DE102021117530A1 - Process for joining at least two joining partners - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen mindestens zweier Fügepartner (3, 8) mittels ultrakurzer Laserpulse eines Laserstrahls (5) eines Ultrakurzpulslasers (4), wobei mindestens einer der Fügepartner (3, 8) transparent für die verwendete Laserwellenlänge ist, wobei die Fügepartner (3, 8) mittels ultrakurzer Laserpulse des Laserstrahls (5) entlang mindestens einer Fügenahttrajektorie (90) miteinander gefügt werden, wobei die Festigkeit der Fügeverbindung (9) geringer ist, als die Festigkeit des schwächsten Fügepartners (3, 8).The present invention relates to a method for joining at least two joining partners (3, 8) using ultra-short laser pulses of a laser beam (5) from an ultra-short pulse laser (4), with at least one of the joining partners (3, 8) being transparent for the laser wavelength used, with the joining partners (3, 8) are joined together by means of ultra-short laser pulses of the laser beam (5) along at least one joining seam trajectory (90), the strength of the joint (9) being lower than the strength of the weakest joining partner (3, 8).
Description
Technisches Gebiettechnical field
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen mindestens zweier Fügepartner mittels ultrakurzer Laserpulse eines Laserstrahls eines Ultrakurzpulslasers und einen damit hergestellten Behälter für medizinische und/oder chemische Präparate.The present invention relates to a method for joining at least two joining partners by means of ultra-short laser pulses of a laser beam from an ultra-short-pulse laser and a container for medical and/or chemical preparations produced therewith.
Stand der TechnikState of the art
Zum Fügen zweier Fügepartner miteinander ist es bekannt, die jeweiligen Fügepartner mit einem Laserstrahl zu beaufschlagen, um auf diese Weise in der durch den Laserstrahl beaufschlagten Zone durch Energieabsorption eine Schmelze zu erzeugen, welche nach dem Erstarren der Schmelze eine Schweißnaht zwischen den Fügepartnern ausbildet. Das Fügen mittels ultrakurzer Laserpulse ermöglicht dabei eine stabile Verbindung der Fügepartner ohne zusätzlichen Materialeinsatz.To join two parts to be joined, it is known to apply a laser beam to the respective parts to be joined in order to generate a melt through energy absorption in the zone exposed to the laser beam, which melt forms a weld seam between the parts to be joined after the melt has solidified. Joining using ultra-short laser pulses enables a stable connection of the joining partners without the use of additional material.
Dabei ist es bekannt, zum Fügen eines transparenten Fügepartners mit einem nicht transparenten Fügepartner oder zum Verschweißen zweier transparenter Fügepartner den Fokus oder die Fokuszone des Laserstrahls in die Grenzfläche oder in einen Bereich um die gemeinsame Grenzfläche der beiden Fügepartner herum zu legen. Dabei tritt der bearbeitende Laserstrahl entsprechend durch einen der transparenten Fügepartner hindurch und erzeugt eine Schmelze im Bereich der Grenzfläche der beiden Fügepartner.It is known to place the focus or focal zone of the laser beam in the boundary surface or in an area around the common boundary surface of the two joining partners for joining a transparent joining partner with a non-transparent joining partner or for welding two transparent joining partners. The processing laser beam passes through one of the transparent joining partners and generates a melt in the area of the interface between the two joining partners.
Fokussiert man ultrakurze Laserpulse, also Laserpulse im Pikosekundenbereich oder im Femtosekundenbereich, (z.B. 50 fs bis 50 ps), in das Volumen eines Materials, so kann die hohe Intensität im Fokus zu nichtlinearen Absorptionsprozessen führen. Wenn der zeitliche Abstand der aufeinander folgenden ultrakurzen Laserpulse kürzer als die Wärmediffusionszeit ist, dann führt dies zu einer Wärmeakkumulation beziehungsweise einem Temperaturanstieg im Material im Fokusbereich. Mit jedem der aufeinander folgenden Pulse kann die Temperatur dann auf die Schmelztemperatur des Materials erhöht werden und schließlich das Material lokal aufschmelzen. If you focus ultra-short laser pulses, i.e. laser pulses in the picosecond range or in the femtosecond range (e.g. 50 fs to 50 ps), in the volume of a material, the high intensity in the focus can lead to non-linear absorption processes. If the time between the successive ultra-short laser pulses is shorter than the heat diffusion time, this leads to heat accumulation or a temperature rise in the material in the focus area. With each of the successive pulses, the temperature can then be increased to the melting temperature of the material and finally the material can be locally melted.
