DE102012109967A1

DE102012109967A1 - Verfahren zur Herstellung eines Spritzenkörper-Kanülen-Verbundes, sowie verfahrensgemäß hergestellter Spritzenkörper mit integrierter Kanüle

Info

Publication number: DE102012109967A1
Application number: DE102012109967.7A
Authority: DE
Inventors: Georg Haselhorst; Thomas Risch
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2012-10-18
Filing date: 2012-10-18
Publication date: 2014-03-06

Abstract

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, einen Spritzenkörper-Kanülen-Verbund bereitzustellen, bei welchem die Kanüle und der Spritzenkörper ohne Verwendung eines Klebers auch bei Vorhandensein eines Spaltes zwischen der Kanüle und der innenseitigen Glasfläche des Spritzenkonus verbunden ist. Erfindungsgemäß erfolgt dazu eine Verschweißung mit ultrakurzen Laserpulsen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Spritzenkörper-Kanülen-Verbund und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Spritzenkörper-Kanülen-Verbundes, welches auf die Verwendung von Kleber zur Verbindung von Spritzenkörper und Kanüle verzichtet.
Bei medizinischen Spritzen, die mit dem zu applizierenden Medikament befüllt ausgeliefert werden, ist die Kanüle häufig bereits integriert oder auf den Luer-Konus des Spritzenkörpers aufgesetzt.
Die Integration der aus einem Metall bestehenden Kanüle erfolgt dabei in der Weise, dass diese zunächst in die vorgesehene Position im Spritzenkörper aus Glas eingebracht und flüssiger organischer Kleber bei Raumtemperatur zwischen die Kanüle und den Spritzenkörper gegeben wird. Zum Fixieren der Kanüle wird der Kleber anschließend unter ultraviolettem Licht ausgehärtet. Während der Lagerung des vorgefüllten Spritzenkörper-Kanülen-Verbundes, steht das Medikament ständig mit dem organischen Kleber in Kontakt. Dies kann zu einer unerwünschten Eindiffusion von Kleberbestandteilen in das Medikament oder zu chemischen Reaktionen im Medikament führen. Derartige Risiken sind erhöht, wenn der Kleber unter dem ultravioletten Licht nicht ausreichend ausgehärtet ist oder der Kleber in die Kanüle gelangt und dort nicht mit ultraviolettem Licht bestrahlt wird.
Aus der US 3 364 002 A ist ein Verfahren bekannt, bei welchem die Kanüle ohne Verwendung eines Klebers in den Spritzenkörper integriert wird. Hierzu wird ein metallisches Kopfstück, in das die Kanüle eingesetzt werden kann, in dem rohrförmigen Spritzenkörper aus Glas positioniert. Anschließend wird der Spritzenkörper solange erhitzt, bis sich am Spritzenkörper eine Wulst bildet, die sich in die auf der Oberfläche des Kopfstückes befindliche Nut derart einpasst, dass zwischen der Nut und der Wulst lediglich ein kleiner Spalt verbleibt. Aufgrund des im Vergleich zu Glas höheren Ausdehnungskoeffizienten des Metallstückes entsteht beim Abkühlen des Spritzenkörpers und des Kopfstückes eine dichte Pressverbindung zwischen der Nut und der Wulst. Nachteil dieses Verfahrens ist, dass das metallische Kopfstück beim Erhitzen des Spritzenkörpers sehr stark erhitzt wird. Dies kann zu einer Schädigung des Kopfstückes auf Grund von Hochtemperaturkorrosion führen.
Die EP 2 075 082 A1 beschreibt weiterhin, mittels ultrakurzen Laserpulsen Materialien aus Glas mit anderen Materialien, wie Gläser, Halbleiter oder Metalle zu verbinden. Es werden spaltfrei aufeinanderliegende Flachsubstrate durch Verschmelzen der Materialien der Platten verbunden.
Es ist also bekannt, dass mit Hilfe von ultrakurzen Laserpulsen (im Bereich Femtosekunden bis Pikosekunden) bei bevorzugt hoher Pulsrepitionsrate an der Grenzfläche von Glas über die Ausbildung von Plasmen eine lokal sehr begrenzte kurzfristige Erwärmung erfolgen kann, die ein Fügen auch von Werkstoffpaarungen, beispielsweise im Bereich der Fertigung von elektronischen Bauteilen auf Waferbasis erlauben. Allerdings wird ein vorher spaltfreies Positionieren der beiden Fügepartner postuliert. Dies soll für die Sicherstellung einer bezüglich Dichtigkeit und mechanischer Festigkeit optimalen Fügezone erforderlich sein. Dieses spaltfreie Fügen ist in der Regel nur durch einen hohen Aufwand der Politur beider Partner sowie eines aufwändigen Ansprengverfahrens möglich und damit primär auch nur für flache Substrate geeignet. Entsprechende Fügeprozesse für rotationssymmetrische Körper sind dabei nicht bekannt.
