Laserdurchstrahlschweißen an einer Infusionspumpe Saubere ... · sdfsdf Spannvorrichtung in...
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In der Medizintechnik werden immer mehr Kunststoff- anwendungen eingesetzt. Kunststoffe spielen außer bei Einwegartikeln zunehmend auch bei hochwertigen Systemen eine Rolle. Die Weiterentwicklung von beste- henden Produkten hat immer häufiger zum Ziel, nicht nur Kosten zu sparen, sondern für den Patienten auch komfortabler und sicherer zu sein. Dieser Trend ist auch in kostengünstigen ambulanten Therapiesystemen zu beobachten. Diese können dem Patienten dadurch bei gleichzeitig geringeren Behandlungskosten Mobi- lität und Sicherheit gewährleisten. Die RowePump Infu- sionspumpe der RoweMed AG, welche mittels Laser- strahlung mit einem Leister-Lasersystem vom Typ Novolas WS gefügt wird, erfüllt all diese Kriterien. Das Produkt Die RowePump ist eine zum Patent angemeldete, physika- lisch angetriebene Infusionspumpe. Sie dient zur Verabrei- chung von kritischen Medikamenten und ist weltweit die erste Infusionspumpe, die ohne zusätzlichen elektrischen Antrieb eine Flowratenkonstantregelung enthält. Sie verbin- det Funktion, Sicherheit, Komfort und Mobilität für den Patienten und kann bei intravenösen und subkutanen Infu- sionen eingesetzt werden. Das breite Einsatzfeld der RowePump reicht von der Onkologie, Schmerztherpie, über die Verabreichung von Antibiotika, Kortikoide, Hormone, Antiepileptika, Spasmolytika, bis hin in den Bereich der Kardiologie. Die robuste Pumpe gibt es mit unterschiedlichen Füllungs- volumina und kann je nach Anwendungsgebiet mit Flow- raten von 0.5 ml/h bis 25 ml/h betrieben werden. Herausragend ist die Flowratenkonstanz mit Abweichungen von nur ±5% während der gesamten Verabreichungszeit. Ein weiterer positiver Aspekt ist das geringe Medikamen- tenrestvolumen von < 1ml. All diese für den Mediziner wie auch für den Patienten positiven Aspekte beruhen auf einer ausgereiften Konstruktion, der Auswahl geeigneter Werk- stoffe und Additive sowie den exakten und gut aufeinander abgestimmten Fertigungsprozessen. Um die erforderliche hohe Genauigkeit zu erreichen, muss der Fügeprozess ins- besondere an den für die Dosierung besonders wichtigen Teilen hohen Anforderungen genügen. Das Laserdurch- strahlschweißen mit seiner berührungslosen und exakt dosierbaren Energieeinbringung bietet sich hier als Füge- verfahren an. Das Fügeverfahren Das Laserdurchstrahlschweißen von Kunststoffen konnte sich in den letzten Jahren als Fügeverfahren in der indu- striellen Kunststoffverarbeitung etablieren. Auch in der Medizintechnik kommt es mehr und mehr zum Einsatz. Beim Laserdurchstrahlschweißen wird ein Bauteil, welches für die Laserstrahlung des Diodenlasers durchlässig ist, mit einem die Laserstrahlung absorbierenden Bauteil gefügt. Die Bauteile werden vor dem Schweißen mittels einer Laserdurchstrahlschweißen an einer Infusionspumpe Saubere und effiziente Lösung Success Story, No 1/09 / GER Februar 2009 1 An der RowePump werden zwei Deckel mittels Laserdurchstrahlschweißen exakt und partikelfrei gefügt.
