Evosys Laser Nadelfrei und dicht: Laserschweißen sorgt für sichere Verbindung bei Injektionsgeräten

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Evosys Laser GmbH

Portal Instruments produziert gemeinsam mit Partnern das Jet-Injektionsgerät Prime für die nadelfreie Injektion. Dabei kommen Einweg-Kunststoffampullen zum Einsatz, die zuverlässig mit Düsen verbunden werden müssen. Technologie der Wahl war für diese Anwendung ein Laserschweißsystem von Evosys.

• Einweg Kunststoffampullen für die nadelfreie Injektion in die Haut

• Lasergestütztes Fügen der Bauteile gewährleistet sichere Funktion

• Laserschweißanlage von Evosys sorgt für hohe Schweißnahtqualität beim 2-µm-Laserschweißen

Die nadelfreie Injektion (engl. Jet Injection) bezeichnet die Technik, Arzneistoffe unter hohem Druck und ohne Verwendung einer Nadel in die Haut zu injizieren. Portal Instruments, ein Spin-Off des Massachusetts Institute of Technology (MIT), hat ein Jet-Injektionsgerät entwickelt, das diese Technologie für den Patienten einfach und ohne ärztliche Unterstützung nutzbar macht. Die Medikamente werden in eine Einweg-Kunststoffampulle gefüllt und mit dem elektronischen Injektionsgerät in die Haut injiziert. Eingesetzt wird die Entwicklung insbesondere für die Biologika – Therapeutika. Zu diesen zählen unter anderem Insulin, Hormone und Impfstoffe.

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Zentrales Element des Jet-Injektionsgeräts Prime von Portal Instruments ist die Kunststoffampulle mit der Düse, welche nach der Benutzung einfach aus dem Gerät entnommen und entsorgt werden kann. Der filigrane Aufbau der Ampulle und der eingesetzten Düse stellt eine besondere Anforderung an den Fügeprozess dar. Neben der geforderten Dichtheit und Festigkeit müssen Bauteiltoleranzen im Bereich weniger Hundertstel Millimeter gewährleistet werden. Die Düse darf sich während der Bearbeitung nicht verformen, um die anschließende Funktion zu gewährleisten.

Da eine Herstellung mittels Spritzgießen aufgrund von Hinterschnitten in der Bauteilgeometrie nicht realisierbar ist, muss die Baugruppe aus zwei Einzelteilen hergestellt werden. Als Fügeverfahren standen Kleben, Laser-, Heißluft- oder Heizelementschweißen zur Auswahl. Aufgrund der deutlich schlechteren Prozesssicherheit und des zusätzlichen Platzbedarfs an der Kunststoffampulle kann die Düse nicht geklebt werden. Gegenüber den Alternativen Heizelement- und Heißluftschweißen sprachen zahlreiche Vorteile für ein lasergestütztes Fügen. Neben deutlich kürzeren Taktzeiten zeichnen vor allem die gute Kontrollierbarkeit sowie die hohe Prozesssicherheit und -stabilität das Verfahren aus. Spannungsrisse in Folge von Eigenspannungen durch den Wärmeeintrag können bei der Bearbeitung mit dem Laser deutlich leichter vermieden werden. Die Produktqualität wird mit Laserschweißen nachweislich gesteigert. Ausschuss durch zu hohen Energieeintrag verringert sich, da die lokal eingebrachte Energie auf ein Minimum begrenzt wird. Auch Verunreinigungen des Bauteils, z.B. durch mechanischen Abrieb, entfallen.

Stoffschlüssig durch Laserbearbeitung

Für das Laserschweißen von Kunststoffen existieren verschiedene Verfahrensprinzipien. Die industriell gängige Methode ist das Laserdurchstrahlschweißen. Dabei wird ein für die Wellenlänge der Laserstrahlung transparenter Werkstoff mit einem absorbierenden kombiniert (Wellenlängen üblicherweise zwischen 800 und 1.100 nm). Der Laserstrahl wird durch das transmissive Formteil hindurch auf den absorbierenden Fügepartner fokussiert, wodurch dieser oberflächlich aufschmilzt. Über Wärmeleitung wird der transparente Kunststoff, der mit einer definierten Kraft angepresst wird, ebenfalls plastifiziert, so dass eine stoffschlüssige Verbindung entsteht. Dieses Verfahren setzt jedoch voraus, dass einer der beiden Fügepartner laserabsorbierend ist, üblicherweise durch ein Additiv.

Für die vorliegende Anwendung musste daher ein anderer Lösungsansatz verfolgt werden. Um zwei ungefärbte Kunststoffe miteinander zu verbinden, kann die Lasertechnik auf längerwellige Strahlung ausweichen. Dabei wird die optische Eigenschaft von thermoplastischen Kunststoffen ausgenutzt: ab einer Wellenlänge von ca. 1,3 µm steigt die Absorption im ungefüllten Kunststoff sukzessive an, und ab ca. 2,7 µm wird die Strahlung fast vollständig vom Polymer absorbiert. Eine gängige Methode für das Schweißen von zwei transparenten Kunststoffen ist beispielsweise der Einsatz eines Lasers mit einer Wellenlänge im Bereich von 1,5 - 2,2 µm. Anders als beim herkömmlichen Durchstrahlverfahren, können mit dieser Variante zwei Werkstücke ohne zusätzlichen Absorber gefügt werden. Nach einer eingehenden Bewertung der alternativen Verfahren, wurde letztlich das Schweißen mit einem Laser der Wellenlänge 1,9 µm als qualitativ und wirtschaftlich beste Lösung ausgewählt. Als Prozessvariante kommt das sogenannte quasisimultane Schweißen zum Einsatz. Dabei fährt der Laserstrahl den Schweißbereich mehrfach mit hoher Geschwindigkeit ab und erwärmt ihn somit vollständig. Das Material plastifiziert quasi gleichzeitig. Unter Abschmelzen eines messbaren Fügewegs werden die beiden Fügeteile stoffschlüssig verbunden, wodurch Toleranzen in den Materialeigenschaften und der Bauteilgeometrie ggf. kompensiert werden können.

