Medizin-Anwendungen schnell und nachhaltig mit Ultraschall verbinden

Kunststoffe ohne Klebemittel verbinden: Mit Ultraschall als Fügetechnologie können Unternehmen ihre Applikationen hautverträglich und umweltfreundlich produzieren. Werden bestimmte Vorgaben an die Bauteile eingehalten, lässt sich das Verfahren auch für sensible Applikationen mit komplexen Geometrien einsetzen.

Um Medizinanwendungen nachhaltiger und gleichzeitig günstiger produzieren zu können, rückt verstärkt auch der Fügeprozess in den Fokus. Er bietet große Potenziale zur Steigerung von Taktraten oder Produktqualität, muss aber den hohen Anforderungen an die teils sensiblen Bauteile gerecht werden.

Das Ultraschallschweißen ist eines der Fügeverfahren, das sich seit Jahren in der Medizinbranche bewährt hat. Eingesetzt wird es für die Produktion unterschiedlichster Anwendungen, wie etwa Dialysefilter, Infusionsleitungen oder Infusionssets und Pumpen für Diabetes-Patienten.

Minimale Belastung der Bauteile

Beim Schweißen mit Ultraschall werden Kunststoffteile mittels Reibung unter minimaler Krafteinwirkung verbunden. Dafür erzeugt ein Ultraschall-Generator eine Frequenz zwischen 20 und 35 kHz, die durch einen Konverter in mechanische Schwingungen umgewandelt wird. 

Über das Schweißwerkzeug – die Sonotrode – werden diese Vibrationen auf einen der beiden Fügepartner übertragen. An vorher festgelegten Kontaktstellen der beiden Bauteile kommt es zu Reibungen. Während der kurzen Schweißzeit von wenigen hundertstel Sekunden entsteht an diesen Stellen Hitze und der Kunststoff schmilzt. 

Der große Vorteil: Durch diese Schmelze werden hochfeste und dichte Verbindungen auf molekularer Ebene erzeugt. Das schützt das Innere der Applikationen vor Verunreinigungen und anderen äußeren Umwelteinflüssen. 

Die Bauteile selbst bleiben nahezu frei von thermischer oder mechanischer Belastung, wodurch sich das Ultraschallschweißen auch für besonders empfindliche Geräte und Inhalte eignet. 

Hautverträglich und nachhaltig

Solche Verbindung ohne zusätzliche Fügemittel sind auch von Vorteil für Anwendungen, die direkt am Körper getragen werden, wie etwa Blutzuckermessgeräte oder Insulinpumpen. Die dort häufig noch verwendeten, Isobornylacrylat (IBOA) haltigen Klebstoffe können den Tragekomfort einschränken oder gar zu Hautirritationen führen. Ohne die Chemikalien der Klebstoffe verbessert sich die Hautverträglichkeit enorm.

Auch die Umweltbilanz des Produkts profitiert vom klebefreien Verfahren. Denn neben den zusätzlichen Verbrauchsstoffen entfallen auch energieintensive Prozesse wie das Aufheizen oder Abkühlen des Klebstoffs. So wird Energie nur dort eingesetzt, wo sie auch wirklich benötigt wird: an der Schweißnaht der Bauteile.

Präzise Steuerung über Parameter

Die eingetragene Energie kann ebenso wie die übrigen Schweißparameter während des Prozesses präzise gesteuert werden, die zuvor in Versuchen im Labor ermittelt wurden. 

Zentrale Parameter für das Schweißen von Kunststoffen sind vor allem:

• Frequenz
• Amplitude
• Schweißkraft
• Energie
• Schweißweg und -geschwindigkeit

Die Parameter beeinflussen sich gegenseitig. Die genaue Definition der richtigen Schweißparameter ist deshalb einer der wichtigsten Schritte in der Entwicklung des Ultraschall-Schweißprozesses. Sind sie erst einmal gefunden, können sie zuverlässig reproduziert werden. Das sorgt für konsistente, sichere Schweißergebnisse. 

