Dichte Verbindungsnähte mit variablen Konturen im Mikrometer-Bereich – eine Herausforderung bei der Herstellung von Pump- und Dosier-Systemen für die Medizintechnik. Denn für die richtige Wirkstoffaufnahme geht es nicht nur um die ausgegebene Menge einer Flüssigkeit, sondern auch um die Tröpfchengröße. Kernstück der komplexen Bauteile, die für die Dosierung zuständig sind, ist eine mikrofluidische Struktur. Diese kann in verschiedenen Ausführungen in unterschiedlichen Applikatoren eingesetzt werden. Die Palette reicht dabei von Pumpflaschen, wie zum Beispiel Nasensprays, bis hin zu Systemen, die durch zusätzliche Filter gegen Umwelteinflüsse abgeschirmt sind.

Die mikrofluidische Struktur speichert eine exakte Flüssigkeitsmenge und gibt sie bei Bedarf wieder frei – genau dosiert auf wenige Mikroliter genau. Die Anwendung erfordert exakte Kanalquerschnitte und eine extreme Maßhaltigkeit. Beim Verschließen der Fügepartner darf die Kanal-Geometrie weder durch Materialaustrieb oder Partikel noch durch Fremdstoffe beeinträchtigt werden. Nicht geeignet ist daher das Kleben als Verbindungstechnik, denn hier könnten Fremdstoffe den Kanal-Querschnitt beeinträchtigen oder mit den Wirkstoffen in der ausgebrachten Flüssigkeit interagieren. Aber auch viele Schweißverfahren verengen die Kanal-Querschnitte durch Partikelbildung oder einen hohen Fügedruck auf die geschmolzene Schweißkontur.

Eine saubere Sache: Laser-Durchstrahlschweißen

Anders beim Laser-Durchstrahlschweißen: Es verbindet einen für die Laserstrahlung transparenten Werkstoff mit einem absorbierenden Fügepartner. Der Laserstrahl wird durch das lasertransparente Formteil hindurch auf den absorbierenden Fügepartner fokussiert, wodurch letzterer an der Oberfläche aufschmilzt. Der obere, durchlässige Fügepartner wird mit einer definierten Kraft angepresst, so dass die Schweißnaht durch Wärmeleitung plastifiziert. Nach dem Abkühlen entsteht eine sichere, dichte und stoffschlüssige Verbindung. Qualitätssicherungsmaßnahmen im Schweißprozess überwachen den gesamten Vorgang.

Die Variante der Laserschweiß-Anlage LQ-Vario MF basiert auf der gleichnamigen Systembaureihe, ist jedoch speziell für die Anforderungen der Mikrofluidik konzipiert. Ein Faserlaser sorgt für eine Zehntelmillimeter feine Schweißkontur, um die geforderte Präzision bei den Schweißgeometrien zu erreichen. Beim Schweißvorgang sichern eine Pyrometer-Kontrolle und eine Fügeweg-Überwachung die Qualität der Schweißnaht. Letztere erfasst die Setzung des Bauteils über die Schweißdauer und gleicht sie mit den Soll-Daten ab. Die Pyrometer-Kontrolle registriert die emittierte Wärmestrahlung und trägt sie über ein Temperatur-Wegdiagramm auf. Solange die gemessene Temperatur innerhalb eines Soll-Bereichs liegt, verläuft der Schweißvorgang fehlerfrei. Bei veränderten Material-Eigenschaften oder Beschädigungen im Bereich der Schweißnaht entstehen Abweichungen, die ein gezieltes Aussteuern des Bauteils erlauben.

Die Anlage schweißt beliebige Konturen, die feinen Kanalquerschnitte bleiben unangetastet. Der Laserstrahl wird durch ein Scannersystem ohne Kopf- oder Materialbewegung mit Spiegeln entlang der Schweißkontur geführt. Je nach Applikation überfährt er die Schweißnaht auch mehrfach und plastifiziert sie auf der gesamten Länge – damit lässt sich das Oberteil insgesamt ohne Verkantung auf dem Unterteil befestigen. Teure Werkzeuge oder Zusatzstoffe sind nicht erforderlich, und für eine Änderung der Schweißkontur genügt das Aufspielen einer anderen Layoutdatei. Dies sind Eigenschaften, mit denen sich die Anlage für die Mikrofluidik empfiehlt. Das Laserschweißen ist in der Medizinproduktion bis zur höchsten Risikoklasse III – diese gilt zum Beispiel für Herzkatheter – geeignet und lässt sich gut in Reinraum-Umgebungen integrieren.

 

Technik im Detail

Beim Laser-Durchstrahlschweißen handelt es sich um einen einstufigen Prozess, bei dem die Erwärmung des Kunststoffes und der Fügevorgang nahezu gleichzeitig ablaufen. Dabei muss ein Fügepartner im Bereich der Laserwellenlänge einen hohen Transmissionsgrad und der andere einen hohen Absorptionsgrad aufweisen. Vor dem Schweißprozess werden beide Bauteile in der gewünschten Lage positioniert und der Fügedruck aufgebracht. Der Laserstrahl durchdringt den oberen Fügepartner und gibt seine Energie im unteren Bauteil ab. Ein moderater Anpressdruck sorgt für die Wärmeleitung zwischen beiden Komponenten, die plastifizieren und so stoffschlüssig miteinander verschweißen.

 

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Frank Brunnecker