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In der Medizintechnik werden immer mehr Kunststoff-anwendungen eingesetzt. Kunststoffe spielen außer beiEinwegartikeln zunehmend auch bei hochwertigenSystemen eine Rolle. Die Weiterentwicklung von beste-henden Produkten hat immer häufiger zum Ziel, nichtnur Kosten zu sparen, sondern für den Patienten auchkomfortabler und sicherer zu sein. Dieser Trend istauch in kostengünstigen ambulanten Therapiesystemenzu beobachten. Diese können dem Patienten dadurchbei gleichzeitig geringeren Behandlungskosten Mobi-lität und Sicherheit gewährleisten. Die RowePump Infu-sionspumpe der RoweMed AG, welche mittels Laser-strahlung mit einem Leister-Lasersystem vom TypNovolas WS gefügt wird, erfüllt all diese Kriterien.
Das ProduktDie RowePump ist eine zum Patent angemeldete, physika-lisch angetriebene Infusionspumpe. Sie dient zur Verabrei-chung von kritischen Medikamenten und ist weltweit dieerste Infusionspumpe, die ohne zusätzlichen elektrischenAntrieb eine Flowratenkonstantregelung enthält. Sie verbin-det Funktion, Sicherheit, Komfort und Mobilität für denPatienten und kann bei intravenösen und subkutanen Infu-sionen eingesetzt werden. Das breite Einsatzfeld derRowePump reicht von der Onkologie, Schmerztherpie,über die Verabreichung von Antibiotika, Kortikoide, Hormone,Antiepileptika, Spasmolytika, bis hin in den Bereich derKardiologie.
Die robuste Pumpe gibt es mit unterschiedlichen Füllungs-volumina und kann je nach Anwendungsgebiet mit Flow-raten von 0.5 ml/h bis 25 ml/h betrieben werden.Herausragend ist die Flowratenkonstanz mit Abweichungenvon nur ±5% während der gesamten Verabreichungszeit.Ein weiterer positiver Aspekt ist das geringe Medikamen-tenrestvolumen von < 1ml. All diese für den Mediziner wieauch für den Patienten positiven Aspekte beruhen auf einerausgereiften Konstruktion, der Auswahl geeigneter Werk-stoffe und Additive sowie den exakten und gut aufeinanderabgestimmten Fertigungsprozessen. Um die erforderlichehohe Genauigkeit zu erreichen, muss der Fügeprozess ins-besondere an den für die Dosierung besonders wichtigenTeilen hohen Anforderungen genügen. Das Laserdurch-strahlschweißen mit seiner berührungslosen und exaktdosierbaren Energieeinbringung bietet sich hier als Füge-verfahren an.
Das FügeverfahrenDas Laserdurchstrahlschweißen von Kunststoffen konntesich in den letzten Jahren als Fügeverfahren in der indu-striellen Kunststoffverarbeitung etablieren. Auch in derMedizintechnik kommt es mehr und mehr zum Einsatz.Beim Laserdurchstrahlschweißen wird ein Bauteil, welchesfür die Laserstrahlung des Diodenlasers durchlässig ist, miteinem die Laserstrahlung absorbierenden Bauteil gefügt.Die Bauteile werden vor dem Schweißen mittels einer
Laserdurchstrahlschweißen an einer Infusionspumpe
Saubere und effiziente Lösung
Success Story, No 1/09 / GER Februar 2009
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An der RowePump werden zwei Deckel mittels Laserdurchstrahlschweißen exakt und partikelfrei gefügt.
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Spannvorrichtung in Kontakt gebracht. Der Laserstrahl durch-dringt das transparente Bauteil und wird im Fügepartnerabsorbiert. Die Laserenergie wird in Wärme umgewandelt.Durch Wärmeleitung wird nicht nur das absorbierendeBauteil sondern auch das transparente Bauteil exakt in derFügezone aufgeschmolzen. Beim Abkühlen entstehtdadurch unter dem durch die Spannvorrichtung aufgebrachteFügedruck eine feste Schweißnaht.
