DE3038069A1

DE3038069A1 - Verfahren und vorrichtung zum einschweissen von kanuelenrohren in ansaetzen von einwegspritzen sowie verwendungen von verfahren und vorrichtung

Info

Publication number: DE3038069A1
Application number: DE19803038069
Authority: DE
Inventors: Georg 7300 Esslingen Kolb; Werner 7050 Waiblingen Schepp
Original assignee: Sortimat Creuz and Co GmbH
Current assignee: Sortimat Creuz and Co GmbH
Priority date: 1980-10-08
Filing date: 1980-10-08
Publication date: 1982-04-22

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Einschweißen von Kanülenrohren in Ansätzen von Einwegspritzen sowie Verwendungen von Verfahren und Vorrichtungen Beim Herstellen von Spritzen, insbesondere für medizinische, aber auch für andere Zwecke, werden zunehmend sogenannte Einwegspritzen verwendet, die nach einmaligem Gebrauch oder allenfalls nach einer relativ kleinen Folge von Benutzungen nicht mehr weiterverwendet werden. Derartige Spritzen müssen voll funktionsfähig sein, dürfen auf der anderen Seite aber nicht aufwendig und teuer wegen ihres überwiegend nur einmaligen Gebrauches gestaltet sein. Es hat sich eingebürgert, für diesen Zweck sogenannte Einmalkanülen zu verwenden, bei denen ein metallisches Kanülenrohr mit einem Ansatz aus Kunststoff dicht und mechanisch fest verbunden wird. An den Ansatz aus Kunststoff wird dann der übrige Spritzenaufbau, z.B. durch Kunststoffschweißung unter Wärmeeinwirkung, angebaut. Die ErfIndung befaßt sich mit der Herstellung det rtiger Einmalkanülen aus einem metallischen Kanülenrohr mit einem Ansatz aus Kunststoff.
Es snc :1C .ersCki edene Wege bekannt, das Kanülenrohr mit dem Ansatz dicht zu verbinden.
Früher hat man Klemm- und Schraubverbindungen vorgesehen. Dies ist jedoch aufwendig und mit Abdichtungsschwierigkeiten verbunden.
Es ist daher inzwischen weit verbreitet, Kanülenrohre im Ansatz einzukleben. Auch hierbei treten jedoch eine ganze Reihe von Schwierigkeiten auf, wie Einschränkungen der Materialwahl, Zentrierungsfehler, Ungleichmäßigkeiten der Klebverbindung, lange Aushärtzeiten u. dgl.
Ein besonderes Problem bei der Verbindung eines metallischen Kanülenrohres mit einem Ansatz aus Kunststoff ist die erforderliche Zugfestigkeit. So sollte das Kanülenrohr mindestens einem Zugkrafttest unter einer Belastung von 8 bis 20 N standhalten, besser in vielen Anwendungsfällen sogar von 60 bis 80 N oder mehr. Diese Zugfestigkeit läßt sich am besten mittels der gattungsgemäßen Verfahren und Vorrichtungen erreichen. Hierbei hat man bisher (vgl. DE-OS 1 704 102) das Kanülenrohr als Heizwiderstand für eine angelegte Heizspannung verwendet und über Aufheizung des Kanülenrohres etwa bis auf Rotglut bzw, 500 bis 600 0C (nicht verifizierter Annahmewert) den Kunststoff des Ansatzes mit dem Kanülenrohr verschmolzen. Hierbei kann man ohne zusätzliche Klebkomponente auskommen. In praxi ergeben sich hierbei jedoch auch eine Reihe von .Schwierigkeiten, teils durch übermäßige Widerstandsaufheizung von nicht vom Ansatz umgebenen Bereichen des Kanülenrohres, teils elektromechanischer Art, z. B. beim Anlegen und infolge von Verschleiß von Elektroden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ~gemäß Anspruch 1 ermöglicht es demgegenüber, einen Widerstandsheizstrom in Fernwirkung zu erzeugen und dabei das Zentrum der Aufheizung innerhalb des Ansatzes zu konzentrieren. Dabei kann man im optimalen Fall völlig berührungslos arbeiten und trotzdem Abschnitte des Kanülenrohrs vermeiden,auf denen dieses durch übermäßige Aufheizung versprödet oder Anlaßfarben erhält.
