Existe-t-il une meilleure façon de souder des composants médicaux portables ?

2 novembre 2022 Par Réseau des contributeurs MDO

Les filtres à seringue contiennent de fines membranes qui, si elles étaient endommagées lors de l'assemblage, les rendraient inutiles. [Photo publiée avec l'aimable autorisation d'Emerson]

David Devine, Branson Welding and Assembly, médical chez Emerson

La technologie et la demande du marché poussent les concepteurs et les fabricants à créer des dispositifs médicaux de plus en plus petits et compacts. La tendance à la miniaturisation est particulièrement vraie pour les appareils portables utilisés pour l'administration de médicaments et la surveillance des patients. L'assemblage de ces composants en plastique, en particulier ceux avec de minuscules filtres qui sont fréquemment utilisés dans les appareils portables, présente des défis particuliers.

Il existe de nombreuses options pour assembler les plastiques, y compris le soudage par ultrasons, le soudage au laser et les processus de piquetage et d'emboutissage qui utilisent la technologie ultrasonique ou thermique. Cependant, la miniaturisation croissante fait que les pièces à assembler peuvent être assez fragiles et nécessitent le plus grand soin pour éviter tout endommagement lors du soudage ou du piquetage.

Le média filtrant utilisé dans les applications médicales - généralement constitué de polymères tels que le polypropylène non tissé (PP) ou le polyéthylène téréphtalate (PET) - est généralement scellé dans un cadre ou un boîtier en plastique. Alors qu'un appareil plus grand peut accueillir des filtres d'un pouce ou plus de diamètre et de 0,010 pouce ou plus d'épaisseur, les structures des appareils portables peuvent n'avoir qu'un diamètre de 0,1 à 0,25 pouce et une épaisseur de 0,005 pouce ou moins. La plupart des fabricants utiliseraient le soudage par ultrasons s'ils le pouvaient, car il est rapide, contrôlable et économique. Cependant, les vibrations qu'il introduit peuvent, dans certains cas, endommager les membranes filtrantes fines ou fragiles. Même l'équivalent d'un trou d'épingle rendrait les filtres sans valeur.

Pour éviter les dommages, les fabricants de filtres miniatures et de produits similaires recherchent des alternatives aux ultrasons et envisagent de plus en plus les procédés thermiques. Il est possible de concevoir des outils thermiques pour appliquer de la chaleur et de la pression sur toute la circonférence d'un filtre, en le liant à son boîtier en une seule étape. Le scellement thermique étant un processus non vibratoire, il élimine le risque de créer des trous d'épingle dans le filtre. Le résultat est un joint de haute qualité.

Le scellage thermique traditionnel à l'état stable fonctionne bien à cet égard. Un fabricant peut produire des joints thermiques relativement rapidement et à faible coût, sans avoir besoin d'une fixation mécanique à forte intensité de main-d'œuvre, de processus de fixation adhésif coûteux ou de la vibration des ultrasons. Mais le processus a ses pièges en termes de répétabilité cycle à cycle et de contrôle du processus. À mesure que les conceptions évoluent et que des composants plus délicats sont assemblés dans les appareils les plus récents, les fabricants ont découvert que le jalonnement thermique présentait certaines limites techniques et de contrôle.

Une nouvelle approche d'Emerson, appelée PulseStaking, répond à bon nombre de ces préoccupations. Il a été démontré que la technologie PulseStaking fonctionne aussi bien ou mieux que les processus thermiques à l'état stable existants, et elle est facilement applicable même pour les applications de filtrage les plus délicates. Il peut fonctionner avec plusieurs caractéristiques étroitement espacées sur des pièces géométriquement complexes, y compris celles avec des angles et des plans autrement délicats, et peut créer des liaisons sur une plus large gamme de plastiques que le piquetage thermique traditionnel.

Équipés pour le chauffage et le refroidissement, les pointes PulseStaking gèrent avec précision la température de la pointe et du joint jusqu'à ce que chaque joint soit terminé. [Illustration avec l'aimable autorisation d'Emerson]

Cette séquence d'opérations est beaucoup plus contrôlable que celle d'une unité thermique conventionnelle. En scellage thermique à l'état stable, l'outil est toujours sous tension, ce qui gaspille de l'énergie thermique et crée une empreinte carbone plus importante. Au-delà de cela, le processus de jalonnement n'est jamais vraiment à un état stable. Chaque cycle extrait la chaleur de l'outil, qui doit ensuite être restaurée avant le cycle suivant. Si un temps de réchauffage suffisant n'est pas intégré au processus, la température de soudure peut varier, et un ou deux degrés peuvent faire la différence entre une bonne pièce et la ferraille.

Dans PulseStaking, d'autre part, les pointes passent par un cycle d'intervalles multiples de chauffage, de refroidissement et de pause ou de "dwell" pour éviter la surchauffe et gérer avec précision la température de la pointe et du joint jusqu'à ce que chaque joint soit terminé. Ainsi, la cohérence du cycle ne dépend pas de la température de l'outil au début du cycle.

Les volumes associés à la plupart des dispositifs médicaux, y compris les appareils portables, se chiffrent souvent en centaines de millions. Par conséquent, les lignes de fabrication sont susceptibles d'être fortement automatisées. Les applications médicales, telles que le scellement d'un média filtrant dans un boîtier pour un dispositif médical portable, impliquent généralement des processus de fabrication complexes. Après le scellement du filtre, il est probable qu'il y aura des tests en aval, comme un contrôle de qualité par vision industrielle. En fin de compte, il y aura des processus supplémentaires pour installer l'élément filtrant dans le composant plus grand. Par conséquent, la cohérence du cycle et le contrôle de la température deviennent essentiels à l'efficacité et à la répétabilité de tout processus multi-étapes à grande vitesse. La variabilité du processus de scellement entraînera une augmentation des rebuts et du risque d'un produit défectueux, en plus d'une augmentation des temps de cycle.

L'automatisation peut également nécessiter la personnalisation du processus PulseStaking pour une application spécifique. Les pointes chauffantes sont disponibles dans de nombreuses formes standard et personnalisées et peuvent être utilisées seules ou, si les temps de production et de cycle l'exigent, regroupées de manière dense dans des outils plus grands pouvant effectuer plusieurs opérations à la fois. De plus, les caractéristiques de chauffage localisé de chaque pointe, comme indiqué ci-dessus, permettent des opérations d'étanchéité sur des surfaces complexes ou inclinées, à proximité immédiate de composants sensibles à la chaleur tels que des cartes de circuits imprimés, et peuvent même atteindre des cavités profondes ou d'autres zones difficiles d'accès sans risque de chauffage par rayonnement involontaire, même si l'outillage ou les pointes passent très près de surfaces non ciblées ou de composants sensibles à la chaleur.

Alors que les dispositifs médicaux continuent d'évoluer, devenant plus complexes et plus compacts, les technologies d'assemblage capables d'accueillir des composants minuscules, fins et délicats comme les éléments filtrants deviennent de plus en plus importantes.

David Devine est responsable du développement commercial, Médical, Branson Welding and Assembly chez Emerson. [Photo publiée avec l'aimable autorisation d'Emerson]

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