Encapsulamento de sensores vestíveis usando um epóxi pré-misturado de duas partes

O crescente campo da tecnologia médica vestível depende fortemente de sensores miniaturizados capazes de fornecer dados fisiológicos precisos e contínuos. Garantir a confiabilidade e o desempenho a longo prazo desses sensores — frequentemente sujeitos a condições exigentes, incluindo estresse físico, flutuações térmicas e exposição a fluidos corporais — depende de processos de fabricação robustos. Um aspecto crítico dessa fabricação envolve a aplicação precisa de adesivos biocompatíveis para encapsular componentes delicados do sensor.

Este estudo de caso examina a seleção e a implementação de um adesivo não citotóxico escolhido por sua capacidade de encapsular sensores contra fatores ambientais adversos, como umidade, poeira e impacto mecânico. Ele também explorará o equipamento de dispensação automatizado utilizado para alcançar a precisão e a consistência necessárias para a produção escalável desses dispositivos médicos avançados. Para garantir que o processo de fabricação fosse otimizado, a experiência combinada da Nordson EFD, líder em dispensação de fluidos, e da Master Bond, fabricante de adesivos especiais, foi fundamental para a produção de sensores vestíveis de alta qualidade. 

Requisitos de material e dispensação

O produto selecionado para esse processo de encapsulamento precisava atender a vários requisitos essenciais para garantir sua eficácia e compatibilidade com esse sensor vestível. O sensor exigia um epóxi de baixa viscosidade com características de fluxo capilar que permitisse uma dispensação fácil e precisa. Era fundamental que o material fluísse facilmente ao redor dos componentes do sensor e preenchesse espaços complexos sem deixar vazios.

O material também precisava ser curável abaixo de 80 °C, para evitar que componentes eletrônicos sensíveis ao calor fossem danificados. A clareza óptica era outro requisito fundamental. Além disso, um encapsulante não citotóxico era essencial para garantir o uso seguro quando em contato com a pele ou o corpo humano. Por fim, o processo de dispensação precisava ser automatizado, capaz de dispensar aproximadamente 3 cc do material por sensor de maneira consistente.

Solução de material: EP21LSCL-2Med

O da Master Bond, um adesivo epóxi de dois componentes, atendeu a todos os requisitos da aplicação. A classificação de não citotoxicidade ISO 10993-5 deste produto significava que era mais fácil qualificá-lo para o sensor vestível.

O EP21LSCL-2Med também foi projetado para cura térmica a baixa temperatura, permitindo a cura completa em temperaturas abaixo de 80 °C. Isso foi fundamental para proteger a integridade dos componentes eletrônicos sensíveis dentro do dispositivo vestível. Uma das propriedades de destaque do adesivo era sua baixa viscosidade misturada, medida em 500–1000 cps à temperatura ambiente. Isso o tornou altamente adequado para ação capilar, ajudando o adesivo a fluir facilmente, o que garantiu que os espaços complexos fossem preenchidos adequadamente, sem vazios.

O material foi embalado em seringas pré-misturadas e congeladas, entregues em seringas Nordson EFD de 3 cc, tornando o processo altamente eficiente e reduzindo o desperdício.

O fluido Master Bond EP21LSCL-2Med foi enviado em uma caixa com temperatura controlada e armazenado a -40 °C até o uso.

Para manter a integridade do produto, as seringas foram enviadas em gelo seco e armazenadas a -40 °C até o uso. Os operadores podiam simplesmente descongelar e carregar as seringas no sistema de dispensação da Nordson, simplificando o fluxo de trabalho e minimizando os erros de manuseio.

Embalagem/equipamento: soluções de dispensação para fabricação de sensores vestíveis

A Nordson EFD oferece várias soluções de dispensação de fluidos para encapsular com eficácia dispositivos eletrônicos vestíveis. A ampla seleção de soluções de dispensação de fluidos da empresa permite que os fabricantes escolham a tecnologia certa para suas necessidades específicas de aplicação.