Bei Spritzenkörpern aus Glas unterliegen die innenseitigen Maße des Konus jedoch typischerweise gewissen Schwankungen. Daher liegt nach dem Einsetzen der Kanüle vielfach ein Spalt zwischen dem Außendurchmesser der Kanüle und dem Durchmessers des Konuskanals vor.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, einen Spritzenkörper-Kanülen-Verbund bereitzustellen, bei welchem die Kanüle und der Spritzenkörper ohne Verwendung eines Klebers auch bei Vorhandensein eines Spaltes zwischen der Kanüle und der Glasfläche des Konuskanals verbunden ist. Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen angegeben. Erfindungsgemäß erfolgt eine Verschweißung von Kanüle und Glaskonus mit ultrakurzen Laserpulsen.
Im Speziellen sieht die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Spritzenkörper-Kanülen-Verbundes vor, bei welchem eine metallische Kanüle mit einem Glas-Spritzenkörper verbunden ist. Das Verfahren umfasst folgende Schritte:

– Einsetzen einer metallischen Kanüle in den Konuskanal des Glasspritzenkörpers,
– Fokussieren von ultrakurzen Laserpulsen mit Fokusdurchmesser weniger µm im Volumen des Spritzenkörpers nahe der Kontaktfläche zur Kanüle,
– Erzeugen einer Plasmazone im Glas, welches nach Abkühlung eine Dichteänderung des Glases im Bereich des Fokus des Laserstrahls und eine Expansion des Glases unter Viskositätssenkung bewirkt, so dass das Glas unter Überbrückung eines Spaltes zwischen der Außenseite der Kanüle und der Wandung des Konuskanals expandiert und sich mit dem Metall der Kanüle verbindet, wobei der Fokus des gepulsten Laserstrahls relativ zum Konus bewegt wird, so dass sich entlang des Pfades des Laserstrahls durch die Expansion des Glases und der Verbindung mit dem Metall der Kanüle eine Schweißnaht ausbildet.

Ein entsprechend mit dem Verfahren herstellbarer Spritzenkörper-Kanülen-Verbund umfasst einen zylindrischen Glas-Spritzenkörper, der an einem Ende von einem Konus abgeschlossen wird, wobei in den Konuskanal eine metallische Kanüle eingesetzt und mit dem Glas des Spritzenkörpers verbunden ist, wobei die Verbindung von Kanüle und Glas durch zumindest eine mit dem Glas des Spritzenkörpers gebildete Schweißnaht erfolgt, welche zumindest abschnittsweise einen Spalt zwischen der Außenseite der Kanüle und der Innenwandung des Konus überbrückt. Dabei ist die Dichte im Glas im Bereich der Schweißnaht gegenüber von der Schweißnaht entfernten Bereichen geändert, insbesondere niedriger. Insbesondere kann sich dabei beim Schweißen Fokuspunkt des Laserstrahls ausgehend in das Glas des Spritzenkonus hineinragend eine Zone erniedrigter Dichte ausbilden.
Der Spalt ist nicht notwendig immer vorhanden. Es ist auch möglich, die Kanüle im Konuskanal zu fixieren, wenn die Oberflächen der beiden Teile im Bereich der Schweißnaht direkt aneinander liegen. Wird die Kanüle in den Konuskanal eingesetzt, so ergeben sich naturgemäß Bereiche, in denen die beiden Teile in Anlage kommen. Verläuft die Schweißnaht entlang eines solchen Bereichs, so ist selbstverständlich kein Spalt vorhanden. Jedenfalls ist das erfindungsgemäße Verfahren aber unkritisch in Bezug auf Toleranzen, so dass zumindest bei einem Teil der hergestellten Spritzenkörper mit integrierter Kanüle ein Spalt durch die Schweißnaht überbrückt wird.
Es wurde mit der Erfindung ein Verfahren gefunden, das das Verbinden der Nadel mit der Glasspritze unter Verwendung der konventionellen Werkstoffkombination von Glaskörper und metallischer Kanüle erlaubt. Ein solches direktes Bonden ist mit den konventionellen Technologien nicht ohne ein großes Risiko der Entstehung von Rissen in Folge hoher Spannungen im Glas (und damit unerwünschter Undichtigkeit des Spritzenkörpers) möglich. Diese Ausbildung von Spannungen beim konventionellen Anglasen durch großvolumige Erwärmung über den Erweichungspunkt des Glases bei gleichzeitiger Überschreitung der Klebetemperatur des Metalles ist dem Umstand geschuldet, dass die beiden eingesetzten Werkstoffe oft einen erheblichen Unterschied im thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen. So weist ein für Spritzenkörper verwendetes Borosilikatglas einen Ausdehnungskoeffizienten von ca. 4,9·10^–6K^–1, der Stahl einer geeigneten Kanüle demgegenüber einen Ausdehnungskoeffizienten von 16·10^–6K^–1 auf. Bei Abkühlung des im gegebenen Kontext die metallische Kapillare umgebenden Glaskörpers bis in den Transformationsbereich des Glases können die aus unterschiedlicher Kontraktion resultierenden primär radialen und tangentialen Zugspannungen im Glas noch durch kurzfristige Relaxation abgefangen werden (viskoses Fließen des Glases), bei Durchschreiten und Unterschreiten des Transformationsbereiches des Glases erfolgt dieser Spannungsabbau jedoch nicht mehr ausreichend schnell oder gar nicht mehr, so dass die verbleibenden Zugspannungen selbst an Mikrodefekten im Bereich der Fügezone Glas-Metal zur Ausbildung von Rissen führen.
