Зарегистрированных посетителей: 9726

Каталог оборудования - Лазерная сварка микрофлюидных систем и прозрачных деталей (Сварочное оборудование)

Схема установки

Опубликовано в журнале «Полимерные материалы. Изделия. Оборудование. Технологии»
№ 12 (175), 2013, с. 48–54.

Ф. Брунеккер, М. Зибен, Т. Яус,
LPKF Laser & Electronics AG (Германия)

В последние годы значительно расширились области применения микрофлюидных систем из полимерных материалов, особенно в производстве медицинской техники. Подобные филигранные изделия требуют соответствующего способа сборки их элементов, который бы обеспечивал высокие требования по размерной точности и герметичности и был бы одновременно высокопроизводительным и экономичным. Этим требованиям полностью удовлетворяет новая технология ClearJoining с помощью лазерной сварочной системы PrecisionWeld, разработанная компанией LPKF Laser & Electronics AG (Германия).

В наше время достигнуты поистине впечатляющие успехи в области проведения лабораторных анализов: там, где пациенты прежде были вынуждены несколько дней или даже недель ждать их результатов, сегодня оказывается достаточным нескольких минут. Врач или лаборант помещает пробу в одноразовый картридж, после чего все остальное происходит без его участия: в результате под действием капиллярного эффекта жидкая проба перемещается по тонким каналам в реакционную камеру, где протекают различные процессы, результаты которых могут быть автоматически проанализированы и обработаны с получением обобщенных данных.

В течение 10 последних лет в области микрофлюидных систем наблюдалось бурное развитие. Начиная с 2008 г. на этом рынке наблюдается ежегодный прирост, характеризуемый двузначным числом в процентах, а на период до 2016 г. среднегодовые темпы роста прогнозируются на уровне 23 % [1]. Наиболее интенсивные исследовательские и прикладные работы наблюдаются в секторе медицинских микрофлюидных систем, где они ведутся в двух основных направлениях – миниатюризации систем и повышения уровня сложности содержащихся в них структур (фото 1). Миниатюризация обеспечивает возможность применения микрофлюидной техники в недоступных прежде для нее областях. Так, например, миниатюрные биомедицинские системы имплантируются под кожу пациентов. С их помощью можно контролировать многие функции тела и при необходимости автоматически в дозированных количествах вводить лекарства. В настоящее время уже имеются все возможности для точного дозирования даже минимальных объемов жидкостей – вплоть до пиколитров (см. фото 1, а). Быстрыми темпами растет спрос и на так называемые «лаборатории на чипе» (Lab-on-a-chip), которые применяются, в частности, для проведения анализов крови (см. фото 1, б). Одно изделие, имеющее размеры чековой карточки, может содержать множество интегрированных лабораторных функций [2, 3].


Фото 1. Примеры микрофлюидных систем: а – микродозатор для активных веществ;
б – «лаборатория на чипе» (все иллюстрации: LPKF)


Разработка микрофлюидных систем для медицинского сектора предъявляет высокие требования к технологии их изготовления. Практика требует постоянного уменьшения размеров поперечного сечения каналов для дальнейшего снижения размеров изделий и создания условий для размещения все новых и новых функций на ограниченной площади. Одновременно с этим возрастают требования к экономичности и надежности изготовления микрофлюидных систем, в связи с чем особенно важную роль приобретает выбор приемлемого способа соединения их отдельных элементов, которые в прошлом соединялись с применением технологии склеивания или термоскрепления. В обоих случаях существует опасность нарушения поперечного сечения каналов.