Eine besondere Problemstellung ergibt sich weiterhin beim besonders beim Verschließen gläserner Behälter, wie beispielsweise bei Phiolen oder Ampullen. Der Verschluss solcher Behälter, die oft chemische und/oder medizinische Präparate enthalten, erfordert aufwändige Herstellungsmethoden, wie beispielsweise Kleber und/oder eine komplexe Probenpräparation. Insbesondere dürfen die in den Behältern enthaltenen Präparate durch die Herstellung eines Verschlusses nicht beschädigt werden. Des Weiteren werden zum Öffnen der Behälter oft Sollbruchstellen durch mechanisches Ritzen in die Behälter eingebracht. Beim Aufwenden einer Kraft bricht der Behälter dann entlang der Sollbruchstelle, so dass das Präparat entnommen werden kann.A particular problem also arises when closing glass containers, such as vials or ampoules. The closure of such containers, which often contain chemical and/or medicinal preparations, requires complex manufacturing methods, such as adhesives and/or complex sample preparation. In particular, the preparations contained in the containers must not be damaged by the manufacture of a closure. Furthermore, to open the containers, predetermined breaking points are often introduced into the containers by mechanical scoring. When a force is applied, the container then breaks along the predetermined breaking point so that the preparation can be removed.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Ausgehend von dem bekannten Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Fügen zweier Fügepartner bereitzustellen.Proceeding from the known prior art, it is an object of the present invention to provide an improved method for joining two joining partners.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Fügen zweier Fügepartner mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren.The object is achieved by a method for joining two joining partners with the features of
Entsprechend wird ein Verfahren zum Fügen mindestens zweier Fügepartner mittels ultrakurzer Laserpulse eines Laserstrahls eines Ultrakurzpulslasers vorgeschlagen, wobei mindestens einer der Fügepartner transparent für die verwendete Laserwellenlänge ist, wobei die Fügepartner mittels ultrakurzer Laserpulse des Laserstrahls entlang mindestens einer Fügenahttrajektorie miteinander gefügt werden. Erfindungsgemäß wird die Festigkeit der Fügeverbindung geringer ausgebildet, als die Festigkeit des schwächsten Fügepartners.Accordingly, a method for joining at least two joining partners using ultrashort laser pulses of a laser beam from an ultrashort pulse laser is proposed, with at least one of the joining partners being transparent to the laser wavelength used, with the joining partners being joined to one another using ultrashort laser pulses of the laser beam along at least one joining seam trajectory. According to the invention, the strength of the joint is designed to be lower than the strength of the weakest joining partner.
Auf diese Weise kann eine Verbindung zwischen den Fügepartnern hergestellt werden, die beim Aufwenden einer vorgegebenen Kraft wieder getrennt werden kann, ohne dass einer der Fügepartner bricht. Entsprechend kann beispielsweise ein Deckel auf einen Behälter aufgebracht werden, der dann durch eine entsprechende Krafteinwirkung wieder geöffnet werden kann, indem die Fügeverbindung wieder getrennt wird - beispielsweise durch Aufbrechen. Dabei werden aber die Fügepartner nicht substantiell geschädigt und beispielsweise der Deckel und der Behälter bleiben strukturell unbeschädigt.In this way, a connection can be made between the joining partners, which can be separated again when a predetermined force is applied, without one of the joining partners breaking. Correspondingly, for example, a lid can be applied to a container, which can then be opened again by applying a corresponding force, in that the joint connection is separated again—for example by breaking open. However, the joining partners are not substantially damaged and, for example, the lid and the container remain structurally undamaged.
