產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員和制造商在開發(fā)和經(jīng)濟(jì)高效地生產(chǎn)高質(zhì)量的醫(yī)療設(shè)備和設(shè)備方面面臨著不斷的挑戰(zhàn)，這些設(shè)備和設(shè)備適用于從監(jiān)測到藥物輸送、日常護(hù)理、傷口護(hù)理、手術(shù)和治療用途的方方面面。

通常，我的工作通過幫助他們將新產(chǎn)品設(shè)計(jì)推向市場來支持他們的制造業(yè)務(wù)。它通常從評估概念和想法開始——通常是原型形式——以幫助制造商選擇和實(shí)施滿足產(chǎn)品性能、質(zhì)量、清潔度和成本目標(biāo)的組裝/連接過程。

盡管有些連接技術(shù)比其他連接技術(shù)更受歡迎和使用更廣泛，但我采取的方法始終是“過程中立的”。這意味著以開放的心態(tài)看待整個產(chǎn)品裝配挑戰(zhàn)，并考慮所有可用連接工藝的能力和局限性。

其中最流行的塑料連接形式之一是塑料焊接，這是一種結(jié)合熱量（或摩擦產(chǎn)生的熱量）和壓力以形成永久粘合的連接方法。當(dāng)所使用的塑料材料和工藝（見本文末尾的圖表）兼容時，塑料焊接方法是組裝的理想選擇，并且應(yīng)用需要組件之間的永久連接或密封。與機(jī)械和粘合劑連接方法不同，塑料焊接不使用緊固件或膠水等消耗品。通常，塑料焊接的唯一成本涉及購買焊機(jī)和創(chuàng)建特定零件工具的初始資本投資，以及運(yùn)行它的電力增量成本。

塑料焊接技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到可以滿足一系列裝配需求。按照它們在醫(yī)療器械領(lǐng)域的流行程度，這些技術(shù)包括：

1.超聲波焊接；

2.激光焊接；

3.旋焊；

4.振動和“清潔”振動焊接；

5.熱處理；

6.清潔紅外技術(shù)；

下面讓我們來詳細(xì)看看他們都是什么并且了解：

超聲波焊接

超聲波焊接是一種非?？煽壳揖哂谐杀拘б娴慕M裝技術(shù)。通過一系列組件——電源、轉(zhuǎn)換器、增壓器、喇叭和致動器——它以向下的力提供高頻、相對低幅度的機(jī)械振動。這種運(yùn)動在熔化塑料的部件界面處產(chǎn)生摩擦熱，同時下壓力壓縮接頭以形成牢固的粘合。超聲波焊接描述了一系列在 15 – 40 kHz 頻率下工作的產(chǎn)品，20 kHz 是最常見的。振動的長度（稱為振幅）通常由應(yīng)用工程師根據(jù)焊接材料確定。

如果可以使用，超聲波焊接具有速度優(yōu)勢（大多數(shù)焊接周期可在不到一秒的時間內(nèi)完成）、能夠處理小型或易碎零件、無耗材、無零件設(shè)置時間、資本設(shè)備成本低、并輕松集成到自動化生產(chǎn)流程中。該工藝的限制主要集中在相對較窄的無法連接的材料范圍、較小的零件尺寸以及零件的輪廓/幾何形狀上。在醫(yī)療行業(yè)中，超聲波焊接常用于注射器、導(dǎo)管和外殼（例如，血糖儀、用于導(dǎo)管的尿液測量儀）等應(yīng)用。

對于“易于”超聲波焊接的材料，例如 ABS，直徑超過 6 英寸的零件可以使用 15 kHz 超聲波焊接機(jī)進(jìn)行焊接。（注意：較大的部分 = 較低的頻率）。當(dāng)零件由更難進(jìn)行超聲波焊接的材料制成時，例如尼龍，待焊接零件的尺寸減小到大約 3.5 平方英寸（或直徑）。具有深輪廓的零件也可能難以焊接，因?yàn)檫@些特征會影響超聲波工藝的范圍和性能。（有關(guān)優(yōu)點(diǎn)和限制的摘要，請參閱下表。）

激光焊接

由于初始設(shè)備成本較高，激光焊接通常不是制造商選擇的首選解決方案。但那些需要它的人很快就會了解到，這種具有潔凈室功能的技術(shù)用途廣泛，非常適合醫(yī)療應(yīng)用。它將連接由各種形狀和尺寸的多種材料制成的零件，同時產(chǎn)生零微粒和閃光。

