Schwierige Schweißung bei medizinischem Sekretbehälter

Ein schwer schweißbares Material wie Polyethylen, große Bauteildimensionen und die geforderte Dichtschweißung – das Ultraschalllabor bei Herrmann Ultraschall konnte diese anspruchsvolle Aufgabe für einen Hersteller von Medizintechnik lösen.

Polyethylen (PE) ist ein sehr weicher Kunststoff, der Ultraschallwellen stark dämpft und folglich hohe Schweißamplituden größer als 40 μm benötigt, um den Werkstoff aufzuschmelzen. Erst seit es Ultraschallgeneratoren gibt, die über längere Zeit hohe und zuverlässige Leistungen abgeben, lassen sich solche Schweißanwendungen mit Ultraschall lösen. Die Bauteilgröße spielt ebenfalls eine wichtige Rolle, denn je größer und komplexer die Abmessungen, umso schwieriger ist es, die Ultraschallwellen korrekt in die Fügezone einzuleiten.

Bei der hier beschriebenen Anwendung geht es um PE-Sekretbehälter wie sie im Krankenhaus zum Auffangen von Körperflüssigkeiten verwendet werden. Die Schweißaufgabe bestand darin, einen Deckel aus Polyethylen hoher Dichte (PE-HD) mit einem Körper zu verschweißen, der aus einer Mischung von PE-HD und PE-LD besteht. Schwierige Anfragen dieser Art werden oft mittels Heizelementschweißen umgesetzt; allerdings liefert diese Technologie zu wenig qualitätsrelevante Prozessdaten, um den hohen Produktionsanforderungen aus Branchen wie der Medizintechnik zu genügen. Im vorliegenden Fall gelang die Umsetzung mittels Ultraschallschweißen und erfüllte alle Kunden- und Marktanforderungen für medizintechnische Teile:

Der Kunde spezifizierte folgende Anforderungen:

• Deckel und Körper müssen dicht verschweißt sein – der Behälter wird im Krankenhaus zum Auffangen von Körperflüssigkeiten verwendet. Dabei muss der Behälter Fallhöhen von 1,5 m und Druckstöße von bis zu 0,8 Bar aushalten.
• Die umlaufende Schweißnaht benötigt ein Sonotroden-Design, das die hohe Amplitude gleichmäßig umsetzt.
• Die Schweißung muss abdruckfrei sein und erfordert ein sorgsames Finishing des Schweißwerkzeugs.
• Die unterschiedlichen Höhen der Produktreihe werden über eine höhenverstellbare Werkzeugaufnahme realisiert.
• Prozess-Validierung und Nachverfolgbarkeit

Schweißkraftprofilierung und grafische Darstellung der Parameter

Ein Vorteil des Ultraschallschweißens ist die umfangreiche Parametrierung und deren visuelle Darstellung. Die eingesetzte Ultraschallschweißmaschine vom Typ HiQ DIALOG 6200 bietet zudem eine Schweißkraftprofilierung von bis zu 3 Schweißkräften und ein 15“ Display. Die Schweißkraft während des Prozesses ändern zu können, unterstützt bei anspruchsvollen Materialien und Geometrien.  

Der Verlauf der Schweißung kann zudem grafisch dargestellt werden. Die Visualisierung auf der Bedienoberfläche der Steuerung zeigt Abweichungen im Prozessverlauf und ermöglicht die Prozessoptimierung. Der Verlauf der Fügegeschwindigkeitskurve (Weg über Zeit) ist hierbei ein entscheidender Indikator. Über die Bewertung der Parameter-Grafiken zu

• Fügeweg
• Amplitude
• Frequenz
• Leistung
• Kraft

gelang dem Laborteam bei Herrmann Ultraschall die schwierige Prozesseinstellung.

Ein leistungsfähiger Generator

Der volldigitale Ultraschall-Generator liefert 6200 Watt Leistung und erfasst mehr als zwanzig Messwerte periodisch und diskret, und zwar 10.000 Mal pro Sekunde. Dies bedeutet, dass der Schweißprozess schneller und feinfühliger geregelt werden kann. Das An- und Ausschalten des Ultraschalls kann modifiziert werden und gewollte Verläufe sind besser reproduzierbar.

Die Ausgangsamplitude lässt sich stufenlos von 1 – 100 % programmieren und auch bei einem hohen Dämpfungskoeffizienten exakt auf das Kunststoffmaterial abstimmen. Die Regelungselektronik mit einer Abtastrate im Megaherzbereich (1μs) sorgt für eine präzise Amplitudenkonstanthaltung bei allen Betriebsbedingungen, so wie auch im vorliegenden Fall der umlaufenden Schweißnaht, die dicht sein muss, und der aufgrund des Materials erforderlichen hohen Amplitude.  

Tracking-Software für Traceability

Eine der wichtigen Forderung in der Medizintechnik ist Prozess-Sicherheit und Nachverfolgbarkeit. Herrmann Ultraschall liefert ein integriertes Softwaremodul FSC, das Änderungen an Systemparametern und Benutzeraktionen in elektronischen Audit-Trails aufzeichnet. In Kombination mit dem Softwaremodul DataRecorder, welches die dauerhafte Speicherung von Prozessergebnissen auf einem PC direkt aus dem Ultraschallgenerator ermöglicht, können so im Sinne eines ganzheitlichen Produktionslogbuchs sowohl Schweißungen als auch Benutzeraktionen wie Parameteränderungen lückenlos aufgezeichnet werden.