Sauberes Bauteil - sauberer Prozess

Als Werkstoff wurde aufgrund der medizinischen und mechanischen Anforderungen ein COP mit medizinischer Zulassung ausgewählt. Insbesondere die hohe Biostabilität und die materialbedingte geringe Anlagerung von Bakterien gaben dabei den Ausschlag. Sämtliche zu verbindenden Bauteile werden ungefärbt und ohne Zugabe von Additiven zur Absorptionsänderung eingesetzt. Unter Berücksichtigung der funktionalen und herstellungsspezifischen Randbedingungen wurde die Konstruktion der Kunststoffampulle entsprechend den Anforderungen des Schweißverfahrens angepasst. Hervorzuheben ist eine gut für den Laserstrahl zugängliche Bearbeitungszone sowie die Möglichkeit, die präzisen Einzelteile in einer Aufnahme zu fixieren.

Für die Fertigung des Bauteils wurde in Zusammenarbeit mit Evosys Laser, Erlangen, ein geeignetes Produktionssystem konzipiert. Die kundenspezifische Laserschweißanlage greift auf Out-of-the-box-Module aus dem Sortiment des Schweißanlagenherstellers zurück. Sämtliche Komponenten, wie Laser und Steuerung, sind im Anlagengehäuse integriert – damit wird eine kompakte Bauweise erreicht. Aufgrund der Fertigungslogistik ist in einer ersten Ausbaustufe die Handbestückung der Schweißanlage vorgesehen.

Hightech inside

Kernelement des Systems ist der Laser mit nachfolgender Strahlformung und -führung. Der Strahl wird mit einem speziellen Optikaufbau in ein dynamisches Spiegelsystem (Galvanometerscanner) geleitet. Nach dem Scanner folgt eine Planfeldoptik, die den Strahl in die Bearbeitungsebene fokussiert. Da Düse und Ampulle an der Stirnseite miteinander verbunden werden müssen ohne dabei bewegt zu werden, fährt der Laserstrahl – geführt durch den Scanner – mehrfach eine Kreislinie ab.

Ein weiteres für die Fertigung unerlässliches Modul ist die Positionier- und Spanneinheit für die beiden zu fügenden Bauteile. Zentrales Element ist ein Dorn, der an einer Öffnung an der Spitze ein Vakuum erzeugt. Die Düse wird vom Bediener auf dem Dorn positioniert, ein Sensor prüft danach berührungslos das Vorhandensein. Anschließend wird die Ampulle über Düse und Dorn aufgesteckt. Auch hier erfolgt die Positionskontrolle über einen geeigneten, berührungslosen Sensor. Sobald beide Fügeteile in der korrekten Lage sind, wird die gesamte Vorrichtung automatisch in Schweißposition gefahren. Nun erfolgt das Spannen mit einem elektrischen Servoantrieb, um die erforderlichen Kräfte für den Schweißprozess exakt dosieren zu können. Während des Schweißvorgangs erfolgt eine Online-Prozesskontrolle mittels Fügewegüberwachung. Die Qualität der Naht ist nach dem Schweißvorgang durch eine gleichbleibend hohe Festigkeit charakterisiert – in mechanischen Ausdrücktests der Düse versagt die Verbindung kohäsiv im Material der Komponenten und nicht adhäsiv in der Fügeebene.

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Eine benutzerfreundliche und schnelle Bedienung der Anlage im Produktionsalltag gewährleistet das Human-Machine-Interface auf Basis einer Industrie-SPS. Ergänzt durch die Programmiersoftware Evolap wird die Flexibilität der Anlage erhöht. Der Anwender kann schnell die Daten für Schweißkontur, Vorschubgeschwindigkeiten und Laserleistung einprogrammieren. Aufgrund der intuitiven Bedienoberfläche, die speziell für die Nutzung auf Touchbildschirme ausgelegt ist, kann der Benutzer quasi ohne aufwändige Schulung direkt starten.

Die Technologie des 2-µm-Laserschweißens von Kunststoffen eröffnet neue Anwendungsmöglichkeiten und stellt in vorliegender Applikation ein alternativloses Fügeverfahren dar. Die Erfahrungen in der Serienproduktion, sowohl mit dieser Technologie, als auch mit der eingesetzten Schweißanlage, sind durchwegs positiv. Bei gleichzeitig hoher Schweißnahtqualität, garantiert der saubere und robuste Prozess eine hohe Ausbringung bei den gegebenen Schwankungen des Werkstoffs und der Bauteilgeometrie. Die Anlage selbst zeigt eine hohe Verfügbarkeit bei extrem niedrigen Folgekosten. Dazu tragen der wartungsarme Laser und die zuverlässigen mechanischen und elektrischen Komponenten bei.

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* Dipl.-Ing. Frank Brunnecker ist Geschäftsführer & Gesellschafter bei Evosys Laser. Dipl.-Ing. Christian Ebenhöh ist Key Account Manager des Unternehmens.

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