Le soudage au laser utilise la chaleur fournie par un laser de 980 nm généré par des diodes.  Cette lumière est concentrée à travers des faisceaux de fibres optiques connectés à l'outillage de soudage, puis précisément dirigée à travers des guides d'ondes (vu en vue circulaire) le long de la zone de soudure de la pièce en fonction de la densité de chauffage requise.

Un nouveau type de soudage ajoute des capacités au soudage laser en plastique pour les dispositifs médicaux

Le soudage plastique au laser est devenu de plus en plus populaire pour les applications médicales car il rejoint de manière fiable une large gamme de matériaux, y compris des matériaux dissemblables. Dans le même temps, le processus n’utilise aucune énergie de vibration, il est donc suffisamment doux pour coller des pièces en plastique avec des parois minces, des formes géométriquement complexes et des composants électroniques ou des capteurs intégrés. En même temps, il peut fournir une finition de classe A. Le soudage au laser est idéal pour la fabrication de produits médicaux qui nécessitent des voies de fluide étroites et sans particules. Ainsi, il est souvent utilisé pour fabriquer des dispositifs d’administration de médicaments, des dispositifs de diagnostic in vitro (IVD), des glucomètres, des pompes à insuline et des applications similaires.

La technologie de soudage laser IR à transmission simultanée (STTIr), développée par Emerson, offre aux ingénieurs de nouvelles capacités pour le soudage de pièces en plastique. C’est en partie parce qu’il utilise une série de diodes émettrices laser pour chauffer toute la surface de soudure à la fois. Cela garantit un chauffage précis et réduit la force de serrage nécessaire pour presser les pièces ensemble pendant que la soudure est réalisée, puis refroidit.

Traditionnellement, lors du soudage de deux pièces en plastique ensemble, une pièce devait être «transparente» ou «transmissive», ce qui laisserait passer le laser sans provoquer de réchauffement; l’autre partie devait alors être «sombre» ou «absorbante» pour être chauffée par le laser. Ceci assurait que l’énergie laser appliquée chaufferait sélectivement la zone de soudure de la partie absorbante. Là, la chaleur adoucit les bords d’accouplement des deux pièces, les laissant être réunis sous la force de compression dans un assemblage soudé propre et sans particules.

Le soudage au laser utilise la chaleur fournie par un laser de 980 nm généré par des diodes. Cette lumière est concentrée à travers des faisceaux de fibres optiques connectés à l’outillage de soudage, puis précisément dirigée à travers des guides d’ondes (vu en vue circulaire) le long de la zone de soudure de la pièce en fonction de la densité de chauffage requise.Emerson

Le soudage STTIr, combiné au dépôt par pulvérisation ultrasonique précis développé par Sono-Tek, permet de souder deux pièces en plastique optiquement transparentes constituées d’une large gamme de polymères. Cela ouvre de nouvelles possibilités de conception pour ceux qui conçoivent et fabriquent des dispositifs médicaux, des systèmes d’administration de médicaments et des produits de test in vitro.

Ce nouveau procédé laser «clair sur clair» surmonte la limitation traditionnelle des pièces transmissives / absorbantes en traitant l’une des deux pièces d’accouplement «claires» avec un absorbeur laser biocompatible avant le soudage au laser. L’absorbeur est constitué de microparticules de colorant pigmentaire ou de noir de carbone en suspension dans un fluide porteur tel que l’alcool isopropylique ou l’acétone.

L’absorbeur peut être ajouté à la résine sous la forme d’un masterbatch avant le moulage, appliqué sur des pièces moulées par tampographie ou, pour une précision maximale, appliqué sur des pièces individuelles par dépôt par pulvérisation par ultrasons.

Le dépôt par pulvérisation repose sur un atomiseur à ultrasons qui dépose précisément le colorant absorbant le laser sur l’une des pièces d’accouplement, créant un motif de pulvérisation aussi fin que 0,5 mm.

Lorsqu’il est déposé en utilisant la fréquence ultrasonore et le motif de pulvérisation appropriés, le fluide porteur s’éclaire essentiellement, laissant un motif précis de particules absorbant le laser, d’une taille d’un micron ou moins, sur la surface du thermoplastique. Pendant le soudage, l’énergie laser est absorbée par ces particules et les consomme, libérant de la chaleur qui se déplace à travers la zone de soudure des pièces d’accouplement, qui deviennent ensuite liées ensemble sous la force de compression.

Les cibles typiques incluent la surface intérieure des joints à languette et rainure et les surfaces intérieures d’un joint en «double V» sur l’une des pièces d’accouplement. Le dépôt précis de l’absorbeur dans des joints fermés comme ceux-ci concentre la chaleur générée par laser nécessaire pour créer la fusion de pièce à pièce et crée un «flash trap» qui contient la zone traitée de la fonte, l’isolant de tout trajet d’écoulement microfluidique à proximité dans le assemblage fini.

Ces joints laser à languette et rainure montrent l'absorbeur laser biocompatible et la zone de confinement du flash.Ces joints laser à languette et rainure montrent l’absorbeur laser biocompatible et la zone de confinement du flash.Emerson

Cette nouvelle méthode de soudage laser plastique produit de manière fiable des trajets de fluides complexes tout en conservant des rapports d’aspect supérieurs dans le pas de trajet d’écoulement submillimétrique. Une telle précision est essentielle pour les pièces microfluidiques, qui doivent être liées de manière fiable, tout en conservant des dimensions constantes le long de trajets d’écoulement extrêmement petits.