Prozessauswahl und -optimierungBei der RowePump sind die Anforderungen an die Schweiß-naht hoch. Als Werkstoff kommt ein speziell für medizin-technische Anwendungen optimiertes Polycarbonat zumEinsatz. Das Gehäusemittelteil ist gemäß den Designvor-gaben blau eingefärbt. Auf dieses Teil wird von jeder Seiteje ein transparenter Deckel geschweißt. Die Bauteile müs-sen einem Innendruck von bis zu 4 bar standhalten. Nichtzuletzt aufgrund der hohen Hygieneanforderungen des direktbeim Patienten anzuwendenden Geräts und der integriertenMikrokanäle mit Durchmessern im >10 µm Bereich, müssendie Schweißungen absolut partikelfrei erfolgen. Da sich dieseMikrokanäle in unmittelbarer Nähe der Schweißnaht befind-lichen, ist eine große Präzision in der Energieeinbringunggefordert. Ferner soll die Zykluszeit möglichst kurz sein. Beider Evaluation nach einem Fügeverfahren, welches all diese
Bedingungen erfüllt, hat sich schnell das Laserdurchstrahl-schweißen als geeignet herauskristallisiert.
Doch einfach war die Lösung nicht. Erste Vorversuche warenernüchternd. Die Eindringtiefe der ausgewählten Laser-strahlung war im blau eingefärbten Material zu hoch. Eswurde zu tief aufgeschmolzen und weder die geforderteMaßhaltigkeit noch die Festigkeit konnten erreicht werden.
An dieser Stelle begann eine intensive Zusammenarbeitzwischen Treffert Polymertechnologie, dem Lasersystem-hersteller Leister und dem Endkunden RoweMed.
Die Aufgabe war es, eine Farbe mit Funktion zu entwickeln.Diese muss zum einen dem Blau der Firmenfarbe des Kun-den entsprechen, des weiteren den hohen Anforderungender Medizintechnik standhalten, die mechanischen Eigen-schaften des Kunststoffes nicht beeinflussen und zusätzlicheine optimale Absorption der Laserenergie in der Bauteil-oberfläche ermöglichen.
Kunststoffe lassen im Allgemeinen das Licht im NIR-Bereich je nach Polymertyp bis zu 95% ungehindert pas-sieren. Erst durch den Zusatz von Additiven und/oderFarbmitteln wird eine Absorption der Energie und somit einAufschmelzen des Kunststoffes erreicht.
Zur Ermittlung der optimalen Rezeptur wurde zuerst eineEntwicklung mit einer Absorption bei 980 nm durchgeführt.Es wurde jedoch eine zu geringe Oberflächenabsorption erzielt.Zur Verbesserung der Absorption wurde eine Rezeptur miteinem Absorptionsmaximum bei 1064 nm erstellt. Die er-reichte Farbstellung entsprach allerdings nicht den Vorstel-lungen des Kunden. Der optimale Farbton mit dem benö-tigten Absorptionsverhalten wurde mit einer niedrigerenAbsorptionswellenlänge erreicht. Um eine gleichmäßigeVerteilung des Absorbers in der Kunststoffmatrix sicher zustellen, wurde ein Compound produziert. Treffert kann aufeine jahrelange Erfahrung bei der Entwicklung von laser-transparenten und laserabsorbierenden Farben zurückgrei-fen, die auch in diesem Fall zu einer erfolgreichen Lösungbeigetragen hat. Im nächsten Schritt galt es, Spaltmaßezwischen den zu schweißenden Bauteilen zu vermeiden,die sonst den Schweißprozess stark beeinträchtigen wür-den. Durch Optimierung des Werkzeuges und des Spritz-gussprozesses konnten Einfallstellen, die Spalte > 0,1 mmverursachen, eliminiert werden.
Das Lasersystem in der FertigungDas Fügen der verschiedenen Bauteile der RowePump mit-tels Laserdurchstrahlschweißen wird auf einem Lasersystemdes Schweizer Unternehmens Leister Process Technologiesdurchgeführt. Es kommt ein System der Baureihe NovolasWS (Workstation) zum Einsatz. Das Fertigungssystem istmit einem Diodenlaser mit 50 W Ausgangsleistung und derfür den Absorber geeigneten Wellenlänge ausgestattet. Esbeinhaltet zwei Linearachsen mit einem Verfahrweg vonjeweils 250 mm, welche die Relativbewegung zwischenLaser-strahl und Bauteil ausführen.
