Schweißgeräte In 4 Schritten zum effizienten Nachrüsten von Ultraschall-Schweißsystemen

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Ultraschall-Schweißsysteme sind bei der Montage zahlreicher medizinischer Geräte erforderlich. Neben Verschleiß und ausbleibender Kalibrierung der Schweißgeräte erfordert die Herstellung der heutigen medizinischen Geräte außerdem ein höheres Maß an Qualität sowie Datenerfassung als noch vor einem Jahrzehnt. Worauf muss beim Nachrüsten geachtet werden? Eine Übersicht.

Medizinische Geräte, wie In-vitro-Tests, Diagnose-Kartuschen, chirurgische Instrumente, Geräte zur Medikamentenverabreichung, tragbare Geräte und viele andere Anwendungen, erfordern in der Regel eine Montage, häufig unter Verwendung von Ultraschall-Schweißsystemen. Das jährliche Volumen vieler dieser Produkte geht in die Zigmillionen, während die Baugruppen rund um die Uhr laufen müssen. Folglich haben Ultraschall-Schweißgeräte seit ihrem Einbau womöglich schon mehr als eine Milliarde Zyklen hinter sich, mit entsprechendem Verschleiß und Problemen aufgrund fehlender regelmäßiger Kalibrierung und vorbeugender Wartung. Wenn Komponenten veralteter Geräte ausfallen, wird es schwierig, Ersatz für die Reparatur zu beschaffen, was zu langen (und teuren) Ausfallzeiten führen kann.

Hinzu kommt, dass die heutigen Standards für die Herstellung medizinischer Geräte eine bessere Qualität sowie ein höheres Maß an Datenerfassung, -speicherung, -integrität und -sicherheit erfordern als noch vor zehn Jahren. Veraltete Schweißgeräte mit analoger Steuerung und begrenzter Datenspeicherung sind den Aufgaben einfach nicht gewachsen. Diese Geräte und die von ihnen erzeugten Daten können nur vom Personal vor Ort verarbeitet werden. Es gibt keine Möglichkeit, Herstellungs- oder Steuerungsinformationen direkt zu übermitteln oder die Leistung der Geräte aus der Ferne zu überwachen.

Gleichzeitig müssen Hersteller die Produktivität steigern, Ausfallzeiten reduzieren oder die Regelung, Fehlersuche und Wartung in Echtzeit ermöglichen. Möglicherweise müssen sie sich auch an das Arbeiten mit komplexen Baugruppen samt eingebetteter Elektronik oder alternativen Materialien wie Biokunststoffen anpassen.

Problematische Komponenten

Es gibt drei Teile in Ultraschall-Schweißgeräten, die bei veralteten Modellen größere Probleme verursachen können.

Die Spannungsversorgung steuert den Ultraschallprozess, überwacht den Schweißprozess und kommuniziert mit der SPS (speicherprogrammierbaren Steuerung). Sie nimmt die Netzspannung (aus der Steckdose) mit einer Nennspannung von 240 V auf und wandelt sie in ein Hochfrequenzsignal um, das die nachfolgenden Schweißkomponenten ansteuert. Sie stellt auch die vorprogrammierten Schweißparameter bereit, die für den Betrieb des Antriebs und der Ultraschallwerkzeuge (der „Resonanzeinheit“) erforderlich sind, die zusammenwirken, um Schweißungen durchzuführen. Wenn ein Bauteil in einer veralteten Spannungsversorgung ausfällt, wird das gesamte System funktionsunfähig und die Benutzer werden für einen längeren Zeitraum in eine unangenehme „Ausfall“-Situation versetzt, bis Ersatzteile, sofern verfügbar, gefunden und installiert werden können. Das Problem wird durch die weltweite Chip-Knappheit noch verstärkt, da die Unterbrechungen der Lieferkette bei älteren Leiterplatten besonders gravierend sind.

Die akustische Resonanzeinheit, bestehend aus Konverter, Booster und Sonotrode, ist so konzipiert, dass sie mit einer bestimmten Frequenz und Amplitude schwingt und dabei Reibungswärme und Druckkraft erzeugt, um die Schweißnaht fertigzustellen. Da die Komponenten der Resonanzeinheit unter mechanischer Belastung arbeiten, können sie durch Materialermüdung, Mikrobrüche oder normalen Verschleiß geschädigt werden. Daher sollte der Zustand dieses kritischen Bauteils regelmäßig überwacht und sorgfältig aufrechterhalten werden, um einen Ausfall zu verhindern. Bei älteren Systemen ist ein kompletter Austausch eventuell noch von der Garantie abgedeckt.