Der Ultrakurzpulslaser stellt hierbei die ultrakurzen Laserpulse des Laserstrahls zur Verfügung, wobei die einzelnen Laserpulse den Laserstrahl in der Strahlausbreitungsrichtung ausbilden.The ultra-short pulse laser makes the ultra-short laser pulses of the laser beam available, with the individual laser pulses forming the laser beam in the beam propagation direction.
Anstatt einzelner Laserpulse kann der Laser auch Bursts zur Verfügung stellen, wobei jeder Burst das Aussenden mehrerer Laserpulse umfasst. Dabei kann für ein bestimmtes Zeitintervall das Aussenden der Laserpulse sehr dicht, im Abstand weniger Piko- bis zu hunderten Nanosekunden, aufeinander folgen. Bei den Bursts kann es sich insbesondere um sogenannte GHz-Bursts handeln, bei denen die Abfolge der aufeinanderfolgenden Laserpulse des jeweiligen Bursts im GHz Bereich stattfindet.Instead of individual laser pulses, the laser can also provide bursts, with each burst comprising the transmission of a number of laser pulses. In this case, for a specific time interval, the transmission the laser pulses follow one another very closely, a few picoseconds up to hundreds of nanoseconds apart. The bursts can in particular be so-called GHz bursts, in which the sequence of the successive laser pulses of the respective burst takes place in the GHz range.
Eine Abfolge von Einzelpulsen bedeutet in diesem Zusammenhang, dass nacheinander mehrere Einzelpulse von dem Laser abgegeben werden. Eine Abfolge von Einzelpulsen umfasst demnach mindestens zwei Einzelpulse. Eine Abfolge von Bursts bedeutet, dass nacheinander jeweils mehrere Bursts von dem Laser abgegeben werden. Eine Abfolge von Bursts umfasst demnach mindestens zwei Bursts. Insbesondere können die Bursts oder Einzelpulse der Abfolge jeweils gleichartig sein. Gleichartig sind die Bursts oder Einzelpulse, wenn die verwendeten Laserpulse im Wesentlichen dieselben Eigenschaften aufweisen, also etwa die gleiche Pulsenergie, die gleiche Pulslänge und - im Falle von Bursts - auch gleiche Pulsabstände innerhalb des Bursts aufweisen.In this context, a sequence of individual pulses means that the laser emits several individual pulses one after the other. A sequence of individual pulses therefore includes at least two individual pulses. A sequence of bursts means that the laser emits several bursts one after the other. A sequence of bursts therefore includes at least two bursts. In particular, the bursts or individual pulses of the sequence can each be of the same type. The bursts or individual pulses are identical if the laser pulses used have essentially the same properties, ie approximately the same pulse energy, the same pulse length and—in the case of bursts—also the same pulse spacing within the burst.
Die Transparenz des mindestens einen Fügepartners hat den Vorteil, dass der Fügelaser durch den transparenten Fügepartner hindurch fokussiert werden kann, sodass der Fügebereich an der zwischen den beiden Fügepartnern - also an der Innenseite liegenden - Grenzfläche zwischen beiden Fügepartnern lokalisiert werden kann.The transparency of the at least one joining partner has the advantage that the joining laser can be focused through the transparent joining partner, so that the joining area can be localized at the interface between the two joining partners - i.e. on the inside - between the two joining partners.
Der erste Fügepartner kann beispielsweise transparent und der zweite Fügepartner kann opak für die Wellenlänge des Lasers sein. Es können aber auch beide Fügepartner transparent sein.The first joining partner can be transparent, for example, and the second joining partner can be opaque to the wavelength of the laser. However, both joining partners can also be transparent.
Bevorzugt kann ein erster Fügepartner ein Metall umfassen oder aus Metall bestehen und ein weiter Fügepartner ein Glas umfassen oder aus Glas bestehen, oder mindestens zwei miteinander gefügte Fügepartner umfassen Kunststoff oder Glas oder bestehen aus Kunststoff oder Glas. Beispielsweise kann der erste Fügepartner aus Quarzglas bestehen und der zweite aus Aluminium.A first joining partner can preferably comprise a metal or consist of metal and a further joining partner comprise glass or consist of glass, or at least two joining partners joined together comprise plastic or glass or consist of plastic or glass. For example, the first joining partner can consist of quartz glass and the second can consist of aluminum.
