte.

A maioria das lojas em que trabalhei opera 20 kHz para peças maiores. Ao fazer conectores minúsculos ou paredes-finas, 40 kHz é melhor-menos força e mais suave em geometrias delicadas. Branson, Dukane, Herrmann-todos fabricam equipamentos sólidos. Escolha um e continue com ele, honestamente. A curva de aprendizado é bastante íngreme sem mudar de plataforma.

Parte vai para o aparelho, a buzina desce. A máquina é acionada com uma força ou posição predefinida. As vibrações começam. A energia concentra-se na interface da junta onde você tem seu diretor de energia ou junta de cisalhamento. O plástico derrete em uma fração de segundo. A buzina mantém a pressão enquanto o material esfria. Feito. Faça o teste e passe para o próximo.

Parâmetros de Processo

A amplitude é mais importante do que as pessoas imaginam. É o movimento-a{2}}de pico na face do chifre, medido em mícrons. Normalmente 20-100 mícrons dependendo do material e do tamanho da junta. Já vi caras aumentarem a amplitude para consertar uma solda fraca quando deveriam estar olhando para a geometria do diretor de energia. Amplitude maior despeja mais energia na peça, claro, mas também corre o risco de queimar ou marcar.

O tempo de soldagem em peças médicas é curto. Quarto de segundo, meio segundo. Talvez um segundo inteiro em uma grande junta de cisalhamento. Mais do que isso e provavelmente você está fazendo algo errado-ou seu projeto de junta precisa de melhorias ou seu material não é adequado para ultrassom. Já vi pessoas executarem soldas de dois{5}}segundos tentando salvar um projeto de ferramenta ruim. Não acaba bem.

O tempo de espera mantém a pressão enquanto o plástico se ajusta. Metade do seu tempo de soldagem é um ponto de partida decente. Corte muito curto em náilon ou PP e a junta se separa porque a estrutura cristalina ainda não está travada.

A força é mais complicada do que parece. Não o suficiente e a buzina salta, causando contato inconsistente. Se for demais, você estará esmagando o diretor de energia antes que ele tenha a chance de derreter adequadamente. Eu normalmente começo em torno de 200-400 N para peças médicas menores e ajusto a partir daí.

Seleção de Materiais

Plásticos Amorfos

ABS é o material mais fácil de soldar. Período. Boa transmissão de energia, ampla janela de processo, perdoa muitos pecados. Se você estiver prototipando ou ensinando o processo a alguém, comece com ABS. O policarbonato também solda bem, mas tome cuidado com a tensão residual da moldagem-O PC adora quebrar os elevadores de tensão quando você o atinge com energia ultrassônica. Um lote de caixas de diagnóstico quebrou todas as vezes até rastreá-lo até o local do portão.

Poliestireno e acrílico se comportam bem. CYROLITE aparece muito em conectores intravenosos e aplicações de contato-com sangue. Os materiais amorfos amolecem gradualmente ao longo de uma faixa de temperatura, que é exatamente o que você deseja. O fundido flui, molha a superfície da junta, as cadeias se difundem pela interface. Soldas limpas.

Plásticos semicristalinos

Agora entramos no território difícil. Polipropileno, náilon, acetal, polietileno-todos semicristalinos. Eles têm regiões moleculares ordenadas que dispersam a energia ultrassônica em vez de transmiti-la. O ponto de fusão acentuado significa que o material passa de sólido para líquido rapidamente e, em seguida, solidifica com as quedas instantâneas de temperatura. Muito pouco tempo de trabalho.

PP e PE estão por toda parte em seringas-médicas, recipientes e tampas. Eles soldam, mas você precisa de maior amplitude, configuração de campo próximo (chifre próximo à junta) e juntas de cisalhamento para qualquer coisa que exija uma vedação hermética. Os diretores de energia por si só não serão suficientes para montagens de PP à prova de vazamentos. Já vi muitas pessoas tentarem.

O nylon absorve água como uma esponja. As peças que ficam na prateleira por uma semana serão soldadas de maneira diferente das peças recém-saídas da máquina de moldagem. A umidade ferve a 100 graus durante o ciclo de soldagem e cria porosidade na junta. Seque o náilon ou solde-o rapidamente.

Referência rápida

Na mistura de materiais

As pessoas perguntam sobre soldagem de plásticos diferentes. Resposta curta: principalmente não. ABS para PC funcionam porque são quimicamente compatíveis-é por isso que existem misturas de PC/ABS. As temperaturas de fusão precisam estar dentro de cerca de 40 graus F uma da outra. PP para PE? Esqueça. Eu sei que ambos são poliolefinas, mas não se ligam.

O preenchimento de vidro muda as coisas. Até 20% geralmente ajuda-um material mais rígido a transmitir melhor a energia. Passados ​​30% e não há polímero suficiente na interface da junta para fazer uma solda decente. Os retardadores de chama são um problema. Os lubrificantes na superfície são piores. Certa vez, tive um problema de contaminação que remontava à liberação de molde de silicone nas peças de um fornecedor. Demorou três dias para descobrir.

