Лазерный мир

Эффективные УФ и Тулиевые волоконные лазеры позволяют внедрять инновации в производство медицинского оборудования

Непрерывный прогресс в технологии волоконных лазеров и их интеграция c компактными системами доставки излучения находят широкое применение для маркировки и сварки полимеров для медицинских устройств. Производители медицинского оборудования учитывают необходимость применения лазерной маркировки и систем лазерной сварки при рассмотрении вопроса о внедрении лазерных процессов следующего поколения или при модернизации или замене существующих лазерных процессов на своих производственных объектах. Многие медицинские приборы производятся в чистых помещениях, где площадь пола относительно дорогая для сборки и обслуживания по сравнению с более традиционными производственными помещениями.

Производители медицинского оборудования все чаще оценивают и используют импульсные лазеры на основе ультрафиолетового (УФ) излучения, излучающие на длине волны 355 нм, для лазерной маркировки широкого спектра полимеров, и применяют волоконные лазеры  с непрерывным излучением (CW), 2 мкм, для получения сварки прозрачный полимер/прозрачный полимер  и определенных полимер/металл сварочных применений.

ЛАЗЕРНАЯ МАРКИРОВКА ПОЛИМЕРОВ

Обычная маркировка полимеров основывается на использовании инфракрасных (ИК) лазеров, будь то в ближней ИК (IR, область 1,0 мкм) или длинноволновой ИК (LWIR; область 10 мкм) области. Эти типы лазеров относительно дешевы и надежны, они включают в себя твердотельные волоконные лазеры  и лазеры диодной накачкой с 1,0 мкм, и лазеры с диоксидом углерода (CO2) 10 мкм.

Как правило, эти лазеры с помощью термохимического лазерного процесса производят темные или маркировки на полимерных материалах, процесс называется карбонизацией. Процессы лазерной маркировки при карбонизации часто генерируют значительное количество лазерной сажи и других загрязнений, которые требуют хорошо продуманного удаления лазерного  дыма для получения приемлемых маркировок. Последующая очистка часто дополнительно требуется для удаления частиц сажи, которые прилипают к поверхности.

CO2-лазеры часто также используются в различных процессах лазерной маркировки, называемых лазерным вспениванием, для образования рельефа в твердых пластмассах. Лазерный луч нагревает поверхность, генерируя пузырьки газа в нагретом материале вблизи поверхности, что приводит к появлению приподнятой и затвердевшей светлой маркировки с удовлетворительным контрастом по отношению к немаркированному окружающему материалу. Эти процессы термической лазерной маркировки широко применяются и в различных областях промышленности, включая электронику для бытовых приборов, автомобильные компоненты и упаковку.

В отличие от обычных процессов ИК-маркировки полимеров, УФ-лазерная маркировка полимеров представляет собой процесс фотохимической маркировки, который зависит от гораздо более высокой энергии фотонов этих лазеров по сравнению с обычными лазерами с ближней IR- или LWIR- маркировкой. Падающий сфокусированный ультрафиолетовый лазерный луч обычно поглощается в области очень близко  к поверхности глубины   и создает высококонтрастную маркировку в эффективном процессе холодной маркировки. Одним из преимуществ этого процесса холодной маркировки является визуально четкий характер и формирование рисунка с минимальным соседним изменением цвета или зонами термического влияния. Маркировка, как правило, является подповерхностной и может быть изготовлена без влияния на  финишную отделку деталей и / или косметического вида.

Разработка в конце 1990-х годов неодимовых лазеров с диодной накачкой с акусто-оптической модуляцией и утроенной частотой генерации, использующих кристаллы трибората лития (LBO) для генерации гармоник, привела к расширению применения УФ-маркировки полимерных материалов, вытеснив с этого рынка как эксимерные лазеры, так и ИК-лазеры.  УФ-лазеры продемонстрировали свою способность маркировать широкий спектр полимеров без использования добавок в пластмассе, включая поликарбонат (PC, ПК), акрилонитрил-бутадиен-стирол (ABS, АБС), силикон, полиэтилен высокой плотности (HDPE, ПЭВП) и полиэфирэфиркетон (PEEK, ПЭЭК).

УФ ЛАЗЕРНАЯ МАРКИРОВКА ПОЛИМЕРНЫХ МЕДИЦИНСКИХ УСТРОЙСТВ

Быстрое развитие технологии волоконных лазеров недавно позволило внедрить высоконадежные импульсные УФ волоконные лазеры с очень компактным форм-фактором и подходящей энергией в импульсе, доступную при высоких частотах следования импульсов (> 100 кГц) и коротких наносекундных импульсах для эффективной маркировки полимеров.

/1/ Хорошо известные преимущества импульсных волоконных лазеров, в том числе низкая стоимость владения и превосходная надежность, позволили вытеснить твердотельные лазеры с  модуляцией добротности и диодной накачкой во многих сегментах рынка. Эти преимущества в настоящее время способствуют быстрому внедрению ультрафиолетовых лазерных маркеров, в том числе при маркировке полимеров для рынка медицинского оборудования. Интеграция импульсных УФ-волоконных лазеров с мощными сканерами Galvo, оснащенными УФ F-тета линзами для создания простых в эксплуатации систем УФ-лазерной маркировки, предлагает производителям медицинского оборудования привлекательный, готовый к эксплуатации компактный производственный маркер, подходящий для их производственных помещений.В качестве примера этой отраслевой тенденции модуль маркировки УФ-лазером IPG Photonics (РИС. 1) имеет лазер, подключенный к оптической головке сканера. Размеры оптической головки сканера составляют 407 × 149 × 127 мм.