Применение же технологии лазерной сварки открывает дополнительные потенциальные возможности для решения этой проблемы. Однако обеспечение требуемой минимальной ширины сварных швов в сочетании с высокой точностью позиционирования требует совершенствования традиционных лазерных сварочных систем.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ К ТЕХНОЛОГИИ СОЕДИНЕНИЯ МИКРОФЛЮИДНЫХ СИСТЕМ


Результаты новых разработок в области микрофлюидных систем самым непосредственным образом отражаются на технологических процессах, используемых при их изготовлении. Ключевое значение приобретает технология соединения компонентов этих систем, которая должна обеспечить геометрическую точность, герметичность и механическую жесткость изделия. Требования к оборудованию и технологии соединения постоянно повышаются по мере уменьшения размеров изготавливаемых структур, ужесточения гигиенических требований к изделиям и повышения уровня необходимой надежности процессов.

До последнего времени компоненты микрофлюидных систем соединялись, как правило, с помощью термоскрепления или с применением отверждаемых под воздействием УФ-излучения клеящих веществ. Возможности применения этих технологий имеют определенные ограничения, которые с течением времени проявляются все в большей степени. В случае использования термоскрепления соединяемые элементы нагреваются до температуры, которая лишь незначительно ниже их температуры плавления, после чего спрессовываются под высоким давлением. Однако в ходе такого технологического процесса вытесняемый материал может блокировать тонкие каналы, в результате чего изделие становится непригодным к использованию.

При склеивании тонкий слой клеящего вещества наносится на один из соединяемых элементов. После этого соединяемые элементы приводятся в контакт друг с другом, а клеящее вещество отверждается под действием УФ-излучения. Требуемая высокая точность делает этот процесс трудно управляемым технически, а по мере уменьшения размеров соединяемых элементов – все более дорогостоящим.

В дополнение к этому наличие клеящих веществ осложняет процедуру получения разрешения на использование готовых изделий с учетом требований документов FDA (Food and Drug Administration) – Управления по контролю за качеством пищевых продуктов, медикаментов и косметических средств министерства торговли США.

ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРНОЙ СВАРКИ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ МИКРОФЛЮИДНЫХ СИСТЕМ


Уже сегодня некоторые микрофлюидные системы изготавливаются с применением технологии лазерной сварки. Благодаря локальному и бесконтактному подводу тепловой энергии изделие в процессе соединения его элементов подвергается минимальному термическому воздействию, что способствует выполнению высоких гигиенических требований, предъявляемых к подобным изделиям.

Существующие в настоящее время на рынке способы и устройства для лазерной сварки проходят испытания на предмет их соответствия возрастающим требованиям, предъявляемым к современным микрофлюидным системам [4].

Когда в настоящее время говорят о лазерной сварке, как правило, имеется в виду «проникающая» лазерная сварка. Многие полимеры в их естественном состоянии (без добавок, наполнителей и т. п.) являются проницаемыми для создаваемого с помощью диодного лазера излучения с длиной волны 980 нм. В процессе сварки лазерный луч проходит через верхнюю соединяемую деталь элемент, прижатую к нижней детали, которая благодаря, например, наличию пигмента (в простейшем случае – сажи) обладает достаточно высокой способностью поглощать лазерное излучение и преобразовывать его в тепловую энергию (рис. 1, а). В результате внутренний поверхностный слой (слой, примыкающий к месту соединения) нижней детали расплавляется в зоне воздействия излучения.

Верхний (проницаемый) элемент нагревается за счет теплопередачи от нижнего элемента вплоть до расплавления примыкающего к месту соединения поверхностного слоя, после чего обе детали охлаждаются под давлением прижима.



Рис. 1. Принципиальная схема проникающей лазерной сварки двух деталей из полимерных материалов – прозрачной и непрозрачной,
абсорбирующей лазерное излучение (а), и двух прозрачных, не содержащих абсорбентов. В последнем случае фокусное пятно лазерного луча
(показан красным цветом) находится точно в плоскости образования сварного шва, где излучение отдает максимальное количество энергии


Эта технология требует обязательного использования соединяемого элемента, способного поглощать лазерные лучи с определенной длиной волны, что накладывает ограничения на применение данной технологии лазерной сварки для производства «лабораторий на чипе». Дело в том, что эти изделия зачастую применяются для спектроскопических исследований, которые требуют беспрепятственной проницаемости для световых лучей в широком диапазоне варьирования длин волн, причем с обеих сторон изделия – верхней и нижней.