Die Herstellung von Schweißverbindungen durch Induktionsaufheizung mittels Wirbelstrom ist an sich seit langem bekannt.
Trotzdem ist man jedoch bisher die eingangs angedeuteten aufwendigeren Wege gegangen, wohl in der Annahme, daß bei Kanülenrohren die für die Wirbelstromaufheizung erforderliche Masse zu klein und überdies die, z. B. durch Wandstärkeschwankungen, gegebenen Bedingungen zu schwankend sind, um innerhalb vertretbarer Fertigungszeiten (typische Aufheiztaktzeit einer bekannten Widerstandsheizung 0,5 sec) eine hinreichend zugfeste Schweißverbindung zu erhalten. Versuche haben jedoch inzwischen gezeigt, daß Bedenken dieser Art irrig sind, vielmehr Aufheiztaktzeiten im Bereich eines Bruchteils von einer Sekunde möglich sind und dabei der Vorrichtungsaufwand, insbesondere was Kinematik und Verschleiß angeht, gegenüber den vorbekannten gattungsgemäßen Vorrichtungen wesentlich reduziert werden kann. Dabei sind die erzeugten Verbindungen grundsätzlich im wesentlichen gleichwertig. So kann man ohne weiteres Zugbelastungen von 60 bis 80 N standhaltende Schweißverbindungen erhalten.
Bei der Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wählt man zweckmäßig Randbedingungen, die denen der gattungsgemäßen Widerstandsheizschweißung im wesentlichen entsprechen. Dies gilt sowohl für die Auswahl des Kunststoffmaterials für den Ansatz als auch der passungen zwischen dem Kanülenrohr und dem aufgeschobenen Ansatz sowie die Längen der Verschweißungsstrecken. Für das Kanülenrohr sollte man solche Materialien verwenden, die für eine Wirbelstromaufheizunbesonders geeignet sind. Hierbei können ohne weiteres die handelsüblichen Kanülenrohre aus Chromnickelstahl Verwendung finden. Als Material für die Ansätze hat sich beispielsweise Polypropylen bewährt. Es ist dabei in manchen Fällen nicht erforderlich, die Aufheizung bis auf Rotglut zu treiben. So mag es bei geeigneter Kunststoffwahl ausreichen, etwa 200 0C Aufheiztempe ratur zu erzeugen.
Man kann auch daran denken, die Zugfestigkeit der Schweißverbindung pro Längeneinheit geringer, als bisher angestrebt, zu wählen und stattdessen die Haftstrecke zu verlängern. Dies kann beispielsweise konzeptionell die Taktzeiten verkleinern, ohne in der maßgeblichen Gesamtfestigkeit Einbußen zu haben.
Nun zeigt es allerdings, daß bei vielen Kanülenrohren die Permeabilitäten so stark schwanken, daß eine Temperaturregelung gemäß Anspruch 2 für diesen Fall zu empfehlen ist.
Bei Ausübung konventioneller Technik kann man eine Induktorspule axial über die vormontierte Einheit aus Kanülenrohr und Ansatz aufschieben (oder in kinematischer Umkehr Kanülrohr und Ansatz in die Induktorspule schieben). Man kann jedoch auch darauf verzichten, den Wirbelstrom von allen Umfangs seiten des Kanülenrohrs her in diesem zu erzeugen und so einen geometrischen Freiraum lassen, welcher es ermöglicht, gemäß Anspruch 3 die Quelle des Induktionsfeldes seitlich an das Kanülenrohr heranzuführen. Im Grenzfall könnte man sogar die Quelle des Induktionsfeldes einseitig neben dem Kanülenrohr stationär und zweckmäßig berührungslos mit Ansatz und Kanülenrohr anordnen.
