激光焊接塑料在医疗部件中的应用

激光焊接塑料在医疗部件中的应用

洁净室中的激光塑料焊接

在生物和医学工程领域，激光技术的应用日益广泛，且越来越多地直接应用于对人体进行治疗和诊断程序，以及医疗器械和植入物的制造。当然，高可靠性以及功能强大的激光系统也在医疗器械塑料组件的连接上有着良好应用。

激光塑料焊接优点：①出众的焊接质量－由于焊接时两个工件之间沒有相对运动，只有焊接面被加热并熔化，因此焊接后的产品有着良好的外观。②溢料少且无颗粒－通过改变激光照射的强度可以精确的控制焊接区域内的功能消耗，从而减少溢料和颗粒的产生。③可以焊接其他工艺不易焊接的材料－应用激光焊接工艺可以成功焊接丙烯腈丁二烯苯乙烯，丙烯酸酯，人造橡胶，聚碳酸酯，聚丙烯，聚苯乙烯，高密度聚乙烯，低密度聚乙烯和尼龙，该焊接工艺也可以有效的焊接一些合成塑料。④焊接内部有插件的塑料工件－在一些特殊的焊接应用里，工件内部会预先放置一些部件，使用激光焊接工艺能够确保这些部件在焊接完成后的位置不会发生任何变化。⑤操作快速且灵活－激光焊接可以应用于大批量生产，一个标准的焊接过程在1-5秒内完成。　

激光塑料焊接是一种清洁、绝对无粉尘的接合技术，因此医疗产业对其尤其感兴趣。传统接合技术，如超声波焊接、胶水粘接技术，不能达到产品在清洁方面日益提升的标准要求。超声波焊接的加工方法不能满足在焊接区域无任何粉尘污染的要求。胶水粘接使用的粘合剂也很难保证医疗产品对清洁卫生的要求。激光塑料焊接对于许多医疗应用来说已是不可或缺，包括一次性使用的分析用容器、血液过滤器、旋转焊接的传感器、各种细胞培养器皿等等。

透射激光焊接取得成功的另一个因素是医疗产品越来越小型化。医用微流控器件和诊断设备所要求的精度只有激光技术才能达到。与那些无法焊接精细微流控器件的传统焊接方法不同，现今常规而价格不贵的激光设备，例如配备了扫描电镜的激光设备，可以轻易达到规定的效果。光纤激光或光纤耦合二极管激光加工的焊缝宽度达到微米级，同时不影响焊缝形状的灵活性和焊接面积的大小。该工艺特别适用于医疗领域，因为利用集成的熔化轨迹监测系统或高温计监控系统提供的信息，每个产品加工过程中的工艺参数都被记录存档。

除了激光焊接技术外，超声波焊接技术和塑料热板焊接技术也可应用于医疗产品的焊接。超声波焊接机针对小型医疗产品的熔接、连接、铆焊，如医疗盒焊接、无纺布手术衣焊接、无纺布手套压边等；塑料热板焊接机针对大型复杂医疗塑料工件的焊接与铆接，如PP塑料壳与ABS塑料透明镜片熔接、医疗过滤器焊接、医疗滤芯端盖焊接等。

激光塑料焊接

激光塑料焊接的原理：激光束穿透上层透光材料，到达下部的吸光材料表面，将激光光能转变成热能，使其表面熔化，同时热量也以传导方式，从底面传递到与其压接的上层透光工件的接触面上，使其融化，从而实现激光热熔焊接。这一点在焊接过程中通过各种质量控制方法得到了海量验证。窄焊缝冷却后，就会与材料本身的强度保持一致。

图1：激光塑料焊接原理图

成功的激光塑料焊接加工过程的必要条件是两个部件分别是激光透光塑料和激光吸光材料，这样才构成了多种可能性。

图2：激光焊接塑料相熔特性表

通过激光塑料焊接的方式可以产生与材料本身强度几乎相同的焊缝且不产生碎屑或粉尘，无需引入任何化学物质或其他添加剂。整个加工过程洁净度高。焊缝从零点几毫米到几毫米且密封性良好。特别是当需要精细、美观的焊缝结构时，激光焊接无疑是最理想的技术。

这项技术在医学工程的许多领域都有应用：例如，焊接胰岛素装置或起搏器等电子元件的外壳。导管或销钉的圆柱形部件，也可以用激光精确而可靠地焊接，用于诊断程序的墨盒和微流体也可以轻松应对。而另外一个优势是焊缝具有与材料本身相同的生物相容性。承受高压的塑料阀门的各个部件也可以用激光焊接得很好，很稳定。基于数控以及精准的激光束，系统可轻松焊接任意几何形状。

图3：阀块上的可靠塑料连接使用过程中可承受200bar的压力。

图4：激光焊接壳体：胰岛素泵焊接

除了上面所描述的透光和吸光材料之间的焊接，还可以利用透明焊接技术通过特殊的激光源将两个透明的焊接部件连接起来。尤其当吸收激光的塑料部件不允许加入任何添加剂或者必须在焊接后使用光学分析进行评估时，这种焊接方式就显得尤为重要。

图5：激光焊接的微流体传感器

目前人们听力受到障碍及听力下降的情况很普遍，幸运的是，新型的助听器可以在很大程度上帮助患者改善听力状况。助听器的不断研发，使得助听器越来越趋于小型化，从而为用户提供更小、更舒适、肉眼不可见的助听器。

当今典型的 ITE 助听器只有小指尖那样大小。但是所有助听器都面临着一个大问题：耳道内产生的耳蜡（也称耳垢）对声音输出区域造成污染。为了保证助听器可以发挥其可靠功能，有必要在其声音输出的位置提供防护措施。

新型“智能护卫”的耳垢防护中，采用的方法是在微小的垫圈上焊接了一种极薄的具有高弹性的隔膜，它能有效地隔断耳垢进入助听器，整个耳垢防护器的大小只有几个毫米，需要将一个隔膜焊接到一个大约 3 mm 大小的垫圈上，垫圈采用热塑材料制成

生物医疗分析仪器通常要求无菌，不能有任何化学物质掺杂。而传统的方法采用胶水粘连方式，这种方式可能会将化学物质带入分析仪器内从而影响分析精度。而摩擦焊接等其他方式则会在加工过程中产生粉尘或溢出物，对仪器造成污染。而激光焊接技术作为一种非接触式的焊接方法，特别适用这类产品的生产。如下图血液分析仪器，其成型工艺采用的瑞士莱丹 (Leister) 公司研发的轮廓焊接工艺，极低的功率即可完成焊接。

根据不同的应用，采用不同的焊接方法：激光塑料焊接技术工艺类型分为径向焊接、轮廓焊接、准同步焊接以及复合焊接。每种方式都有自己的优点和特点。焊接过程中能量输入的变化或性质取决于应用和部件。可根据不同应用提供合适的加工系统。

图6：导管圆柱形部件

结论

激光塑料焊接技术本身的优势，是精密领域中连接塑料部件的首选工艺。洁净，无毛刺，强度高，可靠的塑料部件焊接在生产过程中不会改变材料属性。由于可用的焊接工艺类型繁多，因此该技术可用于加工各种产品：从狭窄的导管到耐压阀再到大型电子器件外壳。完全可追溯性确保了生产工艺的高可靠性，这使得激光塑料焊接成为医学工程中众多应用中首选的连接技术。