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Leister Technologies Durch und durch mit dem Laser geschweißt

| Redakteur: Peter Reinhardt

Höchste Präzision ist beim Schweißen transparenter Gerätekomponenten mit Fluidkanälen für die Blutanalyse erforderlich. Einer der größten chinesischen Hersteller hat dafür nach sorgfältiger Prüfung das Laser-Durchstrahlschweißen ausgewählt.

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Sauber und dicht: Fast vier Meter Schweißnahtlänge müssen entlang der Fluidikkanäle sicher geschweißt werden.
Sauber und dicht: Fast vier Meter Schweißnahtlänge müssen entlang der Fluidikkanäle sicher geschweißt werden.
(Bild: Leister)

Beim Laser-Durchstrahlschweißen medizinischer Komponenten verfügt Leister über langjährige Erfahrung. Deshalb konnte in China einer der größten Produzenten medizinischer Geräte als Kunde gewonnen werden. Die zu schweißenden Komponenten sind als Einwegprodukte für medizinische Analysegeräte ausgelegt, die Bestandteile des menschlichen Blutes innerhalb weniger Minuten zur Analyse separieren. Die zu schweißenden Komponenten werden aus einem transparenten PETG-Gehäuse mit 20 mm Stärke und einer ebenfalls transparenten, 4 mm dicken PETG-Abdeckung zusammengesetzt. Ein integrierter Sensor darf beim Schweißen nicht beschädigt werden. Pro Jahr werden zwischen 20.000 und 50.000 Teile produziert.

Höchste Anforderungen an den Schweißprozess

Sowohl im Gehäuse als auch in der Abdeckung befinden sich komplexe Fluidikkanäle und Reservoirs, durch welche Blut geleitet wird. Die Anforderungen an die Verarbeitungsqualität hierfür sind extrem hoch: Das Blut darf nicht aus den Kanälen entweichen, sodass die Schweißnähte absolut dicht sein müssen. Die Schweißnahtbreite misst lediglich 1,5 mm, die Gesamtlänge der Schweißnähte der nur 225 x 110 mm großen Bauteile beträgt dagegen 3.800 mm. Wichtig ist vor allem auch, dass nur kleine Schweißwülste durch Abschmelze entstehen, da sich sonst Blut stauen könnte. Nicht zuletzt müssen die Teile optisch überzeugen und auch nach dem Schweißen noch transparent sein.

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Laserschweißen ist die passende Technologie

Vor der Kontaktaufnahme mit Leister-China hatte der Kunde verschiedene Kunststoffschweißtechnologien getestet. Das Ultraschallschweißen fand wegen der komplexen Schweißnahtgeometrie auf großem Raum keinen Einsatz. Zudem hätten die Ultraschallvibrationen die sensiblen Sensoren beschädigen können. Mit dem Heizelementschweißen wurden zwar gute und dichte Schweißnähte realisiert, jedoch war hier die Abschmelzrate zu groß. Einzig das Laser-Durchstrahlverfahren erfüllt alle Anforderungen an Dichtigkeit und Optik.

Bei dieser Technologie werden weder Partikel noch Emissionen freigesetzt. Sie eignet sich dadurch bestens für medizinische Einmalprodukte mit Blutberührung. Da von beiden Seiten geschweißt werden kann, werden die komplexen Schweißgeometrien dicht verbunden – und dies berührungsfrei. Um das geeignete Laserstrahlverfahren zu finden, wurden im Applikationslabor von Leister verschiedene Verfahren getestet. Neben dem Masken- und Quasisimultanverfahren wurde auch das Konturverfahren untersucht und schließlich ausgewählt. Gegenüber dem Schweißen mit einem Linienlaser oder einer Scanner-Optik erfordert das Konturverfahren kleinere Investitionen und ist darüber hinaus flexibel für andere Anwendungen.

Trägerflüssigkeit macht Transparentes schweißbar

Um den Laserstrahl zu absorbieren, muss für das Zusammenfügen zweier Teile normalerweise das oben liegende transparent und das unten liegende absorbierend sein. Beide Fügepartner – Gehäuse- und Abdeckungsteil – sind hier jedoch transparent. Vor dem eigentlichen Schweißprozess wird deshalb Clear Weld LD140F als Laserstrahlabsorber auf die Nähte beider Teile aufgebracht. Dieser Absorber ist in einer Trägerflüssigkeit gelagert und wird auf die Oberfläche der Bauteile appliziert. Dafür fährt eine Ultraschalldüse entlang der Schweißgeometrie. Sie verflüchtigt die Trägerflüssigkeit und lässt nur den Absorber auf der Oberfläche zurück. Da beide Fügepartner spritzgegossen werden, sind sie in der Regel leicht verzogen. Beim Zusammenfügen müssen aber plane Verbindungsebenen erzielt werden. Dafür werden die Bauteile unter großem Druck gefügt.

Spannung, Prüfung und Kundenunterstützung

Das Bauteil ist unmöglich nur von einer Seite zu schweißen, da einige verbaute Düsen und der Sensor den Laserstrahl blockieren würden. Deshalb wird von beiden Seiten geschweißt. Dazu wurde eine Anpressvorrichtung maßgefertigt, die beidseitiges Schweißen erlaubt. Um sicherzustellen, dass alle Kanäle versiegelt sind, wird nach dem Schweißen eine Dichtigkeitsprüfung durchgeführt. Trotz manuellem Einlegen und Wenden beträgt die Zykluszeit insgesamt nur drei Minuten. Als Laserstrahl-Quelle dient ein Diodenlaser Novolas-Workstation WS-AT, gekoppelt an eine Spot-Optik AT zum Konturschweißen – beide von Leister.

Leister war der einzige Anbieter in China, der dem Kunden entsprechende Tests mit allen Laserstrahlschweißkonzepten bieten konnte. Zudem berät und unterstützt der Schweißspezialist die Entwicklung von Aufnahmevorrichtungen und kann diese auch selbst lokal herstellen lassen. Zusätzlich unterstützt Leister den Kunden auch bei der Materialauswahl und der Suche nach geeignetem Farbmittel. Dank seiner Laborausstattung ist Leister auch in der Lage, für den Kunden Schweißversuche mit unterschiedlichen Verfahren durchzuführen.

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