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Stimmt die Wellenlänge, hält die Verbindung

Mikrofluidik: Transparente Bauteile ohne Zusatzstoffe fügen
Stimmt die Wellenlänge, hält die Verbindung

Die Mikrofluidik erweitert die Möglichkeiten der Analytik – Stichwort: Lab on a Chip. LPKF Laser & Electronics stellt ein Lasersystem vor, das bei der Herstellung völlig neue Produktlayouts erlaubt.

Partikelfreie, sichere Prozesse sind für die Medizintechnik wichtig. Ein Tropfen Blut, einen Moment Zeit und schließlich ein eindeutiges Ergebnis: Viren oder Bakterien. Wird dieser Tropfen Blut mikrofluidisch untersucht, steht bereits nach wenigen Minuten das Untersuchungsergebnis fest.

Die Technik steckt dabei im Detail : Üblicherweise bestehen die funktionalen Bereiche einer Mikrofluidik aus planen Flächen. Das untere Bauteil erhält seine Kanäle durch Hot-Stamping, darauf wird die Scheibe zum Abschließen der Kanalstruktur aufgebracht. Die Kanäle von Mikrofluidiken sind so fein, dass die Gravitation gegenüber den Kapillarkräften vernachlässigt werden kann.
Für eine besonders präzise Verbindung von Kanalträger (Unterteil) und Abdeckung (Oberteil) hat sich das Laserschweißen etabliert. Es verbindet beide Bauteile miteinander, ohne dass Partikel, Schmelzeaustrieb oder Zusatzstoffe die empfindlichen Kanäle beeinträchtigen. Die Schweißkontur ist nur von den Layoutdaten abhängig, die der Steuerungssoftware zur Verfügung stehen.
Das Lasersystem LPKF Precision Weld des Herstellers aus Fürth ist in der Lage, Schweißnähte mit einer Stärke von lediglich 100 µm zu erzeugen. Die Positionier-Wiederholgenauigkeit beträgt 10 µm. Diese Präzision war bislang mit keinem Verfahren zu erreichen.
Des Weiteren verfügt das System nicht nur über einen Scanner zur Lenkung des Laserstrahls sondern auch über einen Positioniertisch. Das erweitert die effektive Arbeitsfläche auf bis auf 320 mm x 320 mm, die Bauteilmaße können sogar die des Laser-Scannfelds überragen. Ein integriertes Kamerasystem erkennt speziell aufgebrachte Fiducialmarken – diese sind im Bestückungsprozess notwendig, um die Leiterplatten während des Pastendrucks automatisch zur Schablone ausrichten zu können – oder geometrische Elemente des Bauteils. So können fast ansatzlose Übergänge zwischen Scannfeldern erzielt („Stitching“) sowie Toleranzen im Bauteil und in der Bauteilaufnahme kompensiert werden.
Mit dem Lasersystem Precision Weld lassen sich Fügepartner sowohl klassisch als auch nach dem neuen Clear-Joining-Verfahren fügen. Beim herkömmlichen Laser-Durchstrahlschweißen werden zwei Fügepartner mit unterschiedlichen Absorptionseigenschaften verbunden. Dabei durchdringt der Laserstrahl den lasertransparenten oberen Fügepartner. Beim Auftreffen auf das absorbierende untere Bauteil entsteht Wärme, es schmilzt lokal auf. Ein moderater Fügedruck überträgt die Wärme zum oberen Bauteil, eine sichere und präzise Schweißnaht entsteht.
Durch die Laserwellenlänge von 1940 nm kann das Lasersystem auch zwei transparente Bauteile direkt fügen – mit der neuen ClearJoining-Technologie. Bei dieser Wellenlänge weisen die meisten technischen Kunststoffe eine ausreichende Absorption auf, um bei hohen Energiedichten aufzuschmelzen. Der Laserstrahl wird exakt auf die Schweißebene fokussiert und bringt dort die erforderliche Energie ein – ohne Zusatzstoffe. Dieses Verfahren erleichtert die Zulassung medizinischer Baugruppen erheblich, weil keine zusätzlichen Stoffe in den Produktionsprozess eingeführt werden.
Eine automatische Fokuseinstellung erkennt die Oberfläche des Bauteils und bringt den Fokus automatisch in die optimale Lage. Das System ist besonders kompakt und benötigt nur einen Stromanschluss sowie Druckluft. Es passt auf Rollen durch jede Labortür. Das Einsatzgebiet ist primär die Prototypen- oder Kleinserienfertigung, für den großindustriellen Einsatz lässt sich die Maschine aber auch automatisch bestücken. Durch die Flexibilität des Laserprozesses lassen sich auch kleine Stückzahlen kostengünstig produzieren, und für plane Standardformate sind keine weiteren Spannwerkzeuge erforderlich. Von innovativer Lasertechnik profitieren alle – Hersteller und Patienten.
Marika Nitscher LPKF, Fürth
Weitere Informationen Zum Hersteller des Lasersystems: www.lpkf-laserwelding.com Auf der Medtec Europe: Halle 5, Stand D41

Über das Verfahren

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Das Laser-Kunststoffschweißen erzeugt präzise, hygienische und sichere Verbindungen in der Mikrofluidik. Es verbindet Bauteile miteinander, ohne dass Partikel, Schmelzeaustrieb oder Zusatzstoffe die empfindlichen Kanäle beeinträchtigen. Dabei durchdringt der Laserstrahl das obere, lasertransparente Bauteil und schmilzt erst den unteren Fügepartner. Durch Wärmeübertragung schmilzt auch das Oberteil im Bereich der Schweißnaht. Nach der Abkühlung sind beide Bauteile sicher miteinander verbunden – das stellen verschiedene Verfahren zur Qualitätskontrolle noch im Schweißprozess sicher. Die LPKF Precision Weld erzeugt Schweißnähte mit einer Stärke von lediglich 100 µm bei einer Positioniergenauigkeit von 10 µm. Durch die neue ClearJoining-Technologie lassen sich transparente Bauteile direkt fügen. Ein 2 µm-Laserstrahl fokussiert präzise auf die Schweißebene. Eine neu entwickelte Spanntechnik und ein Kamerasystem mit Fiducialerkennung sorgen für eine schnelle und sichere Produktion.

Ihr Stichwort
  • Laserschweißen ohne Zusatzstoffe
  • Mikrofluidik in der Analytik
  • Sichere Lab-on-a-Chip-Anwendung
  • Clear-Joining-Verfahren für transparente Bauteile
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