Кроме того, применение добавок в изделиях для здравоохранения и потребительской продукции связано с достаточно жесткими ограничениями – это касается и некоторых широко используемых в обращении абсорбентов. Все это приводит к необходимости разработки технологии соединения двух прозрачных термопластичных материалов, не содержащих добавок.

С учетом возникшей потребности компания LPKF Laser & Electronics разработала новую технологию сварки, названную ClearJoining, и соответствующую сварочную систему PrecisionWeld (фото 2). Ее главным рабочим элементом является тулиевый лазер (фото 3), создающий излучение с основной длиной волны 1940 нм, которое абсорбируется аналогично поглощению микроволн молекулами воды. В результате даже в высокопрозрачных полимерах обеспечивается частичная абсорбция воздействующего на них излучения, сопровождающаяся соответствующим повышением температуры (фото 4).



Фото 2. Лазерная сварочная система PrecisionWeld




Фото 3. Тулиевый лазер сварочной системы PrecisionWeld, создающий излучение с основной длиной волны 1940 нм




Фото 4. Пример изделия, состоящего из двух абсолютно прозрачных поликарбонатных пластин,
соединенных между собой по технологии ClearJoining лазерной сварки


В отличие от традиционной технологии проникающей лазерной сварки обе прижатых друг к другу детали активно прогреваются по всей толщине, но максимальная температура развивается именно в месте соединения деталей. Этому способствуют два обстоятельства. Во-первых, фокусное пятно лазерного излучения находится точно в плоскости образования сварного шва, где оно отдает максимальное количество энергии (рис. 1, б). Во-вторых, преимущественному выделению в месте соединения благоприятствует температурное поле, характерное для способов сварки (не исключая лазерную) с генерированием энергии внутри материала деталей, а не с подводом ее извне. Эта технология позволяет сваривать элементы, если толщина верхнего из них не превышает 4 мм.

Технология сварки ClearJoining предназначена, таким образом, для соединения прозрачных деталей, не содержащих абсорбентов, и необходимость их применения, а также применения других добавок или клеящих веществ здесь полностью исключается. Благодаря этому готовые изделия более легко могут быть сертифицированы на соответствие требованиям FDA.

Возможности применения традиционных технологий лазерной сварки могут ограничиваться не только свойствами свариваемых материалов, но и требованиями к минимизации ширины сварных швов.

В настоящее время востребованными являются сварные швы шириной менее 100 мкм при допустимой величине отклонения от заданного положения, не превышающей 20 мкм. Система PrecisionWeld позволяет выполнять эти требования.

СВАРОЧНАЯ СИСТЕМА PrecisionWeld


Большинство микрофлюидных систем состоит их двух плоских элементов, один из которых выполнен совершенно плоским, а во втором имеются микроканалы, предназначенные для транспортировки рабочих сред. В целях герметичного замыкания этих каналов по обеим сторонам от них выполняются сварные швы, которые должны проходить на постоянном расстоянии друг от друга и в непосредственной близости от каналов для того, чтобы свести к минимуму «мертвые» пространства в микрофлюидной системе. С другой стороны, сварной шов не должен находиться слишком близко к каналу, так как вытесняемый в процессе сварки расплав может нарушить условия течения жидкости внутри каналов микрофлюидной системы. Таким образом, требуется высокоточная оптическая система пространственного управления лазерным лучом, которая в принципе могла бы быть выполнена на основе гальванометрического сканера, обеспечивающего заданную траекторию перемещения лазерного пятна по двум координатам в горизонтальной плоскости. Проблематичным в этом случае является то, что потребуется оптическая система с очень короткофокусным объективом, который ограничивает величину обрабатываемого поля квадратом с размерами 50×50 мм. В медицинском же оборудовании применяются более габаритные изделия, предназначенные для сварки, например, платы с размерами компакт-диска, а также 12-дюймовые платы.