Deux pièces d'accouplement transparentes peuvent être attachées l'une à l'autre à l'aide du soudage STTIr sans détruire ni bloquer les petites voies de fluide minces.Deux pièces d’accouplement transparentes peuvent être attachées l’une à l’autre à l’aide du soudage STTIr sans détruire ni bloquer les petites voies de fluide minces.Emerson

Cette nouvelle capacité de soudage laser clair sur clair repose sur des équipements ajoutés au procédé STTIr (c.-à-d. L’absorbeur laser biocompatible et l’équipement de dépôt par pulvérisation par ultrasons) et peut être «boulonnée» à de nombreuses applications de soudage laser existantes. Il fournit des temps de cycle mesurés en secondes, ce qui rend le soudage laser à l’échelle industrielle de pièces microfluidiques transparentes de qualité médicale économiquement viable pour la première fois. Et, étant donné que le dépôt par pulvérisation peut être adapté pour revêtir plusieurs pièces à la fois, les processus de dépôt par pulvérisation et de soudage peuvent être encore étendus pour accélérer les cadences de production.

Le nouveau procédé rejoint également une gamme bien plus large de thermoplastiques transparents, indépendamment de la chimie. Étant donné que le colorant pigmentaire absorbant le laser génère et conduit efficacement la chaleur et la fusion, il peut compenser de grandes différences dans les températures de transition vitreuse (Tg) de différents polymères utilisés dans les pièces d’accouplement.

Un exemple typique du procédé est son utilisation sur deux «coupons» en plastique transparent ou des pièces moulées par injection qui s’accouplent pour former un chemin d’écoulement en serpentin comme celles que l’on trouve dans une multitude de dispositifs médicaux. Les coupons deviendront la moitié «absorbante» de chaque assemblage, ils sont donc placés dans l’équipement de dépôt par pulvérisation pour un revêtement de l’absorbeur laser.

La soudeuse laser Branson GLX Micro d'Emerson est la plus petite des cinq unités de la série GLX.  L'unité de soudage (à gauche) comprend un écran tactile couleur, une table élévatrice de 150 × 150 mm et des forces de serrage jusqu'à 0,05 kN.  Celles-ci en font un excellent choix pour le soudage de pièces microfluidiques destinées à des applications médicales.  L'unité de droite contient la source laser et l'alimentation.La soudeuse laser Branson GLX Micro d’Emerson est la plus petite des cinq unités de la série GLX. L’unité de soudage (à gauche) comprend un écran tactile couleur, une table élévatrice de 150 × 150 mm et des forces de serrage jusqu’à 0,05 kN. Celles-ci en font un excellent choix pour le soudage de pièces microfluidiques destinées à des applications médicales. L’unité de droite contient la source laser et l’alimentation.Emerson

À partir de là, les pièces sont transférées vers la soudeuse au laser (voir photo ci-dessus), ce qui en fait une pièce soudée au laser transparent sur clair. Pour les dispositifs médicaux ou IVD qui exigent des voies d’écoulement optiquement claires, la technologie est inestimable. Il simplifie tout, de l’automatisation du comptage des cellules sanguines dans les chemins de fluide de la taille d’un capillaire à la validation visuelle aux techniciens qu’une microdose d’une thérapie puissante est correctement administrée à un patient.


Les avantages du soudage laser

Le soudage au laser offre une gamme d’avantages importants pour les opérations d’assemblage de produits, notamment:

Esthétique supérieure. Les fabricants utilisent de plus en plus les soudures au laser pour leur esthétique car elles sont précises et sans flash. Les lignes de soudure sont pratiquement invisibles.

Plus grande liberté de conception de pièces. Les méthodes traditionnelles de soudage plastique nécessitent souvent des pièces planes, mais les guides d’ondes émettant un laser peuvent se conformer précisément à la géométrie complexe des pièces, permettant aux lasers de souder des conceptions de pièces qui maximisent l’esthétique ou les performances fonctionnelles. Le soudage au laser permet également aux concepteurs d’utiliser plusieurs compartiments réfléchissants ou d’intégrer des composants électroniques, des capteurs ou des éclairages sophistiqués, tels que des diodes électroluminescentes organiques (OLED), ce qui se traduit par des conceptions plus frappantes et différenciantes.

Excellente qualité de soudure. Les soudures au laser ne nécessitent aucun frottement, vibration ou mouvement. Les guides d’ondes à émission laser peuvent se conformer précisément à des pièces même complexes pour assurer une fusion rapide et uniforme à travers l’interface de soudure. Le laisse un joint de soudure uniforme et toujours solide avec une profondeur précise de fusion-effondrement et un alignement parfait des pièces.

Faible contrainte mécanique. Le lLes soudeurs laser atest peuvent gérer des forces de serrage ultra-faibles, permettant d’assembler des pièces délicates et plus grandes sans introduire de contraintes mécaniques. Cela élimine le besoin de recuire les pièces et de leur faire subir une réduction des contraintes du matériau.

Ultra-propreté. Le soudage au laser ne produit ni flash ni particules. Il s’agit d’un processus compatible avec les salles blanches qui convient également à tous les ateliers de production.

Grande polyvalence. La technologie de soudage au laser peut coller une large gamme de matériaux polymères, notamment PC, PA, PS, ABS, élastomères (TPU, TPE), PP HDPE, LDPE, PETG, PBT, PPS, PMMA, PEEK, COC, etc.

Priyank Kishor est chef de produit mondial pour le soudage au laser Branson et d’autres produits non ultrasoniques chez Emerson.

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