透明塑料激光焊接有利于医疗产品的应用

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多年来，由于简单的设计约束：要求激光焊接塑料组件包括一个“透明”或“透射”部件和另一个“深色”或“吸收”部件，激光塑料焊接在医疗设备和其他产品上的充分利用受到了一定的限制。该要求确保了，当施加激光能量时，来自激光器的热能将穿过透射部分并积聚在吸收部分的焊接区域。在那里，高温可以软化两个零件的接合边缘，使它们在压力下结合在一起，形成一个干净、无颗粒的焊接组件。

但是现在，由于采用了新工艺，可以将两个由多种聚合物材料制成的光学透明塑料零件激光焊接，用于医疗和其他应用。这项创新将Emerson的Branson同时透射红外（STTIr）激光焊接技术与Sono-Tek的精密超声喷涂技术相结合。这一突破为医疗器械、药物输送系统和体外测试产品的制造商提供了新的设计可能性。

新的“透明对接（clear-on-clear）”激光焊接工艺通过在激光焊接之前使用生物相容性激光吸收剂对两个“透明”对接零件之一进行精密处理，从而克服了传统的透射/吸收零件的局限性。吸收剂由悬浮在诸如异丙醇或丙酮等载液中的色素染料或炭黑微粒组成。

有几种方法可以在焊接之前将激光吸收器用于清除塑料零件。可以在成型之前将吸收剂以母料的形式添加到树脂中，通过移印将其吸收到成型零件上，或者为了获得最大的精度，可以使用Sono-Tek超声波喷涂设备将其吸收到单个零件上。喷雾沉积涉及使用精密的超声波雾化器将激光吸收染料沉积在匹配的零件之一上，从而产生小至0.5毫米的喷雾图案宽度。当使用最佳超声频率和喷雾图案进行沉积时，载液基本上会闪蒸掉，在热塑性塑料的表面上留下精确的激光吸收颗粒图案，尺寸为1微米或更小。在焊接过程中，激光能量被这些颗粒吸收并消耗掉，

根据Sono-Tek的区域销售经理AnitaEnnest所说，“超声喷涂沉积系统旨在将微量的色素染料（以微升为单位）沉积在涂层零件表面上，涂层的厚度为数百纳米。”她补充说，用于吸收激光的悬浮液的设备是仿照先前开发的用于在医疗支架上沉积超薄、超精密涂层的设备而设计的。

Ennest补充说，对新塑料焊接工艺成功至关重要的吸收激光的悬浮液起源于最初为光伏电池开发的吸收光的涂层，但其配方是由生物相容性溶剂和色素染料组合而成。开发正确的组合涉及一个迭代的过程，该过程要求技术合作伙伴将涂层、沉积和焊接过程从吸收性材料转变为透射性材料，然后再从透射性转变为完全透明的材料。

该工艺面临的另一个挑战是需要将吸收激光的染料分配并沉积到注射成型零件的接头上的正确位置。典型的目标包括榫槽连接的内表面，或其中一个配合零件上的“双V”形连接的内表面（图1）。像这样将吸收剂精确地沉积在封闭的接缝中，不仅可以聚集产生零件间熔体所需的激光热量，而且还可以形成一个“闪蒸阱”，其中包含熔体的处理区域，将其与附近的任何微流体隔离开来。

图1：舌槽激光接合点示例，显示了生物相容性激光吸收器和溢流容纳区。

随着Sono-Tek完善了应用激光吸收器的方法，Emerson最大限度地提高了启用喷雾的激光焊接工艺的效率。新的透明塑料激光焊接技术可以可靠地产生复杂的流体路径，同时在亚毫米流径间距中保持较高的纵横比。这种精确度对于微流体零件至关重要，该零件必须可靠地粘合，同时沿极小的流动路径保持一致的尺寸（图2）。

图2：现在可以使用创新的新型焊接工艺对两个透明的对接部件进行激光焊接，该工艺可以可靠地产生复杂的流体路径，同时保持较高的纵横比。

由于喷涂工艺的精度，对激光能量精确成像的需求减少了，因为只有在激光吸收染料沉积的地方才会发生透明对接焊接。另外，当在配合零件内采用榫槽连接或类似的接头设计时，该接头可用于在焊接之前正确对准整个组件。而且，如上所述，包含成品焊缝的区域可以完全与完整装配中的功能微流体路径隔离——这是医疗或医疗设备应用中必须做到的。

新技术与许多现有的激光焊接工艺相结合

由于这种新的“透明对接”激光焊接功能依赖于STTIr激光焊接工艺中增加的设备——生物相容性激光吸收剂和超声喷涂沉积设备——可以将其“固定”到许多现有激光器焊接应用。然后，一旦实施，它就可以提供以秒为单位的循环时间，从而使工业级激光焊接医疗质量清晰的微流体部件首次在经济上可行。并且，由于喷射沉积工艺可适于一次处理多个零件，因此喷射沉积和焊接工艺均可进一步扩大规模，以加快生产。

新工艺还允许结合更大范围的透明热塑性塑料，而不考虑化学成分。由于吸收激光的色素染料非常有效地产生并传导热量和熔解，它的使用可以弥补在配合部件中使用的不同聚合物在玻璃化转变温度(Tg)上的更大差异。

该过程的一个典型示例包括使用两个透明的塑料“取样片”——注塑零件，它们相互配合形成一条蜿蜒的流动路径，就像体外诊断（IVD）系统，人类药物输送系统中发现的那样或植入式医疗设备。将成为每个组件“吸收性”一半的样片放入Sono-Tek喷涂设备中，以沉积激光吸收剂。

图3：Emerson的BransonGLXMicro激光焊接机是GLX系列中五个单元中最小的。焊接单元（左）具有彩色触摸屏HMI，xmm的升降台和高达0.05kN的夹紧力，使其成为焊接医疗应用中的微流体零件的绝佳选择。右侧的单元包含焊工的激光源和电源。

从那里，零件被转移到激光焊接机（图3），结果是透明对接的激光焊接零件。对于需要光学透明流路的医疗或IVD设备，该技术具有无价的价值，从自动计算毛细血管大小的液体通道的血细胞计数，到为技术人员提供视觉验证，让他们能够正确地给病人注射微剂量的强效治疗，一切都变得简单起来。

图4：Emerson的STTIr激光焊接技术通过将溶剂型激光吸收剂应用到一个零件的配合表面上，现在可以将透明的零件接合在一起，从而获得出色的美观和功能效果。

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