医療用ウェアラブルコンポーネントを溶接するより良い方法はありますか?

2022 年 11 月 2 日 MDO Contributors Network より

シリンジ フィルターには薄い膜が含まれており、組み立て中に損傷すると使用できなくなります。 [写真提供：エマーソン]

David Devine 氏、Branson Welding and Assembly、Medical at Emerson

技術と市場の需要により、設計者や製造業者は、より小型でコンパクトな医療機器を作成するよう求められています。 小型化の傾向は、ドラッグデリバリーや患者モニタリングに使用されるウェアラブルデバイスに特に当てはまります。 これらのプラスチック部品、特にウェアラブルデバイスで頻繁に使用される小さなフィルターを備えた部品の組み立てには、特別な課題が伴います。

プラスチックの接合には、超音波溶接、レーザー溶接、超音波または熱技術を使用したステーキングおよびスウェージングプロセスなど、多数のオプションがあります。 ただし、小型化が進むと、組み立てられる部品が非常に壊れやすくなり、溶接やかしめの際に損傷を防ぐために細心の注意が必要になります。

医療用途で使用されるフィルター媒体は、通常、不織布ポリプロピレン (PP) やポリエチレン テレフタレート (PET) などのポリマーでできており、通常はプラスチックのフレームまたはハウジングに密封されています。 大型のデバイスでは直径 1 インチ以上、厚さ 0.010 インチ以上のフィルターを搭載できる可能性がありますが、ウェアラブルの構造は直径 0.1 ～ 0.25 インチ、厚さ 0.005 インチ以下にすぎない場合があります。 ほとんどのメーカーは、高速で制御可能で経済的な超音波溶接を可能であれば使用するでしょう。 ただし、振動が発生すると、場合によっては、薄いフィルター膜や壊れやすいフィルター膜が損傷する可能性があります。 ピンホールに相当するものでさえ、フィルターの価値がなくなってしまいます。

損傷を避けるために、小型フィルターや同様の製品のメーカーは、超音波に代わる手段を模索し、熱プロセスの検討が増えています。 フィルターの全周に熱と圧力を加え、ワンステップでフィルターをハウジングに接着する熱ツールを設計することが可能です。 サーマルシールは非振動プロセスであるため、フィルターにピンホールが発生するリスクがありません。 その結果、高品質のシールが得られます。

この点に関しては、従来の定常状態の熱シールは問題なく機能します。 メーカーは、労働集約的な機械的固定、高価な接着剤による固定プロセス、または超音波の振動を必要とせずに、サーマル シールを比較的迅速かつ低コストで製造できます。 しかし、このプロセスには、サイクル間の再現性とプロセス制御の点で落とし穴があります。 設計が進化し、より繊細なコンポーネントが最新のデバイスに組み込まれるにつれて、メーカーは熱ステーキングに技術的および制御上の制限があることに気づきました。

PulseSaking と呼ばれるエマソンの新しいアプローチは、これらの懸念の多くに対処します。 PulseStakeing テクノロジーは、既存の定常状態の熱プロセスと同等以上の性能を発揮することが実証されており、最もデリケートなフィルター用途にも容易に適用できます。 幾何学的に複雑な部品（通常は難しい角度や平面を持つ部品など）上の複数の狭い間隔のフィーチャを操作でき、従来の熱かしめよりも広範囲のプラスチックに結合を作成できます。

加熱と冷却の両方を備えた PulseStakeing チップは、各シールが完了するまでチップとシールの温度を正確に管理します。 [イラスト提供：エマーソン]

この一連の動作は、従来のサーマルユニットよりもはるかに制御しやすくなっています。 定常状態の熱シールでは、ツールは常に通電されており、熱エネルギーが浪費され、二酸化炭素排出量が増加します。 それを超えると、ステーキングプロセスは決して真に定常状態にはなりません。 各サイクルでは工具から熱が奪われるため、次のサイクルの前に熱を回復する必要があります。 十分な再加熱時間がプロセスに組み込まれていない場合、溶接温度が変動する可能性があり、1 ～ 2 度の違いが良品とスクラップの違いを意味する可能性があります。

一方、PulseSaking では、各シールが完了するまで、チップは複数回の加熱、冷却、一時停止または「滞留」間隔のサイクルを経て過熱を防ぎ、チップとシールの温度を正確に管理します。 したがって、サイクルの一貫性はサイクル開始時の工具の温度には依存しません。

ウェアラブル機器を含むほとんどの医療機器に関連する量は、多くの場合数億単位になります。 その結果、製造ラインは高度に自動化される可能性があります。 ウェアラブル医療機器のハウジングにフィルター媒体を封入するなどの医療用途には、通常、複雑な製造プロセスが伴います。 フィルターシールの後、マシンビジョン品質チェックなどの下流テストが行​​われる可能性があります。 最終的には、フィルタエレメントをより大きなコンポーネントに取り付けるための追加のプロセスが必要になります。 したがって、サイクルの一貫性と温度制御は、高速多段階プロセスの効率と再現性にとって重要になります。 シーリングプロセスにばらつきがあると、サイクルタイムが増加するだけでなく、スクラップが増加し、製品に欠陥が生じるリスクが生じます。

自動化では、特定のアプリケーションに合わせて PulseStakeing プロセスをカスタマイズする必要がある場合もあります。 加熱チップは多くの標準形状とカスタム形状があり、単独で操作することも、生産やサイクルタイムで必要な場合には、一度に複数の操作を実行できる大きなツールに高密度にグループ化して操作することもできます。 さらに、上で述べたように、各チップの局所的な加熱特性により、プリント基板などの熱に弱いコンポーネントに近接した複雑な表面や傾斜した表面でのシール作業が可能になり、深いキャビティやその他の困難な部分にも到達することができます。 - ツールやチップが対象外の表面や熱に敏感なコンポーネントの非常に近くを通過する場合でも、意図しない輻射加熱の危険なしにエリアにアクセスできます。

医療機器が進化し続け、より複雑かつコンパクトになるにつれ、フィルターエレメントのような小型、薄型、繊細なコンポーネントに対応できる接合技術がますます重要になっています。

David Devine は、エマソンのメディカル、ブランソン溶接および組立部門のビジネス開発マネージャーです。 [写真提供：エマーソン]

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