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激光塑料焊工艺与系统设计小技巧

COVID-19新冠疫情肆虐全球已经步入到第3个年头,而随着高传染性的Omicron ( 奥密克戎病毒 ) 的来袭,及时找出有症状和无症状者并加以隔离是目前大多数国家抗疫的重要手段之一。其中,ART(Antigen Rapid Test) Kit - 抗原快速检测试剂盒 (各国命名略有不同, 比如RAT、RT等)为此立下了汗马功劳。譬如从2022年1月21日至3月11日,新加坡本土病例一共60万2000起,其中10万7952起是PCR核酸检测阳性,占18%;49万4048起是ART抗原检测阳性 (不包括自行检测阳性而未上报者),占82%。这极大地缓解了医疗体系的压力,避免了不必要的医疗资源挤兑。而就在3月11日,中国国家卫健委消息,将对一些特定人群采用ART检测。
 

由图1的ART试剂盒可见其形状和操作方式类似于验孕棒。图2属于稍微高端一点的ART的盖板,用激光设备标识了序列号和QR码,以便用户了解详情及日后追踪。由于不同颜色的塑料件含有不同的染色添加剂,笔者选用了Coherent Matrix系列的UV laser (紫外激光器)进行打标,标记光滑细腻,仅仅在材料表面生成稳定的颜色改变以产生强烈的视觉对比度,却不会生成粉尘和打标深度,并对材料本身不产生任何破坏,这一点对于医疗产品的打标尤为重要。

ART试剂盒(左图1),较高端的ART试剂盒(右图2)

作为体外测试用的ART,相对于医疗手术器械(surgical instrument)和体内植入式(implant)医疗产品,其打标要求并不算高,因为后者打标完毕后除了要满足以上ART的打标要求,还需要经过一系列模拟使用、清洗和消毒状况的测试,譬如盐水、消毒水浸泡;高温、蒸汽消毒;强碱性液体(PH14)浸蚀等。整套测试要连续完成几十甚至几百次,经过这一系列被笔者戏称为“汗蒸式”的严格反复测试,要求打标内容仍然能够清晰可见,并且在打标区域没有锈蚀现像,更不会损伤材料本身。美国FDA和欧盟MDR要求所有医疗产品必须要有 "医疗器械唯一标识 (UDI)”,但并非所有的激光打标设备都能做出这种久经考验之下仍倔强不屈的标识。基于材料特性及价格考量,Coherent PL E10 和PL Rapid NX(图3右)被广泛地应用于这类医疗领域多年,建立了良好的口碑。图3是利用以上两款机型在医疗级别不锈钢材质和钛合金心脏起搏器(pacemaker)上的打标。

图3 医疗行业打标(左) 为医疗行业黑色打标量身定制的PL Rapid NX(右)

由于ART上下件都是塑料材质,某些高端的ART采用了激光塑料焊接进行封装。时至今日,激光塑料焊早已不是件新鲜事,其原理、方式及材料可焊性在此就不多说了,下面图4以作参考。

图4 激光塑料焊原理、方式及材料匹配

相较于一、二十年前刚开始推广激光塑料焊, 如今早已不用再苦口婆心地对客户解释焊材本身对成品的影响 (如图5),现在大多数客户产品的染色添加剂都会适合IR波长的范围,并做到焊接面尽量平整均匀以减少对激光光束的干扰。那么,是不是选择一款波长适中、性价比最高的半导体激光器(diode laser)就可以轻松解决问题了呢? 答案当然是否定的。与激光打标类似,貌似简单成熟的激光塑料焊在激光源选型、整机设计和工艺优化上同样是一不小心就会踩雷。下面会对此加以详细讨论。

图5 焊材对激光塑料焊品质的影响

2006年笔者承接某实验室医用级别有机玻璃(PMMA)液体微通道(microfluidic channel)焊接项目,产品尺寸30 mm x 30 mm, 上下件厚度各1.5 mm。要求焊接后液体能够从一端小孔流入,经过复杂的通道,顺利从另一端小孔流出,期间无泄漏,无渗透,高压检测及撞击测试无裂痕,横截面检测无微孔,外观检测无气泡、无色差、无变型、无暇(以上是所有塑料焊最基本的要求)。试验初期,microfluidic channel是由CO2 激光器切割而成,入口宽290 µm,深度最浅处120 µm,最深处570 µm,沟槽非常不平整, 3D扫描如图6。

图6 CO2切割的液体微通道3D图  

当年市场上还没有带扫描头(scanner)的半导体激光设备(diode laser system),而作为笔者的第一个激光塑料焊项目,在没有任何辅助设备的情况下,只好临时借来一台运行速度慢、精度非常粗糙的大型板金切割机械手来抓取小巧的DILAS自带温度反馈(pyrometer)的焊接头,而夹具则是几个书报夹。可见,当年即使是外企,在没有拿到定单之前,也是勤简持家、举步维艰地做实验的。由于微通道口径相对较大,沟槽较深,DILAS 100 W波长808 nm 的diode laser(半导体激光器)还是能胜任的,外观与功能方面基本上还是差强人意的,如图7。当然由于设备的简陋, 我们不难从焊件边缘看出diode laser的粗犷。

