Verkapselung von tragbaren Sensoren mit einem vorgemischten Zweikomponenten-Epoxidharz

Der wachsende Markt für tragbare Medizintechnik ist stark auf Miniatursensoren angewiesen, die genaue und kontinuierliche physiologische Daten liefern können. Die Gewährleistung der langfristigen Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit dieser Sensoren, die oft anspruchsvollen Bedingungen wie physischer Belastung, Temperaturschwankungen und Körperflüssigkeiten ausgesetzt sind, hängt von robusten Fertigungsprozessen ab. Ein kritischer Aspekt dieser Fertigung ist die präzise Anwendung biokompatibler Klebstoffe zum Verkapseln empfindlicher Sensorkomponenten.

In dieser Fallstudie werden die Auswahl und der Einsatz eines nicht zytotoxischen Klebstoffs untersucht, der aufgrund seiner Fähigkeit, Sensoren vor rauen Umgebungsbedingungen wie Feuchtigkeit, Staub und mechanischen Einwirkungen zu schützen, ausgewählt wurde. Außerdem wird das automatisierte Dosiersystem vorgestellt, das eingesetzt wird, um die für die skalierbare Produktion dieser hochentwickelten medizinischen Geräte erforderliche Genauigkeit und Konsistenz zu erreichen. Um sicherzustellen, dass der Herstellungsprozess optimiert wurde, war das kombinierte Fachwissen des Marktführers für Flüssigkeitsdosierung Nordson EFD und des Spezialklebstoffherstellers Master Bond entscheidend für die Herstellung hochwertiger tragbarer Sensoren.

Anforderungen an Material und Dosierung

Das für diesen Verkapselungsprozess ausgewählte Produkt musste mehrere wichtige Anforderungen erfüllen, um seine Wirksamkeit und Kompatibilität mit diesem tragbaren Sensor zu gewährleisten. Der Sensor erforderte ein niedrigviskoses Epoxidharz mit Kapillarfließeigenschaften, das eine einfache und präzise Dosierung ermöglichte. Es war entscheidend, dass das Material leicht um die Sensorkomponenten floss und kritische Hohlräume ohne Lücken füllte.

Das Material musste außerdem bei Temperaturen unter 80 °C aushärten, um eine Beschädigung der wärmeempfindlichen elektronischen Bauteile zu vermeiden. Optische Klarheit war eine weitere wichtige Anforderung. Darüber hinaus war ein nicht zytotoxisches Verkapselungsmaterial erforderlich, um eine sichere Verwendung bei Kontakt mit der Haut oder dem menschlichen Körper zu gewährleisten. Schließlich musste der Dosierprozess automatisiert werden und in der Lage sein, pro Sensor konsistent etwa 3 cm³ des Materials zu dosieren.

Material-Lösung: EP21LSCL-2Med

Der Zweikomponenten-Epoxidklebstoff EP21LSCL-2Med von Master Bond erfüllte alle Anwendungsanforderungen. Dank seiner Einstufung gemäß ISO 10993-5 als nicht zytotoxisch war dieses Produkt leichter für den Einsatz in tragbaren Sensoren zu qualifizieren.

EP21LSCL-2Med wurde außerdem für die Aushärtung bei niedrigen Temperaturen entwickelt, sodass es bei Temperaturen unter 80 °C vollständig aushärtet. Dies war entscheidend für den Schutz der empfindlichen Elektronik im tragbaren Gerät. Eine der herausragenden Eigenschaften des Klebstoffs war seine niedrige Mischviskosität, die bei Raumtemperatur mit 500–1000 cps gemessen wurde. Dadurch eignete er sich hervorragend für die Kapillarwirkung, floss leicht und füllte die komplizierten Zwischenräume lückenlos aus.

Das Material wurde in vorgemischten und gefrorenen Spritzen verpackt und in 3-ccm-Kartuschen von Nordson EFD geliefert, was den Prozess hocheffizient machte und Abfall reduzierte.

Das Master Bond EP21LSCL-2Med-Fluid wurde in einer temperaturkontrollierten Box versandt und bis zur Verwendung bei -40 °C gelagert.

Um die Produktintegrität zu gewährleisten, wurden die Spritzen in Trockeneis versandt und bis zur Verwendung bei –40 °C gelagert. Die Bediener konnten die Kartuschen einfach auftauen und in das Dosiersystem von Nordson laden, was den Arbeitsablauf rationalisierte und Handhabungsfehler minimierte.