Die Fügepartner sind aufeinander angeordnet, so dass die Grenzflächen der Fügepartner, über welche hinweg die Fügepartner miteinander gefügt werden sollen, aufeinander zeigen. Die Stoßfläche ist hierbei die Fläche, an der die Fügepartner aneinander anliegen.The joining partners are arranged one on top of the other, so that the boundary surfaces of the joining partners, across which the joining partners are to be joined, face one another. The abutting surface is the surface on which the joining partners are in contact.
Im Fügebereich findet durch sukzessive Absorption der ultrakurzen Laserpulse eine Wärmeakkumulation statt, sofern die Pulsrate des Laserstrahls größer ist als die Rate des Wärmeabtransports durch materialspezifische Wärmetransportmechanismen, insbesondere durch Wärmediffusion. Durch die steigende Temperatur im Material des zumindest ersten Fügepartners von Fügepuls zu Fügepuls beziehungsweise von Burst zu Burst kann so schließlich die Schmelztemperatur des Materials der Fügepartner erreicht werden, was zu einem lokalen Aufschmelzen des Materials der Fügepartner führt.In the joining area, heat is accumulated as a result of successive absorption of the ultra-short laser pulses, provided the pulse rate of the laser beam is greater than the rate of heat dissipation through material-specific heat transport mechanisms, in particular through heat diffusion. Due to the increasing temperature in the material of at least the first joining partner from joining pulse to joining pulse or from burst to burst, the melting temperature of the material of the joining partner can finally be reached, which leads to local melting of the material of the joining partner.
Als Fügebereich wird demnach derjenige Bereich der Fügepartner verstanden, in welchem die ultrakurzen Laserpulse eingebracht werden und in welchem das Material aufgeschmolzen wird. Alternativ kann auch die Gesamtheit des lokal aufgeschmolzenen Materials im Fügebereich als Schmelzblase bezeichnet werden. Unabhängig von der Bezeichnung kann die entstehende Schmelze die gemeinsame Grenzfläche der Fügepartner überbrücken und beim Abkühlen die Fügepartner dauerhaft miteinander verbinden. Dabei kann sich insbesondere auch die Netzwerkstruktur der Fügepartner ändern. Als Fügenaht wird dann die abgekühlte Schmelze bezeichnet, welche die Fügepartner miteinander verbindet, bzw. die Fügeverbindung ergibt.The joining area is therefore understood to be that area of the joining partner in which the ultra-short laser pulses are introduced and in which the material is melted. Alternatively, the entirety of the locally melted material in the joining area can also be referred to as a melt bubble. Irrespective of the name, the resulting melt can bridge the common interface of the joining partners and permanently connect the joining partners to one another when cooling down. In particular, the network structure of the joining partners can also change. The joint seam is then referred to as the cooled melt which connects the joint partners to one another or results in the joint connection.
Die Fügefläche ist hierbei die gesamte Querschnittsfläche des Fügebereichs in der Ebene der Stoßfläche der Fügepartner. Mit anderen Worten ist die Fügefläche der Teil der Grenzfläche über die sich die Fügepartner durch die Schmelzblase miteinander verbinden.The joining area is the entire cross-sectional area of the joining area in the plane of the abutting surface of the joining partners. In other words, the joining surface is the part of the interface via which the joining partners are connected to one another by the melt bubble.
Um das Material im Fügebereich aufzuschmelzen, können Einzelpulse und/oder Bursts in das Material eingebracht und sukzessive absorbiert werden. Diese Vielzahl an einer Position eingebrachter ultrakurzen Einzelpulse und/oder Bursts wird auch Laserspot genannt, wobei die Anzahl an ultrakurzen Einzelpulse und/oder Bursts pro Laserspot N gegeben ist durch das Produkt aus Spotgröße SG und Repetitionsrate P pro Vorschubgeschwindigkeit VG: N = SG * P / VG. Die Spotgröße beschreibt hierbei über welchen räumlichen Bereich die ultrakurzen Laserpulse und/oder Bursts in das Material abgegeben werden.In order to melt the material in the joining area, individual pulses and/or bursts can be introduced into the material and successively absorbed. This large number of ultra-short individual pulses and/or bursts introduced at a position is also called a laser spot, with the number of ultra-short individual pulses and/or bursts per laser spot N being given by the product of spot size SG and repetition rate P per feed rate VG: N = SG * P / VG. The spot size describes the spatial area over which the ultra-short laser pulses and/or bursts are emitted into the material.