Стандартные конфигурации обеспечивают среднюю выходную мощность 3 Вт при частоте 300 кГц и 355 нм при ширине лазерного импульса 1,5 нс. Головка оптического сканера имеет чистую апертуру 12 мм и задержку задержку  <0,1 мс. При использовании сканирующего объектива с фокусным расстоянием 170 мм рабочее расстояние до заготовки составляет 216 мм при поле сканирования 105 × 105 мм и номинальном диаметре сфокусированного пятна 17 мкм (измерение  по уровню 1 / e2). Также доступны варианты объективов с шириной сканирования 110 и 250 мм.

РИСУНОК 1. Модуль ультрафиолетового лазерного маркера IPG Photonics имеет лазер, подключенный к оптической головке сканера.

На Рис.2 показано оптическое микроскопическое изображение (увеличение в 20 раз) двумерного штрих-кода, полученного с использованием модуля УФ-лазерной маркировки IPG Photonics для высококачественной маркировки ABS, используемого  при изготовлении медицинских изделий. УФ-маркировка дает светло-черную метку с использованием лазерного излучения 10 мкДж при частоте 200 кГц (2,0 Вт) и скорости маркировки 1000 мм / с. Очень похожее качество маркировки также может быть достигнуто на медицинских трубках ABS / PC с использованием аналогичных параметров лазерного процесса.

РИСУНОК 2. Показан пример УФ-лазерной маркировки ABS.

На Рис.3 показаны микроскопические изображения (с 20-кратным увеличением) очень темно-серых буквенно-цифровых и двумерных штрих-кодов, нанесенных на Lexan (термопластик из поликарбонатной смолы). Параметры процесса маркировки составляли 10 мкДж при 60 кГц (0,6 Вт) при скорости маркировки 250 мм / с.

РИСУНОК 3. На ультрафиолетовом волокне нанесена буквенно-цифровая маркировка (а) и двухмерный штрих-код (b) на Lexan.

ТУЛИЕВЫЙ ВОЛОКОННЫЙ ЛАЗЕР ДЛЯ  СВАРКИ ПОЛИМЕРОВ

Недавно было сообщено о преимуществах 2 мкм лазерной сварки тулиевым волокном комбинаций полимер-металл и полимер-полимер. /2-4/ Лазеры с иттербиевым волокном, излучающие длины волн 1064–1070 нм, уже использовались для сварки полимерных комбинаций прозрачного и темного цвета или там, где специальные добавки были включены для улучшения поглощения в одном или обоих полимерах для сварки.

Излучение волоконного лазера с длиной волны  2 мкм непосредственно поглощается многими полимерами, что позволяет эффективно сваривать прозрачный пластик/прозрачный пластик сочетания и другие сочетания цветов. Требования к зажимам при сборке под сварку ослаблены из-за более равномерного нагрева, достигаемого с обеих сторон сварного шва. Сварка излучением лазерас тулиевым волокном обычно проводится с помощью лазерного луча, подключенного к рабочей станции с гальво сканированием, с оптикой, рассчитанной на выходную мощность 2 мкм CW (обычно в диапазоне от 50 до 200 Вт). Ширина сварного шва обычно находится в диапазоне от 0,1 до 0,5 мм.

Важным новым приложением для сварки полимерных полимеров с тулиевым волокном является соединение медицинских устройств. Широкий спектр полимеров может быть успешно сварен с использованием лазерного излучения 2 мкм, включая HDPE, LDPE, полиэтилен, поликарбонат, циклический олефиновый сополимер (COC) и полиуретаны, такие как Tecothane. Они широко используются в микрофлюидных устройствах, катетерах, трубках общего назначения, больничных материалах и краткосрочных имплантатах.

Недавние испытания на сдвиг сваренных внахлестку образцов полимера продемонстрировали значения разрушающих нагрузок, сопоставимых с измеренной прочностью на сдвиг основного  несваренного материала (РИСУНОК 4).

РИСУНОК 4. Показано испытание на растяжение сварного шва из прозрачного сварного шва из Tecothane толщиной 0,02 дюйма.

Достижения в технологии волоконного лазера продолжают служить новым приложениям. В совокупности ультрафиолетовые импульсные волоконные лазеры и лазеры с тулиевым волокном 2 мкм расширяют применение волоконных лазеров при производстве полимерных медицинских изделий и стимулируют разработку новых применений и технологий доставки лучей в этом сегменте рынка.

БЛАГОДАРНОСТЬ

Lexan является зарегистрированным товарным знаком Sabic Global Technologies, а Tecothane является товарным знаком Lubrizol Advanced Materials.

Ссылки:

1. B. Baird, “Nanosecond and picosecond laser marking of medical devices,” International Medical Devices Conference and EXPO 2018 Processes for Device Manufacturing.
2. B. Baird, “Welding polymer tubing and welding polymer tubing directly to metals using fiber lasers,” Medical Tubing Conference 2017.
3. V. Kancharla, M. Mendes, M. Grupp, and B. Baird, “Recent advances in fiber laser welding,” Industrial Laser Solutions, 33, 3, 11–16 (May/June 2018).
4. L. Gomez, “Laser welding of medical device polymers,” International Medical Devices Conference and EXPO 2018 Processes for Device Manufacturing.

BRIAN BAIRD is senior applications engineering manager at IPG Photonics, Santa Clara, CA;

Источник: https://www.industrial-lasers.com/articles/print/volume-33/issue-4/features/fiber-laser-marking-and-welding-of-polymers-finds-new-applications.html