Der Antrieb, der die akustische Resonanzeinheit zur Ausführung der Schweißung antreibt, wurde in den letzten Jahren stark verändert, und je nach Anwendung können neue Geräte erhebliche Vorteile bieten. Herkömmliche pneumatische Antriebe können verschleißanfälliger sein als neuere elektromechanische (Servo-)Antriebe. Darüber hinaus bietet der elektromechanische Servoantrieb mehr Flexibilität und Präzision (siehe Dynamic Mode weiter unten). Das soll nicht heißen, dass pneumatische Systeme veraltet sind. Beide Ansätze sind sinnvoll, je nach Faktoren wie Budget, Zykluszeit, Komplexität usw.

Neue Technologie für die Spannungsversorgung

Die Spannungsversorgung hat sich in den letzten Jahren stark verändert, von analogen zu volldigitalen Systemen mit geschlossenem Regelkreis und Steuerung kritischer Schweißparameter. Eine neuere Spannungsversorgung nutzt beispielsweise die Vorteile von Webdiensten und ermöglicht Regelung, Überwachung und Kommunikation in Echtzeit. Benutzer können sich bei den angeschlossenen Geräten anmelden und die Schweißgeräte überwachen und steuern. Funktionen wie diese ermöglichen es medizinischen Herstellern, den Zustand ihrer Montagesysteme digital zu überwachen, indem sie Werte wie Frequenz oder Leistungsaufnahme verfolgen. Schwankungen der Werte können frühzeitige Hinweise auf eine Abnutzung in der akustischen Resonanzeinheit liefern. Das Nachrüsten von Ultraschall-Schweißsystemen ist eine präventive Möglichkeit, um die Systemleistung zu optimieren, kurzfristige Wartungsprobleme zu erkennen und ungeplante Ausfallzeiten der Anlage zu minimieren oder ganz zu vermeiden.

Außerdem ermöglichen die modernen Datenerfassungsfunktionen der digitalen Netzteile die Überwachung von Prozessparametern in Echtzeit, die Festlegung von Ober- und Untergrenzen für Schweißresultate sowie die Konfiguration von Alarmen, welche Schweißzyklen von Teilen markieren, die außerhalb der Prozessgrenzen liegen. Dies ermöglicht die automatisierte Verarbeitung von Schlechtteilen und die Datenprotokollierung, die für die Aufrechterhaltung höchster Qualität unerlässlich sind, sowie die 100-prozentige Rückverfolgbarkeit, die von Normen wie der 21 CFR Part 11 der U.S. Food and Drug Administration (FDA) gefordert wird, die von den Herstellern elektronische Aufzeichnungen, Datenverwaltung und Prüfpfade verlangt.

Dynamischer Modus

Medizinische Geräte enthalten oft komplexe Teile mit sehr engen Schweißtoleranzen oder einem hohen Automatisierungsgrad. Weitere problematische Situationen betreffen Kunststoffteile, die komprimierbar sind oder komprimierbare Elemente enthalten, die in Substrate mit unterschiedlichen Härten oder strukturellen Unregelmäßigkeiten eingesetzt werden oder die empfindliche Metall- oder Elektronikkomponenten enthalten oder über diesen installiert werden. Alternative Materialien wie Biokunststoffe, die niedrigere Temperaturen und ein insgesamt engeres Verarbeitungsfenster als herkömmliche Kunststoffe erfordern, um eine hochwertige Schweißnaht zu erzielen, stellen ebenfalls eine Herausforderung dar.

Derartige Anwendungen erfordern oft modernere Systeme, welche die Leistung des Schweißgeräts auf einen einzigen Faktor optimieren, der für die Qualität des Werkstücks entscheidend ist, etwa die Energie (Joule pro Schweißnaht), die Spitzenleistung, den Weg (Relativweg des Teils) oder die Gesamtschweißzeit.

Um die Einschränkungen der auf einen Faktor ausgerichteten Schweißverfahren zu überwinden, hat Emerson einen neuen, zum Patent angemeldeten „dynamischen Modus“ entwickelt, der im GSX-E1 verfügbar ist. Der dynamische Modus nutzt ein modernes Servo-System und kombiniert Rechenleistung und Algorithmen mit schneller Datenkommunikation, um den Schweißprozess in Echtzeit zu überwachen, neu zu berechnen und anzupassen und somit ein optimales Ergebnis zu erzielen.

