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激光技术优化微米级透明塑料零件的连接

2020/7/22 14:16:29 | 文章来源:中塑在线  | 【大 小】 【打印】

由铥光纤激光器驱动的透明塑料部件的连接技术不需要使用吸取材料,因为激光的波长与材料的自然吸取范围一致。该工艺由德国弗劳恩霍夫激光技术研究所(Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT)的研究人员与工业伙伴合作开发,在医疗用微流控芯片方面有显著应用。

为期三年的SeQuLas项目已于今年年初成功完成,该项目专注于在透明塑料部件上只产生微小的焊缝。Fraunhofer-ILT说明说,这对传统的连接技术来说是一个挑战,因为传统的连接技术在微米范围内陷入了僵局,这是制造微流体器件的一个潜在障碍。

微流控芯片设计用于高效输送、混合和过滤少量液体。这些设备使芯片上实验室技术成为可能,通过这种技术,通常基于微量血液进行化学分析,以便早期发现疾病并对患者进行监测。Fraunhofer ILT指出,器件制造中的一个主要挑战是芯片中微通道的极其紧密的封装。传统的连接技术在微米范围内达到了极限。Fraunhofer ILT在其网站上的资讯稿中说:取而代之的是,无吸取体激光传输焊接——光束源在近红外范围内——可以实现高精度和灵活性,使其成为理想的解决方案。

根据《财富商业洞察》(Fortune Business Insights)的数据,预计到2026年,全球微流控设备市场的价值将达到226亿美金,而2019年至预测期内的复合年增长率仅略高于20%

最初

Fraunhofer ILT2017年与Amtron GmbHOrtmann Digitaltechnik GmbHBartels Mikrotechnik GmbH合作,启动了SeQuLas项目。该项目由德国北莱茵-威斯特伐利亚州的一个区域开发机构和欧洲区域发展基金提供资金。

SeQuLas分段准同步激光辐照的缩写,它涉及使用发射波长为1940nm的铥光纤激光器作为光束源。这是塑料的自然吸取范围,无需添加吸取材料。因此,在激光加工过程中,芯片的透明度不受影响。然而,无吸取体激光传输焊接也带来了自己的挑战,而Fraunhofer ILT及其工业合作伙伴克服了这一挑战。

Fraunhofer ILT说明说,体积吸取产生了一个热影响区(HAZ),它垂直延伸到整个组件的横截面上。熔化过程中的热膨胀可能导致气孔和裂纹的形成,从而导致焊缝结构的泄漏。此外,它还可能导致材料变形,尤其是在加工扁平部件时。

研究人员发现,准同步辐射可以用来减少热影响区的垂直扩展。在此过程中,激光束在扫描系统的帮助下沿焊缝轮廓高速移动几次。整个焊缝轮廓是同时加热的,而不是像轮廓焊接时那样依次加热。在聚碳酸酯部件的试验中,Fraunhofer ILT证明了在焊接过程中,热量在外表面散失,而在材料内部积聚。与等高线焊接相比,该工艺可使热影响区的垂直扩展减小30%

热损伤的早期检测

第二步,项目合作伙伴开发了激光焊接技术的过程控制。集成在束流路径中的高温计测量焊接过程中部件的温度。通过将测量信号与扫描反射镜的位置耦合,可以记录焊接过程中部件的热损伤并精确定位。因此,新开发的激光焊接工艺可以快速反应,控制焊接过程中的温度。Fraunhofer ILT说,通过这种方式,可以确保沿焊缝轮廓的均匀焊缝属性。

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