Verpackung/Ausrüstung: Dosierlösungen für die Herstellung von tragbaren Sensoren

Nordson EFD bietet verschiedene Lösungen für die Flüssigkeitsdosierung zum effektiven Verkapseln von tragbarer Elektronik. Aufgrund der großen Auswahl an Flüssigkeitsdosierungslösungen können Hersteller die richtige Technologie für ihre individuellen Anwendungsanforderungen auswählen.

Da der Master Bond EP21LSCL-2Med eine Verarbeitungszeit von 6 bis 8 Stunden hat, war dies ausschlaggebend für die Auswahl der Dosierlösung für diese Anwendung. Die Verarbeitungszeit einer Flüssigkeit ist die Zeitspanne, in der das Epoxidharz noch flüssig ist und verarbeitet werden kann. Ein weiterer Aspekt bei der Auswahl der Flüssigkeitsdosiertechnologie war, dass die Master Bond-Mischung nach dem Auftauen aus dem -40 °C-Gefrierschrank im Herstellungsprozess nicht wieder eingefroren werden durfte.

Die Master Bond-Flüssigkeiten wurden gefroren geliefert und hatten nach dem Auftauen eine Verarbeitungszeit von 6 bis 8 Stunden.

Um die Anforderung zu erfüllen, dass das Material leicht um die Sensorkomponenten fließt und die komplizierten Zwischenräume füllen kann, ohne Hohlräume in der Anwendung zu hinterlassen, wurden dem Hersteller eine Flüssigkeitsdosiereinheit, ein Ventil, eine Automatisierung, eine Kartusche und Dosiernadeltechnologien empfohlen.

Um die Verwendung innerhalb der Haltbarkeitsdauer von Master Bond EP21LSCL-2Med zu maximieren, empfahlen die Ingenieure von Nordson EFD die Verwendung der hochpräzisen Dosiergeräte Ultimus V. Diese Lösung bot eine hochpräzise Tisch-Flüssigkeitsdosiersteuerung für die manuelle oder automatisierte Anwendung von Flüssigkeiten mit wechselnder Viskosität. So hielt die vollelektronische Druckregelung die kritischen Flüssigkeitsdosierprozesse von Anfang bis Ende konstant, auch wenn sich die Viskosität des Epoxidharzes änderte.

Die Flüssigkeitsdosierlösung Ultimus V wurde empfohlen, da die Dosiermenge unabhängig von Viskositätsschwankungen im EP21LSCL-2Med konstant bleibt. Um die für die Anwendung erforderliche Genauigkeit zu gewährleisten, bietet die Ultimus V-Lösung eine elektronische Steuerung der Dosierzeit, des Luftdrucks und des Vakuums. Die Flüssigkeitsdosierlösung Ultimus V passt sich an die Viskosität der Flüssigkeit an – nach der Programmierung wird der Luftdruck automatisch angepasst, wenn die Flüssigkeit dickflüssiger wird. Wenn der erforderliche Druck weniger als 5 PSI beträgt, ist Ultimus II die passendere Wahl.

Die Flüssigkeitsdosierlösung Ultimus II von Nordson EFD ist eine hervorragende Option für Hersteller, die Epoxidharze mit weniger als 5 PSI dosieren.

Wenn größere Mengen (30 cm³ oder mehr) erforderlich sind, kann ein Nadelventil der Serie xQR41V eine Alternative sein, um Schwankungen zwischen Voll und Leer zu vermeiden. Das Design des xQR41V ermöglicht einen schnellen Flüssigkeitswechsel und eine einfache Reinigung der benetzten Teile am Ende der Schicht. Das Nadelventil verfügt über einen patentierten Schnellverschluss, der eine schnelle und einfache Wartung vor Ort ermöglicht. Darüber hinaus reduziert der geringe Flüssigkeitsrückstand im Flüssigkeitskörper den Flüssigkeitsverlust, und die kompakte Bauweise der Lösung erhöht die Produktionskapazität.

Die Nadelventile der Serie xQR41V sind eine bewährte Wahl für Hersteller, die 30 cm³ oder mehr Epoxidharz für Anwendungen mit höheren Volumen benötigen.

Nach erfolgreichen Tests auf dem Prüfstand empfahl Nordson EFD dem Kunden die Verwendung der automatisierten Tisch-Dosiersysteme der EV-Serie, um die längeren Anforderungen an die automatisierte Dosierung zu erfüllen. Das Automatisierungssystem ließ sich leicht in die Fertigungsabläufe des Kunden integrieren.