Das Fügen von Spritzenkanülen mit dem Glaskörper des Packmittels mitteis ultrakurzer Laserpulse erlaubt demgegenüber eine klebstofffreie Fertigung von Staked-Needle-Glasspritzen, ohne dabei weder neue potentiell für den Pharmawirkstoff unverträgliche Elemente oder Verbindungen auf der Oberfläche oder im Volumen von Kanüle und Spritzenkörper noch bisherige Inhaltsstoffe von Glas und Metall in geänderten Konzentrationen erforderlich zu machen. Alle eingesetzten Halbzeuge für die Herstellung der Spritze können also im unveränderten und damit pharmakologisch unbedenklichen Zustand belassen werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren erweist sich aufgrund der durch die ultrakurzen Laserpulse nur sehr kurzzeitig und sehr lokal (im µm-Bereich) eingebrachten Leistung und der damit nach dem Einstrahlen verbundenen sehr schnellen Abkühlung auch hinsichtlich der Temperaturausdehnung der beteiligten Materialien als unkritisch. So können Metalle der Kanüle und Gläser des Spritzenkörpers, die zueinander sehr unterschiedliche Temperaturausdehnungskoeffizienten aufweisen, ohne weiteres miteinander haltbar verschweißt werden. So kann die Differenz der linearen Temperaturausdehnungskoeffizienten des Glases und des Metalls der Kanüle einen Wert von mindestens 5·10^–6K^–1, sogar gegebenenfalls von mehr als 7·10^–6K^–1 aufweisen.
Borosilikatglas wird als Werkstoff für den Spritzenkörper besonders bevorzugt. Dieses Glas weist eine hohe chemische Beständigkeit gegenüber Wasser, wässrigen Lösungen und pharmazeutischen Produkten auf. Aus entsprechenden Gründen ist auch Edelstahl als Material für die Kanüle besonders geeignet. Allerdings weisen diese beiden Materialien sehr unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten auf. Typische Werte des Ausdehnungskoeffizienten für Borosilikatglas liegen bei 4,5·10^–6K^–1 bis 5,5·10^–6K^–1. Edelstahl weist demgegenüber einen wesentlich höheren Ausdehnungskoeffizienten von typisch etwa 12·10^–6K^–1 bis 17·10^–6K^–1 auf. Auch ein solcher Unterschied der Ausdehnungskoeffizienten erweist sich aber als nicht kritisch, um die Kanüle mit dem Spritzenkörper erfindungsgemäß zu verschweißen.
Der Laserstrahl zum Verschweißen von Kanüle und Spritzenkörper weist vorzugsweise zumindest eine der folgenden Eigenschaften auf:

– die Laserpulse des Laserstrahls haben eine Dauer von höchstens 100 Picosekunden,
– die Wellenlänge des Laserstrahls liegt im Bereich von 250 Nanometer bis 1200 Nanometer,
– die Laserpulse haben eine Repititionsrate zwischen 500 kHz und 20 MHz, vorzugsweise im Bereich von 4 MHz bis 8 MHz,
– der Laserstrahl hat eine mittlere Leistung im Bereich von 0,5 bis 8 Watt, vorzugsweise zwischen 1 Watt und 6 Watt.

Der oben angegebene Wellenlängenbereich ist günstig, da Glas in diesem Bereich typischerweise hinreichend transparent ist, so dass die Laserstrahlung das Glas bis zum Erreichen des Fokuspunkts durchdringen kann. Kurze Pulslängen im Bereich von 100 fs bis 200 ps, bevorzugt < 20ps sind günstig, um bei gegebener mittlerer Leistung des Lasers entsprechend hohe Pulsleistungen zu erhalten und andererseits auch extrem kurze Aufheiz- und Abkühlzeiten zu erzielen. Die oben angegebenen Repetitionsraten und mittleren Leistungen schließlich sind von Vorteil, um den Schweißvorgang schnell durchführen und abschließen zu können. Die Repetitionsraten sind zwar von Vorteil, können aber selbstverständlich auch niedriger sein.