Digitale Qualitätskontrolle

Da die Schweißwerkzeuge während des Verbindens direkten Kontakt zu den Kunststoff-Bauteilen aufnehmen, kann über diese Berührung wertvolles Feedback in Form von Daten gesammelt werden. Die wichtigsten Daten können in Grafen visualisiert werden, sodass der Schweißprozess unmittelbar evaluiert werden kann. 

Insgesamt können bis zu 150 Daten pro Schweißung erfasst, gespeichert und ausgewertet werden. Diese Informationen liefern nicht nur einen wichtigen Beitrag zur Qualitätskontrolle. Sie geben entscheidende Anhaltspunkte, wie der Prozess weiter optimiert werden kann, um damit Geschwindigkeit, Ausschuss und Energieverbrauch zu optimieren. 

Hohes Automatisierungspotenzial

Aufgrund der genauen Steuerungsmöglichkeiten sowie der kurzen Prozesszeiten wird Ultraschall vor allem im Medizin-Bereich häufig dort eingesetzt, wo hohe Stückzahlen mit konstanten Ergebnissen produziert werden müssen. Je nach Anwendung dauert der Schweißprozess etwa zwischen 80 und 500 ms. Gerade kleinere Medizinanwendungen, wie etwa Konnektoren von Infusionssets, benötigen häufig nur rund 150 ms. 

Darüber hinaus ist auch die Integration einzelner Ultraschall-Komponenten auf kollaborativen Robotern oder Multihead-Maschinen möglich. Für kleinere Stückzahlen, die ebenfalls zuverlässig und mit gleichbleibender Qualität gefertigt werden sollen, eignet sich die Nutzung von Handarbeitsplätzen. 

Voraussetzungen für das Schweißen mit Ultraschall

Um von den Vorteilen des Ultraschallschweißens profitieren zu können, müssen die Bauteile entsprechend gestaltet sein. So lassen sich nahezu alle thermoplastische Kunststoffe mit Ultraschall verbinden. Dazu zählen auch die gängigsten Kunststoffe in der Medizinbranche, wie etwa: 

• Polypropylen (PP)
• Polyethylen (PE)
• Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS)

Für das Ultraschallschweißen können Bauteile auch filigran oder in komplexen 3D-Formen gestaltet sein. Sogar geringste Wandstärken um 1 Millimeter sind mit dieser Technologie umsetzbar. 

Darüber hinaus benötigen die Bauteile eine spezielle Nahtgestaltung an der Kontaktstelle der Fügepartner. Über einen sogenannten Energierichtungsgeber kann gewährleistet werden, dass die Schmelze des Kunststoffs nur an der gewünschten Stelle entsteht. 

Die passende Nahtgestaltung für das Bauteil und die Anforderungen des Kunden ist ein weiterer, entscheidender Erfolgsfaktor für das Schweißen mit Ultraschall. Deshalb ist es von Vorteil, wenn der Ultraschall-Anbieter bereits in die Entwicklung des Produkts eingebunden ist. Mit der entsprechenden Erfahrung kann er sowohl bei der Materialauswahl als auch bei der Gestaltung des Bauteils beraten. Das spart kostbare Zeit in der Produktentwicklung und sorgt somit für Marktvorteile.

Die größten Vorteile des Ultraschallschweißens:

• Prozessdatenüberwachung in Echtzeit
• Hilft Nachhaltigkeitsziele zu erreichen
• Hohe Prozessstabilität
• Geringe Ausschussquoten
• Sehr gut geeignet für hohe Produktionsvolumen 

Häufige Anwendungen des Ultraschallschweißens bei Medizin-Applikationen:

• Verschweißung von Spritzgussteilen
• Verbindung von Folien und Membranen mit Kunststoff-Gehäusen
• Herstellung bestimmter Funktionseigenschaften
• Schweißung von Vliesstoffen und Pflastern an ein Gehäuse
• Septum unter Vorspannung bördeln