Anspruch 4 beschreibt, ausgehend von dem bereits erörterten Stand der Technik, eine Vorrichtung zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens mittels eines Induktors, der zweckmäßig (Anspruch 6) von einem Hochfrequenzgenerator (z. B. im Bereich von 15 oder 30 oder 50 kHz) betreibbar ist. Bei einem Versuch, sogar mit gleichzeitigem Betrieb von 8 parallel betriebenen Verschweißungsstationen hat sich ein Hochfrequenzgenerator von einer Leistung von etwa 2 kVr bei etwa 80 prozentiger Auslastung als ausreichend erwiesen.
Die Induktoren sollten aus theoretischen Symmetrieüberlegungen den jeweiligen Ansatz, vorzugsweise berührungslos, ganz umgeben und, aus der gleichen Überlegung heraus, koaxiale Rundinduktoren sein. Abgesehen davon, daß dies eine nicht immer erwünschte Kinematik bei der Verbringung des jeweiligen Induktors in die Betriebsstellung axial relativ zum Kanülenrohr bedingt, hat es sich in der Praxis auch gezeigt, daß die Umfangsymmetrie nicht voll eingehalten zu werden braucht. Demzufolge reicht es oft aus, daß der Induktor während der Erzeugung des Heizstroms den Ansatz nur teilweise umgibt. Dabei kann man entweder (Anspruch 9) nur ein einziges Induktorelement des Induktors vorsehen, das sich nur längs eines Teilabschnittes um den Umfang des Ansatzes erstreckt, beispielsweise ein bandförmiger oder mit einer Ausstülpung versehener Induktor. Der Induktor kann aber auch in mindestens zwei um den Umfang des Ansatzes verteilte Induktorelemente aufgelöst sein (Anspruch 9) , die vorzugsweise symmetrisch um die Achse des Kanülenrohres verteilt sind. Bei zwei derartigen Induktorelementen kann man beispielsweise eine diametrale Anordnung wählen und einen Freiheitsgrad der Verschiebung des Induktors aus und in Betriebsstellung längs der beiden Induktorelementen gemeinsamen Mittelebene vorsehen. Im Falle einer Ausstülpung oder eines anderen sektoralen Freiraumes des Induktors kann die Ausstülpung bzw. der Freiraum den Ansatz in der Betriebsstellung des Induktors aufnehmen.
Solche und vergleichbare Induktorausbildungen ermöglicht auch gemäß Anspruch 12 die Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 3.
Wenn man eine größere Haftstrecke erreichen und dabei die gewünschten Induktionsfelder durch überlagerung von Einzel felder erzeugen will, wird zweckmäßig eine Vorrichtung gemäß Anspruch 13 mit mindestens zwei axial relativ zum I#a nülenrohr aufeinander folgenden Induktorengliedern vorgesehen.
Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Weich nungen beispielhaft noch näher erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer erfindungsgemäßs Vorrichtung mit Andeutung von drei Varianten; Fig. 2 eine mögliche Induktorausbildung mit angeschlossenem Hochfrequenzgenerator; Fig. 3 eine andere mögliche Induktorausbildung mit bevorzugter Verschieberichtung in und außer Betriebsstellung relativ zum Kanülenrohr mit Ansatz.
In Fig. 1 ist zunächst ein Halter 10 abgebrochen dargestellt, der Teil eines hier nicht näher zu beschreibenden Montageautomaten ist. Der Halter hat an seiner oberen Stirnseite eine Sackbohrung 12, in welche das in# der Einwegspritze innere Ende eines metallischen Kanülenrohres 14(mit ovaler schräger Einstechspitze 16) eingreifen kann. Auf das Kanülenrohr 14 ist der Ansatz 18 mit geringem Paßspiel oder im Paßsitz aufgeschoben und auf der oberen planen Stirnfläche zU des Halters 10 aufgelagert. Der Ansatz 18 hat hier die Form eines zylindrischen Rundkörpers mit zentral symmetrisch hervorstehendem Ringflansch 22.