Gemäß einer ersten Variante der Erfindung wird der Fokus des Laserstrahls in Umfangsrichtung der Innenwandung des Konus relativ zum Spritzenkörper so bewegt, dass sich eine ringförmige, die Kanüle umgebende Schweißnaht ausbildet. Diese Variante ist besonders günstig, um einen hermetischen Abschluss zwischen der Außenwandung der Kanüle und der Innenwandung des Konus zu erzielen.
Gemäß einer zweiten Variante wird der Fokus des Laserstrahls relativ zum Spritzenkörper in axialer Richtung entlang der Kanüle bewegt, so dass eine sich entlang der axialen Richtung der Kanüle erstreckende Schweißnaht, also mit anderen Worten eine längs der Kanüle verlaufende Schweißnaht ausbildet.
Diese beiden Varianten können auch miteinander kombiniert werden, indem beide vorgenannten Arten von Schweißnahten an einem Spritzenkonus eingefügt werden. Auch sind andere Formen, wie etwa schraubenförmig verlaufende Schweißnahten möglich.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und den beigeschlossenen Figuren näher erläutert. Dabei verweisen gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder entsprechende Elemente.
Es zeigen:
1 einen Spritzenkörper mit eingesetzter Kanüle,
2 eine Anordnung zum Laserverschweißen von Kanüle und Spritzenkörper,
3 eine Ausführungsform mit tangential zur Kanülenoberfläche eingestrahltem Laserstrahl,
4 eine Variante der in 3 gezeigten Ausführungsform mit Immersionsmedium zwischen Konus und Objektiv,
5 eine fotografische Aufnahme eines Spritzenkonus mit eingebetteter Kanüle,
Mit der Erfindung wird ein Verfahren bereitgestellt, welches das Verbinden der Nadel mit der Glasspritze unter Verwendung der konventionellen Werkstoffkombination von Glaskörper und Kanüle erlaubt. Es sind keinerlei Konzentrationsänderungen der konventioneli enthaltenden Bestandteile in Metall oder Glas, noch Zusätze in Kanüle, Glas bzw. in einem eventuellen Spalt zwischen beiden Komponenten erforderlich.
Durch den Einsatz von Lasertechnik mit besonders kurzen Pulsen (im Bereich Femtosekunden bis Pikosekunden) und entsprechender hoher Repitionsrate kann diese Technologie, die ursprünglich primär im Bereich der Materialbearbeitung für 'kalte' Ablation appliziert wurde (Bearbeitung ohne / mit sehr geringer Wärmeeinflußzone), dahingehend modifiziert werden, dass für extrem kurze Zeiträume und auf Mikrometer begrenzt ein thermisch initialisiertes Fügen von Glas und Metall auch und gerade bei gegebenem großem Unterschied der thermischen Ausdehnungskoeffizienten möglich wird.
Da dabei die Kanüle trotz der sehr geringen Masse quasi auf Raumtemperatur bleibt und entsprechend keine Abkühlung mit daraus resultierendem, zum umgebenden Glas stärkeren Schrumpf stattfindet, kann eine Fügezone ohne kritische Glasspannungen erzeugt werden. Das Fügen der beiden Materialpartner erfolgt auf dem Wege der Fokussierung der Laserstrahlung im Volumen Glaswandung nahe zur Kanülenoberfläche.
Laserstrahlung mit Wellenlänge im Bereich von 300nm bis ca. 1100nm mit einer Pulsdauer von 100fs bis ca. 200 Pikosekunden wird bei günstiger Weise extrem hoher Repetitionsrate (8 MHz) und mittlerer Leistung von ca. 1–6 Watt in die Fügezone eingebracht. Durch translatorischen und/oder rotatorischen Vorschub der Laserstrahlung gegenüber dem vorgefügten Werkstück (oder umgekehrt) können dann kleinste Schweißnähte in der Größenordnung von 50–100 µm Breite generiert werden.
Das Verfahren erlaubt dabei Spalte zwischen Kanüle und dem umgebenden Glas von bis zu ca. 30 µm, da durch die extrem schnelle Erwärmung der betroffenen Zone aufgrund Multiphotonenabsorption und nachfolgender Avalancheionisation ein Plasma erzeugt wird, das bei Ausbleiben der Lasereinstrahlung eine schlagartige Rückführung in die feste Phase und gleichzeitige extreme Abkühlung erfährt, was wiederum zu einer erheblichen Dichteänderung im Glas führt. Aus dieser Dichteänderung wiederum resultiert eine lokale Expansion des Glases in Richtung der Kanülenwand (verbunden mit einer Anglasung des Metalles), die auch bei der anschließenden schlagartigen Abkühlung erhalten bleibt.