BComo o Master Bond EP21LSCL-2Med tem uma vida útil de 6 a 8 horas, isso influenciou a escolha da solução de dispensação para a aplicação. A vida útil de um fluido é o tempo que o epóxi leva para ficar espesso demais para ser aplicado. Uma consideração adicional para a seleção da tecnologia de dispensação de fluidos foi que, uma vez que o composto Master Bond fosse descongelado à temperatura ambiente a partir do freezer a -40 °C no processo de fabricação, ele não poderia ser recongelado.

Os fluidos Master Bond foram enviados congelados e, após o descongelamento, ofereceram 6 a 8 horas de vida útil.

Para atender ao requisito de que o material fluísse facilmente ao redor dos componentes do sensor e preenchesse os espaços complexos sem deixar vazios na aplicação, foram recomendadas ao fabricante tecnologias de dispensador de fluido, válvula, automação, cartucho e ponta.

Para maximizar o uso dentro da vida útil do Master Bond EP21LSCL-2Med , os engenheiros da Nordson EFD recomendaram o uso dos dispensadores de alta precisão Ultimus V. Essa solução forneceu um controle de dispensação de fluidos de alta precisão para a aplicação manual ou automatizada de fluidos que mudam de viscosidade. Assim, à medida que a viscosidade do epóxi muda, o recurso de regulação eletrônica total manteve os processos críticos de dispensação de fluidos consistentes do início ao fim.

A solução de dispensação de fluidos Ultimus V foi recomendada porque o tamanho da injeção permanece consistente, independentemente das mudanças na viscosidade do EP21LSCL-2Med. Para manter a precisão e e necessária para a aplicação, a solução Ultimus V ofereceu controle eletrônico do tempo de dispensação, pressão de ar e vácuo. A solução de dispensação de fluidos Ultimus V se ajusta à viscosidade do fluido — uma vez programada, a pressão do ar se ajusta automaticamente à medida que o fluido fica mais espesso. Alternativamente, se a pressão necessária for inferior a 5 PSI, o Ultimus II é a melhor escolha.

A solução de dispensação de fluidos Nordson EFD Ultimus II é uma excelente opção para fabricantes que dispensam epóxis a menos de 5 PSI.

Se for necessário um volume maior (30 cc ou mais), uma válvula agulha da série xQR41V pode ser uma alternativa para evitar problemas de variação entre cheio e vazio. O design da xQR41V permite uma troca rápida de fluido e uma limpeza fácil das peças molhadas no final do turno. A válvula agulha possui um fecho de liberação rápida patenteado, permitindo manutenção rápida e fácil em campo. Além disso, o baixo nível de fluidos retidos no corpo do fluido reduz o desperdício de fluido, e o formato reduzido da solução aumenta a capacidade de produção.

A válvula agulha da série xQR41V é uma opção comprovada para fabricantes que precisam de 30 cc ou mais de epóxi para aplicações de maior volume.

Após o sucesso dos testes em bancada, a fim de atender à exigência de tempo mais longo para a dispensação automatizada, a Nordson EFD recomendou que o cliente utilizasse a série EV de sistemas de dispensação automatizados de mesa. O sistema de automação ofereceu fácil integração às operações de fabricação do cliente.

A aplicação consistente do fluido foi mantida com o uso de pontas de aço inoxidável laranja ou vermelhas para uso geral da Nordson EFD. A ponta laranja tem calibre 23 e diâmetro interno de 0,33 mm/0,013". Essa ponta é ideal quando o material é aplicado manualmente. A ponta vermelha tem calibre 25 e diâmetro interno de 0,25 mm/0,010". Essa ponta é mais adequada para processos automatizados.