Diese Ausbildung von Halterung, Kanülenrohr und Ansatz stellt nur eine Möglichkeit aus einer Vielzahl bekannter geometrischer Gestaltungen dar. So ist es nicht unbedingt erforderlich, daß das Kanülenrohr innerhalb der Spritze aus dem Ansatz hervorgeht. Auch gibt es eine Vielzahl anderer Gestalten von Ansätzen. Ferner kann auch die Halterung den Ansatz ganz oder teilweise umfassen. Im letzteren Falle müßte allerdings die Halterung aus einem Material bestehen, welches bei Anlegen eines Induktionsfeldes nicht oder bei weitem weniger Wirbelstromheizung erleidet als das Kanülenrohr, eine Bedingung, die auch für das Material des Ansatzes gilt.
I)C:it Rinrjfiansch 22 am Ansatz 18 dient zur Verbindung des Ansitzes mit dem übrigen Spritzenkörper einer Einwegspritze.
Gemäß der ersten Variante ist der Induktor als mehrwindige, (z. B. 3-, 5- oder 8-windige) Tnduktorspule 24 auscjebi##it#t, von der drei Windungen dargestellt sind. Es werden wassergekühlte Induktoren verwendet. Ein innerer Kühlkanal 26 ist in der Induktorspule 24 eingezeichnet.
Wie die gestrichelte Darstellung ergibt, kann es sich um eine Rundspule - oder eine andere geschlossene Spule - handeln.
In diesem Fall kann man zunächst das Kanülenrohr 14 und den aufgeschobenen Ansatz 18 auf dem Halter 10 anbringen und dann die zunächst außerhalb der Betriebsstellung befindliche Induktorspule 24 entsprechend dem gestrichelten Pfeil A8 achsparallel zum Kanülenrohr in Betriebstellung bringen.
Wenn jedoch der Induktor nur über einen Teil des Umfanges des Ansatzes 8 angeordnet ist und einen solchen Umfangs sektor freiläßt, daß das Kanülenrohr nebst Ansatz in diesen Umfangssektor einschiebbar ist, kann man den Induktor auch gemäß der bevorzugten ausgezogenen Verstelleinrichtung mit einer im Sinne des Pfeiles 30 wirksamen Verstelleinrichtung in und außer Betriebsstellung bringen.
In beiden Fällen ist zweckmäßig der Induktor berührungslos im Sinne der zeichnerischen Darstellung von Fig. 1 ageorc, wobei die tatsächlichen maßstäblichen Verhältnisse auch an?e#s, insbesondere enger gewählt werden können.
Bei der Aufheizung in setriebsstellung des Irfluktors wird zweckmäßig eine thermische Überwachung mittels des Photodetektors 32 vorgenommen, dessen Lage hier nur grob schematisch eingezeichnet ist und der betriebsmäßig mit einem Regeleinu gang eines hier nicht näher dargestellten Stellgliedes am Hochfrequenzgenerators (Fig. 2) verbunden ist.
In dritter Variante sowohl der beschriebenen ersten Variante einer Rundspule als auch der zweiten Variante eines nur über einen Teilumfang des Ansatzes angeordneten Induktors kann die Darstellung der einzelnen Spulen in Fig. 1 auch axial in Richtung der Achse des Kanülenrohres 14 aufeinander folgende parallel betriebene Induktorglieder darstellen.
Fig. 2 veranschaulicht in Blickrichtung längs des Kanülenrohres eine alternative Darstellung eines Induktors 24 mit einer Einstülpung 36, welche das Kanülenrohr 14 nebst Ansatz 18 über einen Teil des Umfanges umgibt und betriebsmäßig mit dem Hochfrequenzgenerator 34 angeschlossen ist. Diese Ausbildung des Induktors 24 ermöglicht eine Verstellung von Induktor und Kanülenrohr-Ansatz-Einheit relativ zueinander im Sinne des Pfeiles 30.