Такой конфликт целей привел к необходимости использования в рабочем пространстве механической позиционирующей системы в комбинации с гальванометрическим сканером. Сварочная система PrecisionWeld компании LPKF (см. таблицу) позволяет с помощью движущегося в направлении осей X и Y позиционирующего стола перемещать изделие под оптическим устройством модели F-Theta. За счет дополнительного перемещения изделия размеры обрабатываемого сканером поля могут быть увеличены с 5050 мм до 320330 мм; при этом оптическая обработка участков изделия осуществляется последовательно.

В практических условиях в настоящее время изготавливаются сварные швы шириной от 70 до 100 мкм при допустимой величине отклонения от заданного положения порядка 20 мкм. Решающее значение приобретает точность в области взаимного перекрытия зон сканирования, так как смещение сварных швов может привести к образованию пропусков. Специальное, разработанное собственными силами компании программное обеспечение обеспечивает возможность точного автоматизированного изготовления зон перекрытия с точной стыковкой сварных швов.

Технические характеристики сварочной системы PrecisionWeld 3000

Характеристика
Значение
Длина волны тулиевого лазера, нм
1940
Диаметр фокусного пятна, мкм
65
Точность позиционирования, мкм
10
Рабочая площадь сварки, мм
320х330
Электропитание, В
110/220
Номинальная мощность, кВт
1,2
Максимальное давление сжатого воздуха, МПа
60
Охлаждение
Воздушное
Габаритные размеры, мм
1430х875х750
Масса, кг
360


Наряду с определяемыми оборудованием допусками дополнительные неточности могут быть обусловлены размерными погрешностями свариваемых деталей.

Все эти производственные отклонения, несмотря на высокую точность процесса сварки, могут привести к появлению дефектных изделий. Для их выявления компания LPKF разработала специальную оптическую систему, в которой луч света от лазерного осветительного устройства проходит коаксиально через сканер (рис. 2). Этот луч создается с таким расчетом, чтобы после выхода из объектива F-Theta он пучком параллельных лучей попадал на изделие.

В результате воздействия этого коллимированного света отраженный от поверхности изделия свет направляется обратно в объектив. Установленная на пути движения световых лучей видеокамера регистрирует отраженный свет. В результате получается видеоизображение, на котором плоские участки выглядят светлыми, а структурированные участки и каналы – темными. Даже в прозрачных изделиях структурированные участки четко выделяются благодаря высокой контрастности получаемого с помощью видеокамеры изображения (фото 5). Их расположение оценивается с точностью ±2 мкм.



Рис. 2. Схема движения световых лучей в лазерной сварочной системе PrecisionWeld компании LPKF
(красным цветом ограничен пучок рабочего лазерного излучения, желтым – излучения системы
контроля и управления процессом сварки)




Фото 5. Визуализированное изображение расположения каналов
в прозрачной микрофлюидной системе


В качестве базовых меток для контроля положения фокусного пятна могут быть использованы как каналы микрофлюидной системы так и дополнительные, технологические метки, которые могут заранее быть сформированы на деталях одновременно с их изготовлением. Благодаря этому допуски при сварке микрофлюидной системы заметно уменьшаются. Оптическая система определяет расположение, размеры и ориентацию подлежащего сварке изделия (фото 6). Получаемая информация обрабатывается с применением оптимизационного алгоритма, а на основе результатов процесса обработки автоматически корректируется положение сварочного контура по отношению к реальному изделию. Это позволяет изготавливать с высокой точностью соответствующие чертежам изделия, даже если для этого необходимо соединять детали со сложной формой сварного шва.