激光焊接使用 780-980 nm 范圍內(nèi)的激光光源提供的熱量。這種光通過連接到焊接工具的光纖束集中，然后根據(jù)所需的加熱密度分布在零件的焊接區(qū)域。由于它不需要部件之間的振動或相對運(yùn)動，因此它可以連接精細(xì)的部件特征和精密的部件而不會造成損壞，同時允許極其精確的對齊和部件對部件的密封。因此，它非常適合組裝體外診斷 (IVD) 和微流體設(shè)備，但也可用于更大和不太復(fù)雜的應(yīng)用。

相對于超聲波焊接，激光焊接可以連接更廣泛的材料。只有兩個零件設(shè)計(jì)要求：首先，每個組件必須有一個零件，其材料對所使用的激光波長是“可透射的”或“透明的”，而配合零件的材料對該波長是“吸收的”或“黑色的”。其次，部件的幾何形狀和堆疊必須允許激光能量通過透射部件到達(dá)焊接區(qū)，在那里熔化發(fā)生在吸收部件的上部。（參見下面的圖 1。）

滿足這些設(shè)計(jì)要求并不難。有許多“透明”塑料材料，包括彩色材料，即使它們看起來不透明，也很容易透射激光。這同樣適用于吸收部件。除了炭黑之外，還有一系列吸收激光的彩色顏料。為確保您的零件顏色和顏料的組合正常工作，請咨詢您的焊接設(shè)備供應(yīng)商。（有關(guān)優(yōu)點(diǎn)和局限性的摘要，請參見圖下方的表格。）

旋轉(zhuǎn)焊接

旋轉(zhuǎn)焊接工藝與超聲波焊接一樣，是一種基于摩擦的連接方法。旋轉(zhuǎn)焊接是通過在夾緊載荷下旋轉(zhuǎn)一個半部分相對于第二個固定半部分來實(shí)現(xiàn)的。旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生材料熔化所需的熱量。一旦旋轉(zhuǎn)停止，致動器會短暫地繼續(xù)向下施壓以固化粘合，然后釋放零件。自然地，待焊接的兩個部件之間的接頭必須是圓形的。

只要配合材料的熔體溫度和流動指數(shù)相似，該工藝就可以連接許多熱塑性塑料，包括在不同成型工藝（即注塑成型、擠出成型或吹塑成型）中形成的部件。旋轉(zhuǎn)焊接還適用于“遠(yuǎn)場”焊接——焊接的配合面距離焊頭接觸面相對較遠(yuǎn)（> 1/4 英寸）——這是相對于超聲波焊接的一個優(yōu)勢。

旋轉(zhuǎn)焊接通常用于相對較小的圓形零件，例如注射器帽、圓柱形過濾器帽和手術(shù)套管，但也可以連接大直徑零件。（有關(guān)優(yōu)點(diǎn)和限制的摘要，請參閱下表。）

振動（和“清潔振動技術(shù)”）焊接

振動焊接是超聲波焊接的近親，盡管它使用往復(fù)直線運(yùn)動，而不是垂直運(yùn)動，再加上向下的壓力來連接兩個零件。振動焊接中使用的頻率遠(yuǎn)低于超聲波焊接，范圍在 100 – 240 Hz 之間，但振動幅度更大，范圍從 0.030 英寸到 0.160 英寸。因此，它連接的零件通常更大，更多強(qiáng)壯的。

振動焊接用途廣泛。它能夠連接幾乎所有類型的塑料并處理復(fù)雜的形狀和大尺寸。該過程及其工具是可擴(kuò)展的，因此可以在一個循環(huán)中焊接多個零件。

振動焊接的進(jìn)步導(dǎo)致了最近的一項(xiàng)創(chuàng)新，稱為清潔振動技術(shù) (CVT)。CVT 利用紅外線熱源在焊接表面振動焊接在一起之前精確預(yù)熱它們。預(yù)熱減少了實(shí)現(xiàn)熔化所需的振動量，限制了飛邊和微粒的形成，并且對可能包含電路板或其他敏感電子設(shè)備的組件更加溫和。盡管 CVT 在零件加載和處理方面與振動焊接基本相似，但預(yù)熱過程增加了循環(huán)時間并增加了能耗。雖然振動焊接周期為 3-5 秒，但 CVT 焊接的周期時間通常為 25 到 40 秒。