Für die zu produzierende Stückzahl von 200’000 bis400’000 Teilen pro Jahr ist eine Standard-Workstation, inder Ausführung als Handarbeitsplatz bestens geeignet. Die
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Auf einem Leister-Lasersystem vom Typ Novolas WS werden die Deckel der RowePump geschweißt.
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Bauteile werden manuell bestückt und entnommen. Dereigentliche Schweißprozess erfolgt im lasersicher geschlos-senen Bearbeitungsraum der Maschine automatisch.
Die Spannvorrichtung ist doppelt ausgelegt. Zwei Bauteilekönnen unabhängig voneinander gespannt werden. Auf demeinen Teil wird das Oberteil, auf dem anderen das Unterteilangedrückt. Es befinden sich also immer zwei Teile in derMaschine. Bei jedem Schweißzyklus werden je ein Oberteilauf ein Mittelteil und ein Unterteil auf dieses bereits gefügteEnsemble geschweißt. Dieser Ablauf gewährleistet, dass mitjedem Zyklus ein beidseitig geschweißtes Bauteil derMaschinen entnommen werden kann, ohne die Maschineumrüsten zu müssen. Ferner liegen nur komplett geschweißteTeile vor, so dass eine Zwischenlagerung von «halbgeschweiß-ten» Bauteilen entfällt.
Um dem Bediener die Arbeit zu erleichtern und einen siche-ren Prozessablauf zu gewährleisten, ist die Maschine mitweiteren Features ausgestattet: Die Bauteilaufnahmen inden Spannvorrichtungen sind jeweils überwacht, so dassdie Anwesenheit und richtige Positionierung derBauteile detektiert wird. Die Bestückungsöffnungist mit einem Lichtvorhang ausgestattet. So wirderkannt, wann der Bediener den Bestückungs-vorgang abgeschlossen hat. Der Prozess wirddann automatisch gestartet. Ein zusätzlichesmanuelles Startsignal – wie beispielsweise einTastendruck – kann also entfallen.
Durch die so erzielte Zykluszeit ist die Maschinebei der angestrebten Stückzahl zu etwa 50%ausgelastet. Die freie Kapazität kann durch denAusbau der Produktion oder das Schweißenvon anderen Bauteilen genutzt werden. Denkbarist für RoweMed auch, die Auslastung des Laser-schweißsystems durch Lohnarbeit für weitereFirmen zu erhöhen.
FazitLaserdurchstrahlschweißen von thermoplastischen Kunst-stoffen etabliert sich mehr und mehr bei Anwendungen ausder Medizintechnik. Die Restriktionen bezüglich der Einfär-bung entfallen durch immer effektivere Absorber und ver-besserte Farbsysteme. Die Lasersysteme werden leis-tungsfähiger und gleichzeitig preiswerter, neue Fügekon-zepte erweitern die Anwendungsbereiche. Die Anwenderkönnen sich Vorteile wie die hohe Präzision der Schweiß-naht sowie des sauberen und partikelfreien Fügeprozesseszunutze machen, ohne Abstriche hinsichtlich der anderenNahteigenschaften wie bspw. der Festigkeit hinnehmen zumüssen. Durch eine Zusammenarbeit von Anwendern,Masterbatch/Compound-Lieferant sowie Lasersystemher-stellern bereits in frühen Projektphasen können für vieleAnwendungen wirtschaftliche und qualitativ hochwertigeLösung effizient gefunden und umgesetzt werden.
Success Story, No 1/09 / GER
Autoren: Dipl.-Ing. Oliver Hinz, Produktmanager Lasersysteme, Leister Process Technologies, Kägiswil/Schweiz [email protected]
Dipl.-Ing. Nadia Einnolf, Produktmanagerin, RoweMed AG, Parchim/Deutschland [email protected]
Dr. Sibylle Glaser, Leitung Entwicklung, Treffert GmbH & Co.KG, Bingen/Deutschland [email protected]
Die Infusionspumpe RowePump der RoweMed AG.(Originalgrösse: 100 x 60 x 20 mm)
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