Beim dynamischen Modus wählt der Hersteller den Einfaktor-Schweißmodus, etwa Energie, Weg oder Zeit, der bei einer neuen Anwendung die besten Ergebnisse liefert. Anschließend gibt der Benutzer zwei zusätzliche Werte („Scores“) ein, die als Grenzen für die Aktivität im dynamischen Modus fungieren. Dies ist zum einen der Wert für die Werkstoffdichte, der im Wesentlichen die Härte oder Beständigkeit des Werkstoffs beschreibt, der das geschweißte, heißverstemmte oder eingefügte Teil aufnimmt (ein niedriger Dichtewert entspricht einem eher harten, beständigen Werkstoff). Der zweite Wert ist ein Schweiß-Reaktivitäts-Score, mit dem die zulässige Variabilität des Endergebnisses angepasst wird (ein niedriger Reaktivitäts-Score entspricht einem homogeneren Ergebnis). Dann wird im dynamischen Modus jeder Schweißzyklus anhand der Dichte- und Reaktivitätsgrenzwerte überwacht, um den Zyklus bei bestimmten Abweichungen von Teil zu Teil während des Produktionslaufs anpassen zu können.

Vier Schritte zum besseren Schweißen

Wie zu Beginn des Artikels erwähnt, ist es durchaus möglich, dass die Produktivität gesteigert und Ausfallzeiten verringert werden können, wenn die Schweißgeräte einer Anlage sieben Jahre oder älter sind und wenigstens einige der Systeme ausgetauscht werden. Doch woher wissen Hersteller das mit Sicherheit und – was noch wichtiger ist – wie gehen sie ein solches Projekt auf intelligente und organisierte Weise an, ohne ihren Betrieb unnötig zu stören?

Am besten ist es, mit einem Lieferanten zusammenzuarbeiten, der über die nötige Erfahrung, globale Ressourcen und definierte Verfahren verfügt, um die Hersteller zu unterstützen. Empfohlen wird ein vierstufiger Prozess, um Kunden bei diesen schwierigen Entscheidungen zu unterstützen:

• 1. Begehung und Bewertung vor Ort: Ein Experte des Lieferanten besucht die Kunden-Anlage und überprüft und dokumentiert die vorhandenen Geräte, deren Zustand und Leistung.

• 2. Lösung identifizieren und testen: Nach Rücksprache mit Kundenverantwortlichen wird ein bestimmtes Schweißsystem für die Nachrüstung identifiziert. Je nach Alter der Geräte kann eine komplette Nachrüstung der Anlage auf eine moderne Version mit erweiterten Funktionen erforderlich sein. Es können Schweißversuche durchgeführt werden, um Vertrauen zu schaffen, dass die empfohlenen Lösungen die Anwendungs- und Produktionsanforderungen erfüllen oder übertreffen. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Minimierung von Produktionsunterbrechungen und der Bewertung der potenziellen Vorteile einer Nachrüstung.

• 3. Strategischer Plan: Auf Grundlage der Testdaten entwickelt der Lieferant gemeinsam mit dem Kunden einen Plan, um alle mangelhaften oder veralteten Geräte auf den Stand der Technik zu bringen, der für eine effiziente Produktion, moderne Datenerfassung und Prozessoptimierung erforderlich ist. Es wird ein Zeitplan erstellt, der die Vorlaufzeiten der Geräte berücksichtigt und unnötige Ausfallzeiten während des Einbaus vermeidet.

• 4. Einbau: Die Geräte werden geliefert, eingebaut, kalibriert und zur Abnahme durch den Kunden getestet. Bei Bedarf werden Mitarbeiterschulungen angeboten.

Risiken vermeiden

Bei Arbeiten im Kontext medizinischer Geräte sind Risiken stets zu vermeiden. Die Nachrüstung von Anlagen ermöglicht eine bessere Steuerung, Echtzeitüberwachung und weniger Ausschuss, was das Risiko kostspieliger Ausfallzeiten verringert. Dennoch können Projekte zur Modernisierung und zum Austausch von Geräten eine Reihe von Risiken mit sich bringen. Daher empfiehlt es sich, mit einem Anbieter zusammenzuarbeiten, dessen globale Präsenz gewährleistet, dass immer Personal in der Nähe ist. Durch die Auswahl modernster Branson-Produkte können Hersteller medizinischer Geräte außerdem sichergehen, dass ihre Schweißgeräte effiziente Leistung, höchste Qualität und langfristige Rentabilität gewährleisten.

* Der Autor: David Devine ist Business Development Manager im Bereich Medizintechnik für Branson Schweißen und Montage bei Emerson.

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