振動或清潔振動技術(shù)通常用于醫(yī)療制造中較大的兩部分系統(tǒng)，例如患者監(jiān)護(hù)儀、輸液泵或液體收集容器。（有關(guān)優(yōu)點(diǎn)和限制的摘要，請參閱下表。）

熱處理

熱處理是另一種常用于需要熱熔的醫(yī)療產(chǎn)品的連接方法：將金屬元件放入塑料中。熱熔是用于將電路板、電池接線片或其他電子元件固定到塑料元件或外殼中的過程?；旧希饘俨考患訜岬揭欢囟?，然后壓入塑料中，塑料熔化然后固化以固定部件。（有關(guān)優(yōu)點(diǎn)和限制的摘要，請參閱下表。）

熱熔金屬組件對于電池供電的產(chǎn)品至關(guān)重要，例如便攜式或可穿戴儀表或其他設(shè)備。（相關(guān)的熱加工工藝，熱板焊接，在將兩個零件壓在一起之前使用加熱板加熱它們的相對邊緣。但是，這種工藝在醫(yī)療制造中并不常見。） 

清潔紅外焊接技術(shù)

清潔紅外技術(shù)可以焊接任何尺寸的零件，但它最常用于較大的零件和組件。飾面部件表面由帶輪廓的非接觸式紅外線發(fā)射器加熱。一旦材料軟化，發(fā)射器就會被移除，部件在壓力下被組裝在一起。結(jié)果是干凈、美觀且?guī)缀鯚o顆粒的焊縫。

除了焊接各種材料和零件幾何形狀外，清潔紅外技術(shù)非常溫和，可以連接復(fù)雜的組件而不會損壞預(yù)先組裝的內(nèi)部零件。然而，紅外工具通常更復(fù)雜，開發(fā)成本更高，周期也相對較長。因此，清潔紅外技術(shù)被選擇性地用于醫(yī)療應(yīng)用。一個例子是血液過濾器。（有關(guān)優(yōu)點(diǎn)和限制的摘要，請參閱下表。）

那么，那個塑料接合技術(shù)更適合您的產(chǎn)品呢？

幾乎每個產(chǎn)品組裝都有關(guān)鍵特性或性能要求，導(dǎo)致最初考慮一兩種特定的連接方法。此外，工程師可能更喜歡基于過去經(jīng)驗(yàn)的特定連接過程。但無論評估和選擇過程如何開始，該過程都必須涵蓋一系列因素：

材料。零件材料是一個主要因素，因?yàn)樗仨毞线B接工藝要求。每當(dāng)產(chǎn)品結(jié)合小塑料部件時，幾乎總是考慮超聲波焊接。然而，當(dāng)零件由烯烴材料（例如聚丙烯或聚乙烯）、高度改性材料、玻璃填充材料或復(fù)合材料制成時，超聲波焊接的有效性可能會受到限制。對于此類零件，制造商可能會考慮可以超聲波焊接的替代材料。或者，他們必須在能夠更有效地連接零件材料的其他工藝中進(jìn)行選擇。

零件尺寸。 雖然振動焊接和 CVT 接受大型零件，但超聲波焊接不接受，因?yàn)槠渎晫W(xué)調(diào)諧工具的局限性。激光焊接當(dāng)然能夠連接較大的零件并生產(chǎn)干凈且美觀的組件，但由于成本相對較高，制造商通常將其用于較小的零件。
對于必須批量生產(chǎn)的小型設(shè)備，超聲波焊接通常是首選技術(shù)。通常，制造商使用更高的頻率/更低的振幅（和更輕的下壓力）來組裝小而易碎的零件。例如，許多設(shè)備制造商可能會使用具有非常輕下壓力的 40 kHz 超聲波焊接機(jī)來成功組裝設(shè)備，而不會彎曲、偏轉(zhuǎn)甚至使易碎部件破裂。最新一代的超聲波技術(shù)可以比以往任何時候都具有更高的靈敏度和預(yù)知性來調(diào)節(jié)下壓力（開始焊接所需的力）。而且，連接僅需幾分之一秒，周期非?？烨曳浅９?jié)能。
隨著零件變得更大更堅(jiān)固（更厚的壁、更長的表面等），頻率會降低，但振幅和下壓力會增加，同時用于將零件固定到位的下壓力也會增加。因此，許多中型零件可能會在 30 kHz 至 20 kHz 范圍內(nèi)進(jìn)行超聲波焊接，然后降低到 15 kHz，直到達(dá)到該過程的尺寸限制。然后，對于更大和更堅(jiān)固的零件，振動焊接或 CVT 使用更低的頻率和更高的振幅，是合乎邏輯的答案。