Die entsprechende Verstellung ist auch bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 möglich. Hier ist ein sektoraler Freiraum 38, der die Relativverschiebung entsprechend dem Pfeil 30 rechtwinklig zur Achse des Kanülenrohres ermöglicht, wie auch die beiden eingezeichneten Pfeile 30 in Fig. 3 zeigen, dadurch geschaffen, daß zwei einzelne, sich bandförmig quer zu und längs des Kanülenrohrs erstreckende Induktorelemente L#(> s~mmetrisch diagonal zum Kanülenrohr angeordnet sind Es hat sich gezeigt,.daß nicht nur die Kanülen größeren Durchmessers und daher auch größerer Masse von z. B. 1,65 bis 1,8 mm Durchmesser, sondern auch Spiitaenkanülen kleineren L#urchmesseits mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw.
der erfindungsgemäßen Vorrichtung in entsprechende Ansätze aus Kunststoff zuverläßig dichtend und zugleich hinreichend zugfest einschweißbar sind. Man erreicht dabei vergleichbare Taktzeiten wie bei der konventionellen Widerstandsschweißung von etwa 0,5 sec.

Claims

Patentansprüche Verfahren zum Herstellen von Einmalkanülen von Einwegpritzen unter Einschmelzen eines metallischen Kanülenrohres in einem Ansatz aus Kunststoff durch zeitweises Erzeugen einer Heizstromaufheizung in dem dem Ansatz benachbarten Bereich des Kanülenrohres zum Anschmelzen des Kunststoffes des Ansatzes am Kanülenrohr, dadurch g e k e n n z e i c h n e t daß der Heizstrom im Kanülenrohr als Wirbelstrom induktiv erzeugt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufheizung des Kanülenrohres gemessen wird; und daß in Abhängigkeit von dieser Messung ein vorgegebener Aufheiztemperaturbereich durch Verstellung des Induktionsfeldes (z. B. Dauer der Einwirkung, Intensität, geometrische Daten der Einwirkung oder Feldfrequenz) eingestellt wird
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle des Induktionsfeldes seitlich an das Kanülenrohr herangeführt wird, ehe die Aufheizung des Kanülenrohres vorgenommen wird.
4. Vorrichtung zum Ausführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit einer Halterung für das Kanülenrohr und für den auf das Kanülenrohr aufgesteckten Ansatz sowie einerEinrichtung zum Erzeugen eines Heizstromes in einem vom Ansatz umgebenden Bereich des Kanülenrohres, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Erzeugen des Heizstromes ein Induktor (24) ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Induktor (24) während der Erzeugung des Heizstromes den Ansatz (18), vorzugsweise berührungslos, ganz oder teilweise umgibt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5 mit einer im Impulsbetrieb einschaltbaren Quelle des Heistroms, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle des Heizstroms ein Hochfrequenzgenerator (34) ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6 zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen Sensor (32) zur Messung der Aufheiztemperatur des Kanülenrohres (14) sowie ein von diesem Sensor gesteuertes Stellglied für mindestens einen Betriebsparameter des Hochfrequenzgenerators.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Induktor als, vorzugsweise mehrwindige, Induktionsspule (24, gestrichelt in Fig. 1) ausgebildet ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Induktor in mindestens zwei um den 40 Umfang des Ansatzes (18) verteilte Induktorelemente (9y) aufgelöst ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sich nur längs eines Teilabschnittes um den Umfang des Ansatzes ein einziges Induktorelement (24 ausgezogen in Fig. 1 und 24, 36 in Fig 2) des Induktors erstreckt.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Induktor einen sektoralen Freiraum (38) oder eine Einstülpung (36) aufweist, der bzw. die den Ansatz (18) in der Betriebsstellung des Induktors (2d) nimmt.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11 zum Ausführen des Verfahrens nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine den Induktor (24) in und außer Betriebsstellung bringende Verschiebeeinrichtung (Pfeil 30) (Teil 30)' mittels derer der Induktor rechtwinklig oder schräg zur Achse eines in der Halterung (103 aufgenommenen Kanülenrohres (14) verstellbar ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Induktor (24) oder mindestens ein Induktorelement (40) in mehrere längs der Achse eines in der Halterung (10) aufgenommenen Kanülenrohres (14) aufeinander folgende und parallel betreibbare Induktorenglieder (Variante zu 24 in Fig. 1) aufgelöst ist.
14. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 und oder der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 13 zum Einschweißen von Kanülenrohren aus einem Chromnickelo stahl im Ansatz.
15. Verwendung nach Anspruch 14 oder Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 13 zum Aufschweißen eines Ansatzes aus Polypropylen auf dem Kanülenrohr