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Auf ewig durch Licht verbunden

Laserschweißverfahren: Mikrokanäle sicher verschließen
Auf ewig durch Licht verbunden

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Eine Kombination von Spritzguss- und Laserschweiß- verfahren ermöglicht die DNA- und RNA-Analyse im Miniaturlabor. Das System besteht aus einem Analyzer und einer Einweg-Kartusche, die in Serie hergestellt wird.

DNA- und RNA-Analysen ermöglichen eine Diagnostik mit einzigartiger Sensitivität und Spezifizierung. Bislang sind derartige Tests äußerst aufwendig und erfordern den Einsatz einer umfangreichen Laborausstattung. Ein neues, von der Directif GmbH, Erlangen, und der Regensburger Wilden Gerresheimer AG hergestelltes Miniaturlabor erschließt die Nukleinsäure-Analytik für kleinere Labors, Arztpraxen und Kliniken.

Zentrales Element des gesamten Systems ist eine Einweg-Kartusche. Sie enthält sämtliche benötigte Reagenzien und führt den eigentlichen Test durch. Die flüssige Probe muss über lange mikrofluidische Kanäle zahlreiche Prozessschritte durchlaufen, um am Ende auf das eigentliche Detektionsfeld zu gelangen. „Besonders die Verschlusstechnik für die Mikrokanäle auf der Kartuschenunterseite war für uns eine Herausforderung“, erklärt Holger Aldebert, stellvertretender Bereichsleiter Kunststoffschweißen bei der LPKF Laser & Electronics AG, Erlangen. „Denn nicht nur die knapp zwei Meter lange Schweißnaht sollte dicht sein, auch die zur Probenführung notwendigen Kanalquerschnitte müssen gewährleistet werden.“ Eine weitere Forderung an das Fügeverfahren ist seiner Ansicht nach das Schweißen von Komponenten aus TPE auf der Kartuschenoberseite. Zur Wahl standen bei beiden Schweißungen das Kleben und das Laserdurchstrahlschweißen. Alternative Verfahren, die auf Energieeinbringung durch innere oder äußere Reibung basieren, konnten aufgrund der geforderten absoluten Partikelfreiheit von Beginn an ausgeschlossen werden.
Beim Laserdurchstrahlschweißen wird ein für die Wellenlänge der Laserstrahlung transparenter Werkstoff mit einem absorbierenden kombiniert. Der Laserstrahl wird durch das lasertransparente Formteil hindurch auf den absorbierenden Fügepartner gelenkt, wodurch dieser oberflächlich aufschmilzt. Über die Wärmeleitung wird das durchlässige Bauteil, das mit einer definierten Kraft angepresst wird, ebenfalls plastifiziert. Dadurch entsteht eine stoffschlüssige Verbindung.
Nachdem die alternativen Verfahren bewertet wurden, entschied man sich letztlich für das Laserschweißen. „Für das lasergestützte Fügen sprachen neben der kurzen Taktzeit die guten Möglichkeiten der Prozessüberwachung, die Zuverlässigkeit, die hohe Festigkeit der Schweißnähte und die Tatsache, dass keine Zusatzwerkstoffe erforderlich sind“, so Aldebert. Außerdem lasse sich das Verfahren ohne Komplikationen im Reinraum einsetzen.
Als Werkstoff wurde aufgrund der medizinischen und mechanischen Anforderungen an die Baugruppe für das Hauptelement und die untere Abdeckplatte ein Polycarbonat ausgewählt. Die obere Abdeckplatte ist ein 2K-Spritzguss aus PC und einem thermoplastischen Elastomer (TPE). Letzteres muss auf das Hauptelement aus PC geschweißt werden. Das Gehäuse wird zur Absorption der Laserstrahlung wahlweise mit einer schwarzen oder einer transparenten Einfärbung versehen. Die transparente Einfärbung ist mit einem speziellen Absorber für die eingesetzte Laserstrahlung ausgerüstet. Abdeckplatte und TPE der Baugruppe hingegen sind ungefärbt, um die Transmission der Laserstrahlung zu ermöglichen. Unter Berücksichtigung der funktionalen und herstellungsspezifischen Randbedingungen wurde die Konstruktion der Kassette entsprechend den Anforderungen des Verfahrens ausgelegt.
Für die Baugruppenfertigung wurde in Zusammenarbeit mit dem Bauteilhersteller ein geeignetes System ausgewählt. Kunststoffschweiß-Experte Aldebert: „Zum Einsatz kam eine scannerbasierte Laserstrahl-Kunststoffschweißanlage der LQ-Power-Serie, die alle Komponenten in einem funktionalen Gehäuse unterbringt und zudem im Reinraum eingesetzt werden kann.“ Der im Zentrum des Systems angeordnete Schweißkopf beinhaltet die Strahlführung und -formung, die Spanntechnik und alle erforderlichen Komponenten. Die Laserklasse 1 wird durch ein Kategorie-4-Sicherheitssystem der Schutzumhausung gewährleistet. Im rückwärtigen Gehäuseteil sind die Steuerung und die Peripheriegeräte des Lasers untergebracht. Aufgrund der Fertigungslogistik wurde zunächst eine Handbestückung der Schweißanlage realisiert. Um während des Schweißvorgangs die Anlage be- und entladen zu können, ist das System mit einem Zwei-Stationen-Rundschalttisch ausgestattet. Das Nachrüsten eines Handlingsystems für die vollautomatische Bestückung und Entnahme ist möglich, die erforderlichen Schnittstellen sind vorhanden. Das HMI (Human-Machine-Interface) erlaubt eine einfache und schnelle Bedienung im Produktionsalltag.
Frank Brunnecker, Leiter Geschäftsbereich Kunststoffschweißen der LPKF, Erlangen
Weitere Informationen www.laserquipment.de www.wilden.de

Ihr Stichwort
• Laserschweißverfahren
• Spritzgusstechnik
• Kunststoffschweißen • Miniaturlabor • DNA-/RNA-Analyse
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