Die Größe des Fügebereichs ist dabei zusätzlich durch die Strahlgeometrie, insbesondere die Größe der Fokuszone des fokussierten Laserstrahls, bestimmt. Die Strahlgeometrie beschreibt hierbei die räumliche Ausgestaltung des Laserstrahls sowie weitere Strahleigenschaften wie beispielsweise bestimmte Beugungseigenschaften des Laserstrahls, siehe unten.The size of the joining area is additionally determined by the beam geometry, in particular the size of the focal zone of the focused laser beam. The beam geometry describes the spatial configuration of the laser beam and other beam properties such as certain diffraction properties of the laser beam, see below.
Erfindungsgemäß ist die Festigkeit der Fügeverbindung geringer als die des schwächsten Fügepartners. Mit anderen Worten bricht beim Aufbringen einer Kraft auf die gefügten Fügepartner, die Fügeverbindung zuerst. Die Oberfläche der separierten Fügepartner ist dabei im Wesentlichen unbeschädigt, abgesehen von (Muschel-)Ausbrüchen am Ort der Fügeverbindung.According to the invention, the strength of the joint is lower than that of the weakest joint partner. In other words, when a force is applied to the joint partners being joined, the joint connection breaks first. The surface of the separated joining partners is essentially undamaged apart from (shell) eruptions at the location of the joint.
Durch die definierte Fügeverbindung wird dementsprechend eine Sollbruchstelle der gefügten Fügepartner bereitgestellt.A predetermined breaking point of the joined joining partners is accordingly provided by the defined joining connection.
Die Festigkeit der Fügeverbindung kann durch den Anteil der durch die Fügeverbindung überdeckten Fügefläche zur gesamten Stoßfläche eingestellt werden, wobei die Stoßfläche gegeben ist durch die Fläche an der die Fügepartner aneinander anliegen.The strength of the joint can be adjusted by the proportion of the joint surface covered by the joint to the entire abutting surface, the abutting surface being defined by the surface on which the joint partners rest against one another.
Beispielsweise kann mit zwei festen Fügepartnern eine festere Fügeverbindung erzeugt werden, die immer noch als Sollbruchstelle fungieren kann. Um eine solche zulässige, höhere Festigkeit zu erreichen, kann daher die Fügefläche vergrößert werden. Andererseits hängt die Festigkeit der Fügeverbindung auch von der Materialkombination der Fügepartner ab, so dass durch Einstellen einer Fügefläche unabhängig von dem Material der Fügepartner eine gewünschte Festigkeit der Fügeverbindung erzeugt werden kann.For example, with two fixed joining partners, a stronger joint can be created, which can still function as a predetermined breaking point. Therefore, in order to achieve such allowable higher strength, the joining area can be increased. On the other hand, the strength of the joint connection also depends on the material combination of the joint partners, so that a desired joint connection strength can be generated by adjusting a joint surface independently of the material of the joint partners.
Insbesondere kann der Anteil der Fügefläche zur gesamten Stoßfläche kleiner als 50% sein, bevorzugt kleiner als 25% sein, sofern ein erster Fügepartner ein Metall ist und ein weiterer Fügepartner ein Glas ist, wobei die Stoßfläche gegeben ist durch die Fläche an der die Fügepartner aneinander anliegen.In particular, the proportion of the joint surface to the entire joint surface can be less than 50%, preferably less than 25%, provided that a first joint partner is metal and another joint partner is glass, with the joint surface being defined by the surface on which the joint partners meet issue.