图7 DILAS 半导体激光器+机械手带动激光焊接头 

尔后客户改良用excimer laser开槽,宽度降为160 µm,深度只有230 µm, 沟槽均匀,底部较平滑,如图8的3D扫描。同时客户将工件尺寸增至直径最大为150 mm的圆蝶,沟槽形状也更为复杂,分布更密集。此时光束质量较差,光斑较大的diode laser在焊接时引起的热传导极易将微通道周边材料熔化并填充沟槽,大规模焊接时,质量出现不稳定状态。在有条件订单(conditional PO)已经到手的情况下,只能当机立断,改换为Rofin 的100D来展开进一步的评估,并将这款传统上用作打标的Q-switch脉冲激光器调整为连续波。

图8 Excimer切割的液体微通道3D图 

图9是这款低模(lower TEM mode)带扫描头(scanner)波长1064 nm的100 W侧泵二极管激光器(side pumped diode laser)焊接效果,采用了高速重复跳跃运行方式(repeated welding with high speed and optimized routine),可以看出外观更为美观细腻。而配置了合适的气压系统夹具(cylinder clamping jig)后,焊接颜值更为惊艳,焊接质量可谓令人赏心悦目 (图10)。

图9 Rofin 100D 实验结果 
图10 整机生产线结果

而激光塑料焊仅靠合适的光源、优化工艺和普通功能的夹具还是远远不够的。经过其后几年里与世界级各行各业的名企合作中,在不断地和客户沟通,聆听他们的反馈下,逐步提升和完善整机系统的设计和软硬件的配合,短短几年内成功地让百余台自行设计制造的整机设备(turn-key solution)稳定可靠地运行于东南亚各大生产线。在此总结在工艺与系统设计时需要特别关注的细节:

焊接前的预热及焊接后的冷却:

类似金属材料,塑料件温度骤升骤降都不是件好事,因而预热和冷却的把控必不可少。此时不仅需要夹具与激光器开关的时间配合,还要考虑到激光器开关时能量上升沿和下降沿(ramp-up / ramp-down)对焊接的影响及焊材对温度改变的适应度,所以借鉴金属焊接的经验,我们特意对激光器本身加入了人为干预上升沿和下降沿的时间及能量控制功能。

焊接中激光能量分布的一致性:

对于复杂的图形,由于运动系统的局限性,使用相同的能量会产生局部过热甚至焦灼现象。连续波激光器不可能象脉冲激光金属焊那样利用控制系统将脉冲激光频率与实际运动速度实时自动同步(synchronize),所以只能在参数与路径上动脑筋啦,焊接路径与速度要与激光能量对应优化。

焊接中工件高度变化与焊接时间:

在整个焊接过程中,随着焊材的熔化,工件高度会逐步减小,是非常微小的动态变量。当工件高度降到一定数值时,说明焊材上下两层已经成功熔合在一起了,如果此时没有及时关闭激光器,工件会因为受热过度而不能通过后续一系列的检测;而过早地关闭激光器又会造成焊接不牢。因此控制系统不仅要依据产品评估经验值设置激光器的关闭时间,还需通过实时监测焊件高度变化 (Collapse Height)来适时地关闭激光器。

夹具对工件的夹紧度:

固定工件间隙太大会造成焊缝无法有效咬合,太紧则有可能损伤工件。两者也都会造成焊接品质不佳。而夹紧度在焊接过程中也是个动态变化参数,其控制的好坏对焊接质量和外观起着举足轻重的作用。由于夹紧度无法量化,因而我们转为实时监测气压夹具(cylinder clamping)的受力/压强状态或是电动夹具(servo clamping) 的受力/电机力矩数值。

夹具和工作台的设计:

在评估机器性价比时,机器产能(UPH)是买家缺一不可的考量,所以夹具的设计不仅要符合复杂的工件外型,留下光束通道,还得便于工件快上快下。同时得顾及是自动、半自动、还是手动上下料,以及根据工厂场地的限制而设计相应的工作台,比如旋转式,U-型等。

软件和视觉系统:

一些大厂需要产品状态/批次追踪等,因而接口软件需要一些定制化。某些精细焊接也需要视觉系统的定位甚至一定程度的表面粗检。

综上所述,激光塑料焊是激光系统、运动系统、夹具及机械系统、软件及控制系统以及工艺相辅相成的综合平台,功能完善、控制精准、使用方便的激光塑料焊接机是日积月累的实战经验累积的成果。
2017年8月,Coherent 召集全球分公司曾经参与各自激光塑料焊接机器设计与研发的人员聚首德国施塔恩贝格湖(Starnberger See),集思广益,推陈出新,推出了功能强大的新型激光塑料焊专机。(图11)

图11 Coherent 两款激光塑料焊专机

除了激光打标和塑料焊,激光在医疗行业还有着非常广泛的用途:比如心脏起搏器(pacemaker)盒盖闭合处的无缝焊接、心血管支架(stent) 的精细切割、DNA 测序 (DNA sequencing)等都有非常成熟完善的整机解决方案,且早已通过FDA和CFDA论证,在中美龙头企业可靠运行多年了。随着技术的不断进步,激光将会在更多更广的医疗领域展现异彩。

作者简介:Shirley Jiang

Coherent Singapore Application Manager / Senior Staff Engineer - Application

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