1 zeigt schematisch im Querschnitt einen Spritzenkörper mit eingesetzter Kanüle, also den Spritzenkörper-Kanülen-Verbund 1 im vorgefügten Zustand. Der Spritzenkörper 3 aus Glas 7 weist einen Zylinder 29 zur Aufnahme und Führung des Kolbens der Spritze auf, welcher in einer Kolbenöffnung 31 endet. Am der Kolbenöffnung 31 gegenüberliegenden Ende 30 des Spritzenkörpers 3 ist ein Konus mit zylindrischem Kanal ausgeformt.
In den Konuskanal 5 ist eine Kanüle 2 aus Metall 21 eingesetzt, die später mittels des erfindungsgemäßen Schweißverfahrens fest mit dem Konus 5 verbunden wird. Die Kanüle 2 wird dabei vorzugsweise, ohne Beschränkung auf das spezielle dargestellte Ausführungsbeispiel im Konuskanal durch eine Presspassung fixiert. Dies sichert unter anderem, dass sich die Kanüle 2 während der Laserbearbeitung nicht bewegen kann. Die Presspassung führt typischerweise aber nicht zu einer vollflächigen spaltfreien Anlage der Außenseite 20 der Kanüle 2 an die Innenseite 50 des Konus 5. Vielmehr ist im Allgemeinen zumindest abschnittsweise zwischen der Außenseite 20 der Kanüle 2 und der Innenwandung 50 des Konus 5 ein Spalt 13 vorhanden. Weisen die Innenwandung 50 des Konus 5 und die Außenseite 20 der Kanüle leichte Formabweichungen (z.B. Unrundheit) auf, so ergibt sich ein lokaler Spalt. 2 zeigt schematisch die Anordnung zum Erzeugen einer Schweißnaht, mit welcher die Kanüle 2 an die Innenwandung 50 des Konus 5 verbunden wird. Mit einem Laser 8 wird ein gepulster Laserstrahl 9 erzeugt und mittels eines Objektivs 90 fokussiert, wobei die Anordnung so eingestellt wird, dass der Fokus 10 im Glas 7 des Konus 5 nahe an deren Innenwandung 50 liegt.
Die Verbindung von Kanüle Konus erfolgt nun dadurch, dass das Glas durch eine lokal sehr eng begrenzte Viskositätssenkung sowie aus der Einwirkung durch die ultrakurzen Pulse des Lasers 8 folgernde Dichteänderung an die Spritzenkanüle 2 angelegt und mit dieser stofflich verbunden wird, ohne dabei eine signifikante und im Sinne einer kritischen Spannungsausbildung unerwünschten Erwärmung des umliegenden Glas- und Metallvolumens zu verursachen. Auf diesem Wege ist trotz gegebenem oft großem Mismatch der thermischen Ausdehnungskoeffizienten ein hermetisches Fügen dieser beiden Werkstoffe möglich.
Da dabei die Kanüle 1 trotz der sehr geringen Masse quasi auf Raumtemperatur bleibt und entsprechend keine großvolumige Abkühlung stattfindet, die zum umgebenden Glas stärkeren Schrumpf führt, kann eine Fügezone deutlich unter dem kritischen Glasspannungsniveau erzeugt werden. Das Fügen der beiden Materialpartner erfolgt auf dem Wege der Fokussierung des Laserstrahls 9 bevorzugt im der Kanüle 2 benachbarten Glasvolumen des Spritzenkörpers 3.
Fokussierte Laserstrahlung, für die das eingesetzte Glas eine ausreichende Transparenz aufzeigt, dies sind in der Regel Wellenlängen im Bereich von ca. 300nm bis ca. 1100 nm, wird mit einer Pulsdauer bevorzugt von ca. 100fs bis ca. 20 Pikosekunden sowie bevorzugt hoher Repetitionsrate (4–8 MHz) und mittlerer Leistung von ca. 1–6 Watt in die Fügezone eingebracht. Dabei kommt es aufgrund von nichtlinearen Effekten der Wechselwirkung von Laserstrahlung mit dem Glas 7 zur Bildung einer temporären Plasmazone 11, die das Glas 7 sehr schnell mit dem Metall 21 der Kanüle 2 verbindet. Durch translatorischen und/oder rotatorischen Vorschub des Laserstrahls 9 gegenüber dem vorgefügten Werkstück (oder umgekehrt) können sehr schmale Schweißnähte in der Größenordnung von etwa 50–100 µm Breite generiert werden. Bei rotatorischem Vorschub kann bei ortsfestem Laserstrahl 9 der Spritzenkörper um die Mittenachse 22 der Kanüle 2 rotiert werden.
Das Verfahren erlaubt dabei Spalte zwischen Kanüle und dem umgebenden Glas 7 von bis zu ca. 30 µm, da durch die extrem schnelle Erwärmung der betroffenen Zone aufgrund Multiphotonenabsorption und anschließender Avalancheionisation ein Plasma erzeugt wird, das nach Abkühlung der erstarrten Glasphase mit sehr hohen Temperaturgradienten zu einer erheblichen Dichteänderung im Glas führt. Aus dieser Dichteänderung wiederum resultiert eine lokale Expansion des Glases 7 in Richtung der Außenseite 20 der Kanülen 2, verbunden mit einer Anglasung des Metalles 21, die bei der anschließenden schlagartigen Abkühlung erhalten bleibt.