Beispielsweise kann eine Stoßfläche zweier Fügepartner 20mm2 groß sein. Die Fügefläche kann dann beispielsweise kleiner als 10mm2 sein. Wenn einer der Fügepartner ein Metall und ein weiterer Fügepartner ein Glas ist, kann die Fügefläche bevorzugt kleiner als 5mm2 sein. Die Fügefläche kann aber auch kleiner als 5mm2 sein, wenn keiner der Fügepartner ein Metall ist.For example, an abutting surface of two joining partners can be 20mm 2 in size. The joining area can then be smaller than 10 mm 2 , for example. If one of the joining partners is metal and another joining partner is glass, the joining area can preferably be smaller than 5 mm 2 . However, the joining surface can also be smaller than 5mm 2 if none of the joining partners is metal.
Der Anteil der Fügefläche der Fügeverbindung zur gesamten Stoßfläche kann durch Einbringen mehrerer Fügenähte eingestellt werden.The proportion of the joint surface of the joint connection to the entire abutment surface can be adjusted by introducing several joint seams.
Insbesondere wird die Fügeverbindung durch die Vielzahl an Fügenähten erzeugt.In particular, the joint is produced by the large number of joint seams.
Beispielsweise kann durch eine erste Fügenaht eine erste Festigkeit der Fügeverbindung erzeugt werden. Durch eine zweite, parallel zur ersten Fügenaht verlaufenden Fügenaht kann ebenfalls eine erste Festigkeit der Fügeverbindung erzeugt werden. Insgesamt kann die Fügeverbindung - bestehend aus der ersten und zweiten Fügenaht - eine Festigkeit von zwei ersten Festigkeiten aufweisen.For example, a first strength of the joint connection can be generated by a first joint seam. A second joint seam running parallel to the first joint seam can likewise produce a first strength of the joint connection. Overall, the joint connection—consisting of the first and second joint seam—can have a strength of two first strengths.
Es kann aber auch sein, dass die erste Fügenaht eine erste Festigkeit der Fügeverbindung erzeugt und die zweite Fügenaht eine zweite Festigkeit der Fügeverbindung erzeugt, so dass die Festigkeit der Fügenaht - bestehend aus der ersten und zweiten Fügenaht - eine Festigkeit von erster und zweiter Festigkeit aufweist.However, it can also be the case that the first joint seam creates a first strength of the joint connection and the second joint seam creates a second strength of the joint connection, so that the strength of the joint seam—consisting of the first and second joint seam—has a strength of the first and second strength .
Es kann aber auch sein, dass sich die Festigkeiten nicht direkt addieren, sondern auf andere Weise akkumulieren. Dies kann der Fachmann durch geeignete Versuche mit den Fügepartnern einfach herausfinden.However, it is also possible that the strengths do not add up directly, but rather accumulate in a different way. The person skilled in the art can easily find this out by carrying out suitable tests with the joining partners.
Durch die Festigkeit der Fügeverbindung kann dementsprechend eine Kraft zum Brechen der Fügeverbindung gegeben sein, wobei die Fügeverbindung als Sollbruchstelle zwischen den Fügepartnern ausgebildet ist.The strength of the joint connection can accordingly provide a force for breaking the joint connection, with the joint connection being designed as a predetermined breaking point between the joint partners.
Mindestens eine Fügenaht kann entlang einer Fügenahttrajektorie geschlossen sein oder zu mehr als 50% entlang der Fügenahttrajektorie geschlossen sein.At least one seam can be closed along a seam trajectory or more than 50% closed along the seam trajectory.
Die Fügenahttrajektorie ist hierbei die Trajektorie entlang derer die Fügemodifikationen beziehungsweise eine Fügenaht eingebracht werden. Eine Fügenahttrajektorie ist beispielsweise geschlossen, wenn der Anfangspunkt und der Endpunkt der Fügenahttrajektorie übereinanderliegen. Beispielsweise ist eine kreisförmige Fügenahttrajektorie geschlossen. Eine Fügenahttrajektorie kann auch geschlossen sein, wenn die Fügenahttrajektorie einen Punkt zweimal überstreicht.The joining seam trajectory is the trajectory along which the joining modifications or a joining seam are introduced. A joining seam trajectory is closed, for example, if the starting point and the end point of the joining seam trajectory are on top of each other. For example, a circular joint trajectory is closed. A joint trajectory can also be closed if the joint trajectory sweeps over a point twice.