Фото 6. Оптическая система для распознавания базовых меток в целях заданного позиционирования
свариваемых деталей и контроля положения фокусного пятна лазерного излучения


Наряду с подводом определенного количества энергии решающее значение имеет также обеспечение плотного, без зазоров контакта между соединяемыми элементами изделия. Как было уже отмечено выше, микрофлюидные системы чаще всего состоят из двух плоских элементов, в одном из которых выполнены каналы. Эти каналы, как правило, изготавливаются с высокой точностью по технологии горячего тиснения, недостаток которой заключается в том, что вытесняемый материал может образовывать возвышения рядом с каналами (рис. 3).



Рис. 3. Компьютерное изображение детали с микроканалом и типичными возвышениями,
образованными вытесняемым рядом с каналом материалом


Недостаточно плоская поверхность нижнего элемента изделия затрудняет создание между верхним и нижним элементами плотного контакта по всей площади. Зажимным приспособлением в этом случае могла бы служить большая стеклянная пластина, однако такое решение не может считаться оптимальным, если принять во внимание требуемые усилия и существующие допуски. Компания LPKF использует для этой цели специальную систему, которая обеспечивает необходимое зажимное усилие путем создания избыточного давления, действующего на верхнюю деталь (рис. 4). Накрытый сверху стеклянной пластиной полый элемент может перемещаться в горизонтальном направлении с помощью пневмоцилиндра. Для зажатия находящегося под ним изделия этот элемент опускается до тех пор, пока не будет опираться через уплотнитель на плоскую микрофлюидную систему. Избыточное давление воздуха создает необходимое усилие прижима. Поскольку верхняя деталь микрофлюидной системы в большинстве случаев имеет очень малую толщину (1–2 мм), она обладает достаточно высокой деформативностью для плотного прижатия всей своей поверхностью к нижней детали.



Рис. 4. Схема создания давления прижима: 1 – лазерный луч; 2 – стеклянная пластина;
3 – сжатый воздух; 4 – свариваемые детали


Размеры зажимного приспособления соответствуют размерам зоны сканирования, и создание зажимного усилия осуществляется исключительно в пределах этой зоны. При сварке более крупных изделий зажимное приспособление раскрывается перед тем, как изделие начнет перемещаться с помощью подвижного позиционирующего стола (фото 7 и 8). После достижения очередного заданного положения зажимное приспособление снова опускается и заполняется воздухом.



Фото 7. Вид на рабочую зону лазерной сварочной системы PrecisionWeld с сенсорным
пультом управления и контроля режима сварки




Фото 8. Рабочая зона лазерной сварочной системы PrecisionWeld с зажимным приспособлением (сверху)
и передвижным позиционирующим столом (снизу) (а) и зажимное приспособление в отдельности (б)


Конструкция сварочной машины также должна отвечать требованиям с точки зрения гибкого планирования производственного процесса, что, конечно, было учтено при разработке сварочной система PrecisionWeld: смонтированная на роликах, машина свободно проходит через дверь любой лаборатории, а для приведения в рабочее состояние достаточно всего лишь подключить ее к источнику электроэнергии и системе подачи сжатого воздуха.

Рабочая зона в процессе сварки с помощью компактного ограждения механически отделяется от окружающей среды, что соответствует условиям «чистого» помещения, необходимым для производства изделий ответственного, в частности, медицинского назначения.

Сочетание системы PrecisionWeld с технологией ClearJoining лазерной сварки отличается высокой технологической гибкостью и открывает возможности для расширения ассортимента производимой продукции. Так, благодаря импорту данных из системы автоматизированного проектирования сварочный контур может изменяться без переналадки оснастки. Это позволяет, в частности, без чрезмерных затрат изготавливать в промышленных условиях продукцию малыми и очень малыми партиями.

Сварочная система PrecisionWeld была главным экспонатом на стенде компании LPKF во время Международной выставки пластмасс и каучука «К-2013» (16–23.10.2013, Дюссельдорф).