A Nordson EFD utiliza uma abordagem focada em laboratório para recomendar tecnologias de dispensação de fluidos — avaliando fluidos, substratos, objetivos de aplicação e necessidades de produção para fornecer uma abordagem consultiva na seleção da solução certa para suas necessidades. Os profissionais de serviços técnicos da Nordson EFD podem ajudá-lo com seus desafios de produção exclusivos — clique aqui para saber mais.

Minimizando bolhas de ar para embalagens pré-misturadas e congeladas

Um dos desafios mais comuns na aplicação de adesivos epóxi é a presença de bolhas de ar. Para resolver isso, a Master Bond implementou protocolos rigorosos de desgaseificação durante o processo de embalagem. Após misturar os dois componentes do EP21LSCL-2Med, a formulação foi submetida a centrifugação a 2000–3000 rpm por 1–2 minutos. Essa etapa crítica removeu efetivamente o ar preso e reduziu o risco de vazios durante a aplicação. Essa mistura desgaseificada foi imediatamente congelada. Ao embalar o adesivo em seringas EFD de 3 cc, a Master Bond permitiu que o usuário final aplicasse o epóxi com alta precisão e confiança, sabendo que cada seringa continha um material uniforme e sem bolhas, pronto para a aplicação automatizada.

Esse método não apenas eliminou a necessidade de mistura no local, um processo propenso a variabilidade e contaminação, mas também melhorou drasticamente o tempo de atividade e a consistência da produção. Foi uma integração perfeita entre a ciência dos materiais e a engenharia de processos, garantindo que o encapsulante funcionasse perfeitamente em uma aplicação médica exigente. O lema da Master Bond é sempre ajudar engenheiros e usuários finais a atender aos requisitos específicos de aplicação de adesivos – clique aqui para saber mais.

Minimizando bolhas de ar durante a dispensação

Como o fluido congelado descongela a uma velocidade diferente da embalagem em que está contido, a Nordson EFD lembrou ao cliente para não apressar o processo e descongelar cuidadosamente as seringas para evitar a formação de bolhas de ar, conhecidas como vazios de congelamento-descongelamento (FTVs).

Para garantir absolutamente que não haja bolsas de ar após o descongelamento, a EFD recomenda centrifugar o material por 1 a 2 minutos antes do uso. Para esta aplicação, o fabricante utilizou a Centrífuga Universal ProcessMate 5000.

Conclusão

A aplicação colaborativa do inovador epóxi pré-misturado e congelado da Master Bond, juntamente com a melhor tecnologia de dispensação da Nordson, foi fundamental para o sucesso do cliente na fabricação de sua solução de sensores vestíveis. Essa sinergia resolveu com eficácia o desafio da eliminação de bolhas de ar, o que garantiu que o processo de encapsulamento do fosse de última geração. Os sensores ficaram totalmente protegidos e ofereceram os recursos de alta proteção exigidos na aplicação.

Tem alguma dúvida sobre dispensação que gostaria que respondêssemos? Não hesite em enviar sua pergunta ou comentário para [email protected]. 

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Sobre Anthony Buzzerio

Anthony Buzzerio é engenheiro de aplicações/sistemas II na Nordson EFD. Ele tem 5 anos de experiência no setor de dispensação de fluidos. Buzzerio é bacharel em engenharia pela Roger Williams University de Bristol, RI.

Sobre Venkat Nandivada 

Venkat Nandivada tem mais de 15 anos de experiência na análise de questões relacionadas a aplicações e fornece soluções de produtos para empresas aeroespaciais, eletrônicas, médicas, ópticas e outras. Ele possui mestrado em Engenharia Química pela Carnegie Mellon University. 

Sobre Rohit Ramnath

Rohit Ramnath tem mais de 13 anos de experiência na Master Bond, onde gerencia o desenvolvimento de novos produtos e soluciona problemas de aplicações de clientes nas indústrias médica, aeroespacial, eletrônica e óptica. Ele possui mestrado em engenharia química pela Carnegie Mellon University.