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    塑料激光焊接在醫療器械的應用

    • 時(shí)間:2021-07-01

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          激光焊接因其局部加熱、精密加工、非接觸性加熱等優(yōu)點(diǎn)被越來(lái)越廣泛地應用在醫療器械的各個(gè)領(lǐng)域。 

    與其他常用的焊接技術(shù)相比,激光焊接技術(shù)幾乎不產(chǎn)生焊渣和碎屑,而且焊接過(guò)程中不需要添加任何粘合劑,因而可在潔凈室中完成整個(gè)焊接工作。激光焊接技術(shù)大大地促進(jìn)了醫療器械的發(fā)展,比如有源植入式醫療器械的外殼封裝、心臟支架的不透射線(xiàn)標記、耳垢防護器、球囊導管等均離不開(kāi)激光焊接的使用。

      

    塑料激光焊接原理

     

    激光焊接是利用高能量密度的激光束作為熱源的一種焊接方法,即激光輻射加熱工件表面,表面熱量通過(guò)熱傳導向內部擴散,使工件熔化,形成特定的熔池。如下圖所示,激光束通過(guò)上層透光材料,然后被下層材料吸收,激光能量被吸收后轉換為熱能,由于兩層材料被壓在一起,熱能從吸收層傳導到透光層上,使得兩層材料熔化并結合。


    塑料激光透射焊接原理 

     

    同時(shí)由于材料本身的熱膨脹擴張產(chǎn)生內部壓力,內部壓力與外部壓力共同作用確保了兩部分的堅固焊接。以上兩圖直觀(guān)地說(shuō)明了塑料激光焊接的原理與過(guò)程。

     

    可見(jiàn)激光光束的能量必須被塑料吸收,才能達到良好焊接效果,因此塑料激光焊接一般采用半導體激光。另外,并不是所有塑料都能用激光焊接焊接。塑料可區分為熱固性與熱塑性?xún)深?lèi)。其中熱固性塑料不具有重復成型性,也不能焊接,而熱塑性塑料再加熱后又會(huì )熔化(即可運用加熱及冷卻,使其產(chǎn)生可逆變化),是所謂的物理變化,因此具有可焊接性。

     

    塑料激光焊接工藝

     

    1激光的波長(cháng) 

    塑料焊接過(guò)程中常用的是二極管激光器或半導體激光器。光束處于近紅外區域,并且光束波長(cháng)在400~1,100μm,可以通過(guò)光纖傳輸,在這個(gè)范圍內的激光束可以被大多數的塑料所吸收。二極管激光焊接系統緊湊,并且激光器還可以達到更高級別的功率。激光的波長(cháng)可以根據特殊要求來(lái)設計。半導體激光器的波長(cháng)一般是808~980μm。半導體激光器投資成本小,體積小,效率高。

     

    2塑料材料 

    熱塑性塑料包含無(wú)定形塑料和半晶性塑料。能夠被激光焊接的塑料均屬于熱塑性塑料。理論上,所有熱塑性塑料都能夠被激光焊接。

     

    塑料激光焊接技術(shù)對被焊接塑料的要求為:在熱作用區內的材料,要求對激光光波的吸收性好;不屬于熱作用區部分的材料,則要求對光波的透過(guò)性好,尤其在對兩件薄塑料件進(jìn)行疊焊時(shí)更是如此。一般向熱作用區塑料中添加吸收劑可以達到目的。

     

    3吸收劑 

    吸收劑的應用是塑料激光焊接工藝中非常重要的工藝。塑料激光焊接的本質(zhì)是將熱作用區的待焊接塑料融化,隨后冷卻自然實(shí)現塑料件的接合。讓塑料融化需要使塑料件吸收足夠的激光能量。

     

    通常理想的吸收劑是碳黑,碳黑能夠將紅外波長(cháng)的激光能量基本全部吸收,從而大大提高塑料的熱吸收效果,使得熱作用區的材料融化得更快、效果更好。一些其他顏色的染料,也能夠起到相同的吸收光波的效果。

     

    添加吸收劑的方法有三種

    1、一是直接向待焊接材料中滲入吸收劑,這樣應該將滲過(guò)吸收劑的塑料件放在下面,而把沒(méi)有滲吸收劑的塑料件放在上面,讓激光光波通過(guò);

    2、二是向塑料件待焊接的表面滲吸收劑,這樣只有被滲透了吸收劑的一部分塑料將成為熱作用區而被融化; 

    3、三是在兩塊待焊接塑料件的接觸處噴涂上或者印刷上吸收劑。

     

    4其他參數 

    與金屬焊接不同,塑料激光焊接需要的激光功率并不是越大越好。焊接激光功率越大,塑料件上的熱作用區就越大、越深,將導致材料過(guò)熱、變形、甚至損壞。應該根據需要融化的深度來(lái)選擇激光功率。

     

    塑料激光焊接的速度比較快,一般得到1mm厚焊縫的焊接速度可達20m/min;而采用高功率的CO2激光器焊接塑料薄膜,最高速度可以達到750m/min。

      

    在醫療器械領(lǐng)域中的應用

     

    隨著(zhù)塑料材料在醫療器械領(lǐng)域廣泛應用,新型的塑料生產(chǎn)及加工工藝也層出不窮,激光焊接作為其中的一種,因其無(wú)污染、非接觸性、無(wú)縫連接等優(yōu)點(diǎn)受到該行業(yè)的廣泛關(guān)注。


    耳垢防護器

    助聽(tīng)器越來(lái)越趨于小型化,從而為用戶(hù)提供更小、更舒適、肉眼不可見(jiàn)的助聽(tīng)器。當今典型的ITE助聽(tīng)器只有小指尖那樣大小。但是所有助聽(tīng)器都面臨著(zhù)一個(gè)大問(wèn)題:耳道內產(chǎn)生的耳蠟(也稱(chēng)耳垢)對聲音輸出區域造成污染。為了保證助聽(tīng)器可以發(fā)揮其可靠功能,有必要在其聲音輸出的位置提供防護措施。

     

    Phonak新型“智能護衛”的耳垢防護中,采用的方法是在微小的墊圈上焊接了一種極薄的具有高彈性的隔膜,它能有效地隔斷耳垢進(jìn)入助聽(tīng)器,此類(lèi)焊接技術(shù)是瑞士萊丹科技公司開(kāi)發(fā)的激光掩膜焊接工藝使這一高精度的連接工藝成為可能。整個(gè)耳垢防護器的大小只有幾個(gè)毫米,需要將一個(gè)隔膜焊接到一個(gè)大約3mm大小的墊圈上,墊圈采用熱塑材料制成。

                                                              





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