Журнал

В следующем номере

    Тема номера: Тема номера: РЕЦИКЛИНГ
  • Модернизация линии по производству листового ПЭТ для термоформования
  • Российский рынок вторичной переработки пластмасс: состояние, тенденции, перспективы
  • Некоторые проблемы переработки полимерных отходов
  • Нормативы утилизации: что поменялось
  • Системы рециклинга для обеспечения замкнутого производственного цикла
  • Читать полностью

Популярные запросы

Нанесение клеевых композиций
Тефлон лента
Штампы пресс формы
Пакеты
Производство фторопласта
Антистатики
Полиэтилен в гранулах
Линия по производству пластиковых труб
Металлополимеры
Полиуретановые эластомеры

Контакты

Адрес редакции:
105066, Москва, Токмаков пер., д. 16, стр. 2

Редакция:
+7 (499) 267-40-10
E-mail: victor-gonchar@mail.ru

Отдел подписки:
Прямая линия: 8 (800) 200-11-12
бесплатный звонок из любого региона России
E-mail: podpiska@vedomost.ru

Отдел рекламы:
Прямая линия:
+7 (499) 267-40-10, +7 (499) 267-40-15
E-mail: reklama@vedomost.ru

Вопросы работы портала:
E-mail: support@polymerbranch.com

Рейтинг@Mail.ru
Rambler's Top100
Логин или E-mail
Пароль (Забыли пароль?)
Запомнить
Если Вы ещё не зарегистрированы в системе, Вам необходимо зарегистрироваться
Введите E-mail:
Настоящим, в соответствии с Федеральным законом № 152-ФЗ «О персональных данных» от 27.07.2006 года, Вы подтверждаете свое согласие на обработку компанией ООО «Концепция связи XXI век» персональных данных: сбор, систематизацию, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), использование, передачу в целях продвижения товаров, работ, услуг на рынке путем осуществления прямых контактов с помощью средств связи, продажи продуктов и услуг на Ваше имя, блокирование, обезличивание, уничтожение.

Компания ООО «Концепция связи XXI век» гарантирует конфиденциальность получаемой информации. Обработка персональных данных осуществляется в целях эффективного исполнения заказов, договоров и иных обязательств, принятых компанией в качестве обязательных к исполнению.

В случае необходимости предоставления Ваших персональных данных правообладателю, дистрибьютору или реселлеру программного обеспечения в целях регистрации программного обеспечения на Ваше имя, Вы даёте согласие на передачу своих персональных данных.

Компания ООО «Концепция связи XXI век» гарантирует, что правообладатель, дистрибьютор или реселлер программного обеспечения осуществляет защиту персональных данных на условиях, аналогичных изложенным в Политике конфиденциальности персональных данных.

Настоящее согласие распространяется на следующие персональные данные: фамилия, имя и отчество, место работы, должность, адрес электронной почты, почтовый адрес доставки заказов, контактный телефон, платёжные реквизиты. Срок действия согласия является неограниченным. Вы можете в любой момент отозвать настоящее согласие, направив письменное уведомление на адрес: podpiska@vedomost.ru с пометкой «Отзыв согласия на обработку персональных данных».

Обращаем Ваше внимание, что отзыв согласия на обработку персональных данных влечёт за собой удаление Вашей учётной записи с соответствующего Интернет-сайта и/или уничтожение записей, содержащих Ваши персональные данные, в системах обработки персональных данных компании ООО «Концепция связи XXI век», что может сделать невозможным для Вас пользование ее интернет-сервисами.

Давая согласие на обработку персональных данных, Вы гарантируете, что представленная Вами информация является полной, точной и достоверной, а также что при представлении информации не нарушаются действующее законодательство Российской Федерации, законные права и интересы третьих лиц. Вы подтверждаете, что вся предоставленная информация заполнена Вами в отношении себя лично.

Настоящее согласие действует в течение всего периода хранения персональных данных, если иное не предусмотрено законодательством Российской Федерации.

Принимаю условия соглашения
Sun, 22 Jul 2018 19:48:40