Das über den fokussierten Laserstrahl 9 erzeugte Plasma in der Plasmazone 11 kann wie bei dem in 2 gezeigten Beispiel im Glas 7 bei auf die Kanülenmitte orientierter Achse der Strahlpropagation in der Nähe zur Kanülenoberfläche erzeugt werden.
Alternativ kann die Strahlpropagationsachse auch seitlich gegenüber der Symmetrieachse der Kanüle 2 versetzt werden. Diese Variante eines tangentialen Schweißens zeigt 3. In dieser Figur ist der Spritzenkörper 3 in axialer Blickrichtung, im Speziellen in Aufsicht auf die Konusöffnung dargestellt. Die Schnittebene in 3 ist senkrecht zur Mittenachse der Kanüle 2.
Der Laserstrahl 9 wird bei dieser Ausführungsform der Erfindung ohne Beschränkung auf die spezielle Darstellung der 3 also so auf den Konus 5 gerichtet, dass der Fokus 10 in Einstrahlrichtung des Laserstrahls 9 betrachtet seitlich versetzt zur Mittenachse 22 der Kanüle 2 liegt. Bei dem gezeigten Beispiel liegt der Fokus 10 auch neben der Kanüle, beziehungsweise der durch die Außenseite 21 gebildeten Außenkontur der Kanüle 2.
Bei dem in 3 gezeigten Beispiel wird der Spritzenkörper um die Mittenachse 22 der Kanüle 2 rotiert, so dass sich dementsprechend eine ringförmige Schweißnaht 15 ausbildet. In der Darstellung der 3 ist dabei erst ein Sektor der Schweißnaht 15 fertiggestellt.
Bei der Verschweißung der Kanüle 2 mit der Innenseite 50 des Konus 5 mittels eines ultrakurz gepulsten Laserstrahls ergibt sich das Problem, dass die Außenseite des Konus als Brechfläche wirkt. Dies ändert im Allgemeinen sowohl die Lage, als auch die Form des Fokus 10. Bei einer Einstrahlung in Richtung auf die Mittenachse 22 ist dies gegebenenfalls weniger kritisch, wenn die laterale Ausdehnung des Laserstrahls 9 klein ist. Auch hier ergibt sich aber an der im wesentlichen zylinderförmigen Außenfläche des Spritzenkonus eine gewisse Linsenwirkung.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann die Optik des Objektivs 90 und/oder die Strahlrichtung des Laserstrahls 9 entsprechend so angepasst werden, dass eine Brechung oder eine Linsenwirkung der Oberfläche des Konus 5 ausgeglichen wird. So könnte beispielsweise eine zusätzliche Zylinderlinse vorgesehen werden, um die Brechung an der zylindrischen Außenseite des Spritzenkonus 5 zu kompensieren.
Eine andere Weiterbildung ist schematisch in 4 dargestellt. Diese Weiterbildung der Erfindung basiert allgemein darauf, dass zwischen dem Objektiv 90 und der Spritzenkonus 5 ein Immersionsmedium 23 angeordnet, insbesondere der vom Laserstrahl 9 durchstrahlte Zwischenraum zwischen Objektiv 90 und Konus 5 mit dem Immersionsmedium 23 ausgefüllt wird. Das Immersionsmedium 23 hat vorzugsweise einen zum Glas 7 des Spritzenkonus 5 ähnlichen Brechungsindex. Damit wird dann eine Brechung an der Außenfläche des Konus 5 verhindert, oder zumindest deutlich abgeschwächt. Vorzugsweise weisen die Brechungsindizes von Glas 7 und Immersionsmedium 23 eine Differenz von höchstens ∆n = 0,3, vorzugsweise von höchstens ∆n = 0,15 auf. Wie in 4 gezeigt, kann die Immersionsflüssigkeit 23 vorteilhaft durch Adhäsionskräfte frei zwischen Mikroskopobjektiv 90 und drehendem Glaskörper gehalten werden, so dass die Grenzflächen zur Objektivlinse und zum Spritzenkonus 5 von der Immersionsflüssigkeit benetzt werden. Die Adhäsionskräfte bewirken dann, dass auch bei einer Rotation des Spritzenkonus 5 der Tropfen der Immersionsflüssigkeit 23 am Objektiv 90 haften bleibt. Denkbar ist auch, den Spritzenkonus 5 mit Kanüle 2 in ein Bad mit der Immersionsflüssigkeit 23 einzutauchen.