Projeto Conjunto

Tudo na soldagem ultrassônica se resume ao design da junta. Juntas ruins não soldam, ponto final. Você pode ajustar os parâmetros o dia todo e isso não corrigirá uma geometria fundamentalmente falha.

Diretores de Energia

O diretor de energia padrão é uma crista triangular moldada em uma superfície correspondente. A ponta do triângulo toca a face plana oposta. Pequena área de contato significa alta concentração de energia. O plástico derrete rapidamente, flui para preencher a junta. 90 grau incluído no ângulo para material amorfo. 60 grau para semicristalino-o ponto mais nítido compensa a solidificação mais rápida.

A altura normalmente varia de 0,5 a 1,0 mm. Peças menores, ED menor. A largura da base corresponde à altura de um diretor de 90 graus. Uma coisa que vejo constantemente: o desgaste do molde completa o diretor de energia ao longo do tempo. A nova ferramenta faz ótimas soldas. Seis meses depois, as soldas estão fracas. Verifique sua geometria ED quando isso acontecer.

Passo e Língua-e-Groove

A junta escalonada adiciona alinhamento. Uma parte tem um degrau elevado e a outra uma reentrância correspondente. ED se senta no degrau. As peças-localizam-se automaticamente. O Flash entra na liberação em vez de sair. Bom para aplicações cosméticas onde você não deseja linhas de solda visíveis.

A lingueta-e{1}}a ranhura vai além com uma língua saliente que se encaixa na ranhura. Contém flash em ambos os lados. A desvantagem são as tolerâncias de ferramenta mais restritas-é difícil manter folga igual em ambos os lados da lingueta no molde.

Juntas de cisalhamento

As juntas de cisalhamento não são{0}negociáveis ​​para vedações herméticas em peças semicristalinas. Duas paredes com ligeira interferência deslizam uma sobre a outra durante a soldagem. As paredes derretem à medida que se unem. A ação contínua de espalhamento elimina vazios e caminhos de vazamento.

Os tempos de soldagem são 3-4x mais longos do que as juntas ED. Mais fusão de material, mais energia necessária. A interferência é normalmente de 0,2 a 0,4 mm por lado. Muito solto e você não derrete completamente. Muito apertado e as peças não serão montadas para soldagem. O controle dimensional é importante.

Carcaças de filtros, reservatórios de fluidos, qualquer coisa que retenha pressão-junta de cisalhamento. Nunca consegui uma vedação hermética confiável em PP apenas com um diretor de energia. Algumas pessoas afirmam que sim. Eu não vi isso se sustentar na produção.

Aplicações em Medicina

Conjuntos IV são o pão com manteiga. Câmaras de gotejamento, conectores, pontas e portas-todos soldados. A ausência de adesivos significa que não há preocupações de biocompatibilidade com lixiviação ou resíduos. Um único conjunto IV pode ter quatro ou cinco juntas soldadas. Sistemas rotativos de alta-velocidade podem operar milhares por hora.

A filtragem é enorme. Filtros de sangue, cartuchos de diálise, filtros respiratórios. A membrana fica embutida na caixa. A solda sela o perímetro sem danificar o meio filtrante. Qualquer caminho de vazamento e o filtro são inúteis-o fluido desvia em vez de passar. Juntas de cisalhamento, inspeção 100%, estudos de capacidade de processo. A FDA não mexe com essas coisas.

A entrega de medicamentos continua crescendo. Canetas de insulina, auto{1}}injetores, inaladores. Várias submontagens por dispositivo. Remendos usáveis ​​com vedações de membrana fina-é aí que os sistemas de soldagem por torção brilham. A vibração linear regular pode perfurar filmes finos. O padrão de oscilação horizontal das unidades de torção é mais suave.

Os cartuchos de diagnóstico funcionam rapidamente. Invólucros para tiras de teste, copos de amostras, poços de reagentes. Tempos de ciclo inferiores a um segundo. O posicionamento é crítico porque essas peças são minúsculas e as tolerâncias são restritas. O manuseio robótico alimenta as peças em estações de soldagem dedicadas.

Controle de Qualidade e Processo

Os soldadores modernos registram tudo. Tempo real de soldagem, energia fornecida, potência de pico, distância de colapso. Configure seus limites e a máquina sinalizará qualquer coisa fora da janela. Executamos gráficos SPC em todas as juntas críticas. Capture uma tendência antes que ela se torne uma rejeição.

O teste de tração valida a solda. Dispositivos de teste de tração agarram a peça e medem a força de ruptura. Execute amostras no início do turno, periodicamente durante a produção, no final do turno. Testes de ruptura para conjuntos de retenção de pressão-preencham, aumentem a pressão até falhar, registrem onde e em que PSI.

As-seções transversais informam o que está acontecendo dentro da junta. Monte em epóxi, corte a solda, dê polimento na superfície, observe ampliado. A fusão e o fluxo completos parecem homogêneos. A fusão incompleta mostra uma interface visível. Porosidade significa umidade ou contaminação. Faça isso durante o desenvolvimento para otimizar os parâmetros. Faça isso periodicamente na produção para verificar.