Der gleichmäßige Auftrag der Flüssigkeit wurde durch die Verwendung von Allzweck-Edelstahlspitzen in Orange oder Rot von Nordson EFD gewährleistet. Die orangefarbene Dosiernadeln haben eine Stärke von 23 Gauge und einen Innendurchmesser von 0,33 mm/0,013". Diese Düsen eignen sich am besten für die manuelle Auftragung des Materials. Die roten Dosiernadeln haben eine Stärke von 25 Gauge und einen Innendurchmesser von 0,25 mm/0,010". Diese Düsen eignen sich besser für automatisierte Prozesse.

Nordson EFD empfiehlt Flüssigkeitsdosiertechnologien auf der Grundlage eines labororientierten Ansatzes, bei dem Flüssigkeiten, Substrate, Anwendungsziele und Produktionsanforderungen bewertet werden, um eine strategische und beratende Herangehensweise bei der Auswahl der richtigen Lösung für Ihre Anforderungen zu gewährleisten. Die technischen Serviceexperten von Nordson EFD unterstützen Sie bei Ihren individuellen Produktionsherausforderungen – klicken Sie hier, um mehr zu erfahren.

Minimierung von Luftblasen bei vorgemischten und gefrorenen Verpackungen

Eine der häufigsten Herausforderungen bei der Dosierung von Epoxidklebstoffen sind Luftblasen. Um dieses Problem zu lösen, hat Master Bond strenge Entgasungsprotokolle während des Verpackungsprozesses eingeführt. Nach dem Mischen der beiden Komponenten des EP21LSCL-2Med wurde die Formulierung 1–2 Minuten lang bei 2000–3000 U/min zentrifugiert. Dieser wichtige Schritt entfernt eingeschlossene Luft effektiv und reduziert das Risiko von Hohlräumen während der Anwendung. Die entgaste Mischung wird sofort eingefroren. Durch die Verpackung des Klebstoffs in 3-ccm-Kartuschen von EFD ermöglicht Master Bond dem Endverbraucher eine hochpräzise und sichere Anwendung des Epoxidharzes, da jede Kartusche ein gleichmäßiges, blasenfreies Material enthält, das für die automatisierte Dosierung bereit ist.

Diese Methode machte nicht nur das Mischen vor Ort überflüssig, ein Prozess, der anfällig für Schwankungen und Verunreinigungen ist, sondern verbesserte auch die Produktionsverfügbarkeit und Konsistenz erheblich. Es war eine nahtlose Integration von Materialwissenschaft und Verfahrenstechnik, die sicherstellte, dass das Verkapselungsmittel in einer anspruchsvollen medizinischen Anwendung einwandfrei funktionierte. Das Motto von Master Bond lautet, Ingenieuren und Endverbrauchern gleichermaßen dabei zu helfen, spezifische Anforderungen an Klebstoffanwendungen zu erfüllen - klicken Sie hier, um mehr zu erfahren.

Minimierung von Luftblasen beim Dosieren

Da die gefrorene Flüssigkeit schneller auftaut als die Verpackung, in der sie sich befindet, wies Nordson EFD den Kunden darauf hin, den Prozess nicht zu überstürzen und die Spritzen vorsichtig aufzutauen, um Luftblasen, sogenannte Frost-Tau-Hohlräume (FTVs), zu vermeiden.

Um sicherzustellen, dass nach dem Auftauen keine Lufteinschlüsse zurückbleiben, empfiehlt EFD, das Material vor der Verwendung 1–2 Minuten lang zu zentrifugieren. Für diese Anwendung verwendete der Hersteller die Universalzentrifuge ProcessMate 5000.

Schlussfolgerung

Die gemeinsame Anwendung des innovativen vorgemischten und gefrorenen Epoxidharzes von Master Bond und der erstklassigen Dosiertechnologie von Nordson trug maßgeblich zum Erfolg des Kunden bei der Herstellung seiner tragbaren Sensorlösung bei. Diese Synergie löste das Problem der Luftblasenbildung und stellte sicher, dass der Verkapselungsprozess auf dem neuesten Stand der Technik war. Die Sensoren waren vollständig gesichert und boten die für die Anwendung erforderlichen hohen Schutzfunktionen.

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