Gemäß noch einer Weiterbildung der Erfindung kann vor dem Zusammenschweißen von Spritzenkörper 3 und Kanüle 2 ein Fluid 19 in den Spalt 13 eingebracht werden, dessen Brechungsindex höher als der Brechungsindex des Glases 7 des Spritzenkörpers 3 ist. Diese Ausführungsform der Erfindung ist besonders dann von Vorteil, wenn der Laserstrahl 9 anders als bei der in 3 gezeigten Strahlführung auf die Außenseite 20 der Kanüle trifft. Der höhere Brechungsindex des Fluids führt zu einer Reflexion an der Grenzfläche zwischen Fluid und Glas und senkt damit die im Metall 21 anfallende Laserleistung. Dies ist günstig, da sich die Plasmazone 11 für eine gute Verschweißung im Glas 7 ausbilden sollte.
5 zeigt als Ausführungsbeispiel nun eine fotografische Aufnahme eines Spritzenkonus 5 mit eingebetteter Kanüle 2, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren mit der Innenwandung 50 der Konus 5 durch Verschweißen mit ultrakurzen hochenergetischen Laserpulsen verbunden ist. Wie anhand von 5 zu erkennen ist, sind mehrere axial entlang der Kanüle 2 zueinander beabstandete, die Kanüle 2 ringförmig umlaufende Schweißnähte 15 vorgesehen. Ohne Beschränkung auf das spezielle, in 5 gezeigten Beispiel ist eine solche Anordnung mit mehreren axial beabstandeten Schweißnähten von Vorteil, um einerseits eine hermetische Verbindung der Außenseite 20 der Kanüle 2 mit der Innenwandung 50 des Konus 5 herzustellen und andererseits eine hohe mechanische Stabilität der Verschweißung zu erreichen.
In der Aufnahme ist auch ein Spalt 13 als helle Linie am unteren Rand der Kanüle 2 zu erkennen, der durch die Schweißnähte 13 überbrückt wird. Die Kanüle 2 des in 5 gezeigten Beispiels weist einen Durchmesser von 500 µm auf.
6 zeigt als weiteres Beispiel eine fotografische Aufnahme eines Querschliffs des Konus mit eingeschweißter Kanüle 2. Die Schweißnaht 13 in diesem Beispiel verläuft in axialer Richtung der Kanüle 2, so dass der Querschliff der in 6 gezeigten Aufnahme auch einen Querschnitt durch die Schweißnaht 13 zeigt. Der eingezeichnete Maßstab kennzeichnet eine Strecke von 20 µm. Erkennbar ist die Wirkungszone des laserinduzierten Plasmas als brechwertveränderter Bereiche und eine Überbrückung eines Spaltes 13 durch eine Dichteänderung des Glases. Im Speziellen ist die Dichte im Glas 7 im Bereich der Schweißnaht 15 in einer Zone 17 gegenüber von der Schweißnaht 15 entfernten Bereichen erniedrigt, so dass sich der Brechungsindex erniedrigt und das Glas zur Außenfläche 20 der Kanüle 2 hin expandiert ist.
Es ist dem Fachmann ersichtlich, dass die Erfindung nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern vielfältig, auch unter Kombination der einzelnen Merkmale der Ausführungsbeispiele kombiniert werden können. So können beispielsweise axial verlaufende und ringförmig in Umfangsrichtung der Kanüle verlaufende Schweißnähte miteinander kombiniert werden. Weiterhin wurde die Einstrahlrichtung des Lasers in den Ausführungsbeispielen immer senkrecht zur Mittenachse der Kanüle dargestellt. Gegebenenfalls kann hier aber auch eine schräge Einstrahlung von Vorteil sein, etwa dann wenn die Schweißnaht breiter sein soll.
Bezugszeichenliste

1: Spritzenkörper-Kanülen-Verbund
2: Kanüle
3: Spritzenkörper
5: Konus von 3
7: Glas
8: Laser
9: Laserstrahl
10: Fokus des Laserstrahls 9
11: Plasmazone
13: Spalt zwischen Außenseite der Kanüle und Innenseite des Konus
15: Schweißnaht
17: Zone erniedrigter Dichte
20: Außenseite von 2
21: Metall
22: Mittenachse von 2
23: Immsersionsmedium
29: Zylinder
30: konusseitiges Ende von 3
31: Kolbenöffnung
50: Innenwandung des Konus 5
90: Objektiv

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 3364002 A [0004]
EP 2075082 A1 [0005]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Spritzenkörper-Kanülen-Verbundes (1), bei welchem eine metallische Kanüle (2) mit einem Glas-Spritzenkörper (3) verbunden ist, mit den Schritten: – Einsetzen einer metallischen Kanüle (2) in den Konuskanal (5) des Glas-Spritzenkörpers (3), – Fokussieren von ultrakurzen Laserpulsen im Glas (7) des Spritzenkörpers (3), – Erzeugen einer Plasmazone im Glas (7), welche eine Dichteänderung des Glases (7) im Bereich des Fokus (10) des Laserstrahls (9) und eine Expansion des Glases (7) unter Viskositätssenkung bewirkt, so dass das Glas (7) unter Überbrückung eines Spaltes (13) zwischen der Außenseite der Kanüle (2) und der Innenwandung (50) des Spritzenkonus (5) expandiert und sich mit dem Metall der Kanüle (2) verbindet, wobei der Fokus (10) des gepulsten Laserstrahls (9) relativ zum Spritzenkonus (5) bewegt wird, so dass sich entlang des Pfades des Laserstrahls (9) durch die Expansion des Glases (7) und der Verbindung mit dem Metall der Kanüle (2) eine Schweißnaht (15) ausbildet.