Solução de problemas

Soldas Fracas

A primeira coisa que verifico é a geometria do diretor de energia. Pegue uma parte e observe-a ampliada. A ponta é afiada ou arredondada? Moldes desgastados completam os EDs e ninguém percebe até que os números dos testes de tração diminuam.

O segundo é o contato da buzina. Contato desigual significa fornecimento desigual de energia. O desalinhamento coloca toda a energia em um lado da junta. Procure marcas de testemunhas na peça-elas dirão onde a buzina está realmente tocando.

O terceiro é a variação do lote de material. Lote novo de resina, parâmetros de solda que funcionavam ontem não funcionam hoje. A moagem na mistura altera as características de fluxo. Fiquei chateado com isso uma vez, quando um fornecedor começou a adicionar 15% de material reciclado sem nos avisar.

O tempo entre a moldagem e a soldagem também é importante. As peças quentes recém-saídas da máquina se comportam de maneira diferente das peças frias que ficaram em uma lixeira durante a noite. Padronize-o ou ajuste-o.

Problemas de Flash

Muito flash geralmente significa muita energia. Reduza a amplitude primeiro. Então é hora de soldar. Então force. Uma variável de cada vez ou você nunca descobrirá o que realmente a corrigiu.

O design conjunto também pode ajudar. As capturas de flash-um pequeno recesso ao redor do perímetro da solda-capturam o material deslocado. As juntas escalonadas escondem o flash na folga. Soluções-integradas são melhores do que tentar consertar isso com parâmetros.

Rachaduras e danos nas peças

PC racha em concentrações de tensão. Cantos agudos, vestígios de portas, moldados-na tensão dos gradientes de resfriamento-todos possíveis locais de início de trincas. Às vezes, a solução é alterar os parâmetros de moldagem, não os parâmetros de soldagem.

As peças frias são quebradiças. O armazém atinge 50 graus F no inverno, as peças ficam frias e quebram em vez de derreter. Deixe-os aquecer ou coloque um aquecedor na linha à frente do soldador.

Marcas de chifre em superfícies cosméticas? Diminua a força do gatilho, dê polimento à face da buzina ou coloque uma película fina de Mylar entre a buzina e a peça. O filme leva o abuso em vez do plástico.

Manutenção de Equipamentos

A condição da buzina é tudo. Rachaduras, corrosão e sulcos de desgaste-afetam a transferência de energia. Inspeção visual diariamente, verificação de impedância semanalmente. Uma buzina rachada soa diferente quando funciona-você pode ouvi-la mudar. Substitua antes que falhe catastroficamente. Já vi buzinas quebradas danificarem conversores e isso é um reparo caro.

Os conversores degradam com o tempo. A cerâmica piezo perde eficiência. A produção cai gradualmente o suficiente para que você não perceba até que as soldas comecem a falhar. A medição periódica da produção detecta o declínio. Substitua de acordo com um cronograma, em vez de esperar pela falha.

Desgaste das luminárias. As peças ficam nos mesmos lugares, o plástico roça no metal, as dimensões mudam. Verifique as especificações do desenho periodicamente. Reconstrua ou substitua quando as tolerâncias aumentarem. Um acessório desgastado altera a posição da peça, o que altera a qualidade da solda, e você estará perseguindo problemas fantasmas se não detectá-lo.

Notas Regulatórias

A ISO 13485 cobre a gestão da qualidade para dispositivos médicos. A validação do processo-IQ, OQ, PQ-demonstra que sua operação de soldagem produz consistentemente um produto aceitável. Documente tudo. O controle de alterações se aplica a parâmetros, ferramentas e materiais. Mude algo sem a documentação adequada e você terá uma não conformidade.

A soldagem ultrassônica funciona bem em salas limpas. Sem vapores, com mínimo de partículas, sem gotejamento ou respingos de adesivos líquidos. O equipamento integra-se facilmente em ambientes controlados. Basta cumprir o cronograma de manutenção e não contaminar as peças com graxa de máquina ou óleo de corte.

Pensamentos de despedida

Escolha primeiro o seu material com base na aplicação. Então descubra se ele solda. ABS e PC oferecem a mais ampla janela de processo. PP e náilon precisam de mais atenção, mas são viáveis. Juntas de cisalhamento para vedações herméticas em materiais semicristalinos. Diretores de energia para quase todo o resto.

Obtenha o projeto da junta antes de comprar o ferramental. Consertar um projeto de junta ruim após o corte do molde é caro e frustrante. Envie peças de amostra ao seu fornecedor de equipamentos para testes de soldagem. Eles fazem isso o dia todo-para ajudar você a encontrar os parâmetros certos.

A maioria dos problemas remonta ao básico: dimensões das peças, consistência do material, condição do equipamento. Sistemas de monitoramento sofisticados não ajudarão se o seu diretor de energia estiver arredondado ou se o seu equipamento estiver desgastado. Domine os fundamentos e o resto vem.