零件形狀或幾何形狀。 任何通過摩擦（超聲波、振動或旋轉(zhuǎn)焊接）產(chǎn)生熱量的連接過程都必須具有具有相對平直或平坦連接表面的部件，以便工具可以接觸并且振動運(yùn)動可以通過部件傳遞。旋轉(zhuǎn)焊接需要一個帶有輪廓或凹口的圓形零件，可用于夾住零件并施加旋轉(zhuǎn)力。
依賴于直接加熱的工藝，例如 CVT 或紅外焊接，用途更廣，因?yàn)樗鼈兊墓ぞ吆蛡鳠岜砻娴妮喞梢赃m應(yīng)幾乎任何零件尺寸或幾何形狀。

零件清潔度/美觀度。 顯然，醫(yī)療產(chǎn)品和設(shè)備通常必須滿足清潔度和純度的高要求。許多是在潔凈室環(huán)境中制造和包裝的，其零件細(xì)節(jié)和流動路徑幾乎對雜質(zhì)（如飛邊和微粒）沒有容忍度。
當(dāng)清潔度非常重要時，激光焊接通常是答案，特別是對于要求無顆粒質(zhì)量的醫(yī)療設(shè)備。然而，如果零件配合表面可以設(shè)計(jì)為具有包含熔體閃光和顆粒物的特征，超聲波焊接、振動焊接或 CVT 可以提供更具成本效益的答案。

上圖：該圖表根據(jù)不同部件和材料特性方面的經(jīng)驗(yàn)，說明了按工藝獲得良好連接結(jié)果的可能性。異常確實(shí)會發(fā)生。具有“有限”連接概率的材料和零件通常取決于應(yīng)用或材料的特定因素。

內(nèi)部組件。 體外診斷和植入式醫(yī)療傳感器、分析儀和給藥設(shè)備的市場正在爆炸式增長。像這樣的應(yīng)用，其中組件包含電子元件，需要溫和的連接方法，因此高頻超聲波焊接 (40 kHz) 或無振動激光焊接可能是候選者。激光焊接提供美觀的連接，而不會導(dǎo)致復(fù)雜特征或小零件變形。它還可以在小部件之間形成氣密密封，而不會產(chǎn)生極少的飛邊或微粒，這種質(zhì)量對于需要潔凈室質(zhì)量的組裝和包裝以及可信賴的產(chǎn)品提供精確的胰島素、激素或藥物輸送療法至關(guān)重要。而且，因?yàn)樗粫诹慵g引入振動或機(jī)械運(yùn)動，激光焊接可實(shí)現(xiàn)極其精確的焊縫對準(zhǔn)和部件對部件的密封。焊縫快速、完美清潔、零最小顆粒和零飛邊。

生產(chǎn)速度。 焊接周期在幾分之一秒內(nèi)測量，沒有比超聲波焊接更快的連接過程，因此它非常適合大規(guī)模生產(chǎn)滿足尺寸和材料要求的醫(yī)療產(chǎn)品和設(shè)備。它的同類產(chǎn)品——旋轉(zhuǎn)焊接和振動焊接——也能夠快速連接零件，典型的周期為一到幾秒。在直接或間接加熱零件的連接方法中，激光焊接是最快的，通常緊隨其后的是 CVT 和清潔紅外技術(shù)。

資金成本。 一旦您確定了高質(zhì)量的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和最佳連接方法，連接設(shè)備的實(shí)際成本應(yīng)該是您的最終考慮因素。

為您的應(yīng)用選擇最有利技術(shù)的最佳選擇是在決策過程中保持開放的心態(tài)并保持“過程中立”。了解每個可用工藝的優(yōu)勢和局限性，并與設(shè)備/解決方案提供商密切合作，開發(fā)最適合您的制造和應(yīng)用要求的解決方案。