Verfahren gemäß dem vorstehenden Anspruch, wobei der Fokus (10) des Laserstrahls (9) in Umfangsrichtung der Innenwandung (50) des Spritzenkonus (5) relativ zum Spritzenkörper (3) bewegt wird, so dass sich eine ringförmige Schweißnaht (15) ausbildet.
Verfahren gemäß einem der beiden vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Fokus (10) des Laserstrahls (9) relativ zum Spritzenkörper (3) in axialer Richtung entlang der Kanüle (2) bewegt wird, so dass eine sich entlang der axialen Richtung der Kanüle (2) erstreckende Schweißnaht (15) ausbildet.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Spritzenkörper (3) und die Kanüle (2) mit einem Laserstrahl (9) miteinander verschweißt werden, welcher zumindest eine der folgenden Eigenschaften aufweist: – die Laserpulse des Laserstrahls (9) haben eine Dauer von < 100 Picosekunden, – die Wellenlänge des Laserstrahls (9) liegt im Bereich von 250 Nanometer bis 1200 Nanometer, – die Laserpulse haben eine Repititionsrate zwischen 500 kHz und 20 MHz, vorzugsweise im Bereich von 4 MHz bis 8 MHz, – der Laserstrahl hat eine mittlere Leistung im Bereich von 0,5 bis 8 Watt, vorzugsweise zwischen 1 Watt und 6 Watt.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlung (9) mittels eines Objektivs (90) fokussiert wird, wobei zwischen dem Objektiv und dem Spritzenkonus (5) ein Immersionsmedium (23) angeordnet wird.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Zusammenschweißen von Spritzenkörper (3) und Kanüle (2) ein Fluid (19) in den Spalt (13) eingebracht wird, wobei der Brechungsindex des Fluids (19) höher als der Brechungsindex des Glases (7) des Spritzenkörpers (3) ist.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (9) so auf den Spritzenkonus (5) gerichtet wird, dass der Fokus (10) in Einstrahlrichtung des Laserstrahls (9) betrachtet seitlich versetzt zur Mittenachse (22) der Kanüle (2), vorzugsweise neben der Kanüle liegt.
Spritzenkörper-Kanülen-Verbund (1), insbesondere herstellbar mit einem Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend einen zylindrischen Glas-Spritzenkörper (3), der an einem Ende (30) von einem Konus (5) abgeschlossen wird, wobei im zylindrischen Kanal des Konus (5) eine metallische Kanüle (2) eingesetzt und mit dem Glas (7) des Spritzenkörpers (3) verbunden ist, wobei die Verbindung von Kanüle (2) und Glas (7) durch zumindest eine mit dem Glas (7) des Spritzenkörpers (3) gebildete Schweißnaht (15) erfolgt, welche zumindest abschnittsweise einen Spalt (13) zwischen der Außenseite (20) der Kanüle (2) und der Innenwandung (50) des Konus (5) überbrückt, und wobei die Dichte im Glas (7) im Bereich der Schweißnaht (15) gegenüber von der Schweißnaht (15) entfernten Bereichen erniedrigt ist.
Spritzenkörper-Kanülen-Verbund (1) gemäß dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass von der Schweißnaht (15) ausgehend in das Glas (7) des Konus (5) hineinragend eine Zone (17) erniedrigter Dichte ausgebildet ist.
Spritzenkörper-Kanülen-Verbund (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Differenz der linearen Temperaturausdehnungskoeffizienten des Glases (7) und des Metalls (21) der Kanüle (2) einen Wert von mindestens 0,5·10^–6K^–1 aufweist (nicht angepasste Verbindung).
Spritzenkörper-Kanülen-Verbund (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, mit einem Borosilikatglas-Spritzenkörper (3) und einer Edelstahl-Kanüle (2).
Spritzenkörper-Kanülen-Verbund (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißnaht (15) einen Spalt (13) mit einer Breite bis 30 µm überbrückt, vorzugsweise im Bereich von 0,5 µm bis 30 µm.
Spritzenkörper-Kanülen-Verbund (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißnaht (15) eine Breite von höchstens 150 µm aufweist.