Wenn die Fügenaht zu mehr als 50% der Fügenahttrajektorie geschlossen ist, dann kann das bedeuten, dass die Fügenaht perforiert ist, so dass Fügemodifikationen beispielsweise in gleichen oder unterschiedlichen Abständen eingebracht werden.If the joint seam is closed for more than 50% of the joint seam trajectory, this can mean that the joint seam is perforated, so that joint modifications are introduced, for example, at the same or different distances.
Mindestens einer der Fügepartner kann ein Volumen umschließen und ein weiterer Fügepartner kann durch die Fügeverbindung das Volumen hermetisch versiegeln, wobei das umschlossene Volumen insbesondere ein medizinisches und/oder chemisches Präparat enthalten kann.At least one of the joining partners can enclose a volume and another joining partner can hermetically seal the volume through the joint connection, with the enclosed volume being able to contain in particular a medical and/or chemical preparation.
Beispielsweise kann der erste Fügepartner zylinderförmig ausgebildet sein und ein medizinisches und/oder chemisches Präparat enthalten. Der zweite Fügepartner kann eine Platte sein, die die Öffnung des Zylinders abdeckt. Durch die Fügeverbindung kann das Volumen mit dem medizinischen und/oder chemischen Präparat hermetisch verschlossen werden, so dass das Präparat weder ausgasen noch auslaufen kann und durch Umwelteinflüsse wie beispielsweise eine hohe Feuchte beschädigt werden kann.For example, the first joining partner can be cylindrical and contain a medical and/or chemical preparation. The second joining partner can be a plate that covers the opening of the cylinder. The volume with the medical and/or chemical preparation can be hermetically sealed by the joint connection, so that the preparation can neither outgas nor leak and can be damaged by environmental influences such as high humidity.
Insbesondere kann durch das Fügen der Fügepartner und die Ausgestaltung der Fügenaht eine feste und dichte, insbesondere auch gasdichte Verbindung erzeugt werden, die aber bei Belastung als Sollbruchstelle wirkt.In particular, by joining the joining partners and the design of the joining seam, a strong and tight, in particular also gas-tight connection can be produced, which, however, acts as a predetermined breaking point under load.
Die Erfindung ermöglicht es demnach Bauteile, beispielsweise Hülsen, Ampullen und/oder Behältnisse für medizinische und/oder chemische Präparate, gasdicht und ohne den Einsatz zusätzlicher Materialien und Kleber zu verschließen und anschließend wieder definiert zu öffnen.The invention therefore enables components, for example sleeves, ampoules and/or containers for medical and/or chemical preparations, to be closed in a gas-tight manner and without the use of additional materials and adhesives and then opened again in a defined manner.
Aufgrund der hohen Festigkeiten laser-geschweißter Proben sind neuartige (schlanke) Design-Möglichkeiten denkbar. Insbesondere ist ein mechanisches Ritzen der Behältnisse nicht mehr notwendig und es entsteht beim Verschließen der Behältnisse auch keine thermische Beeinträchtigung des Präparats.Due to the high strength of laser-welded samples, new (slim) design options are conceivable. In particular, mechanical scoring of the containers is no longer necessary and there is no thermal impairment of the preparation when the containers are closed.
Die mittlere Leistung des Laserspots kann zwischen 0,5W und 50W liegen.The average power of the laser spot can be between 0.5W and 50W.
Die mittlere Leistung des Laserspots Ls ist bei einem Einzelpuls definiert als das Produkt aus Pulsenergie E, Repetitionsrate PE des Einzelpulses und Anzahl der Einzelpulse NE: LS,E = E * PE * NE The average power of the laser spot Ls is defined for a single pulse as the product of pulse energy E, repetition rate P E of the single pulse and number of single pulses N E : L S,E = E * P E * N E
Die mittlere Leistung des Laserspots bei einem Burst ist definiert als das Produkt aus Pulsenergie E, Anzahl der Pulse pro Burst NP, Anzahl der Bursts NE sowie aus der Repetitionsrate mit der die Bursts abgegeben werden PE: LS,P = E *NP * PE * NE. Die mittlere Leistung des Laserspots bei einem Burst wird somit im Vergleich zur mittleren Leistung beim Einzelpuls lediglich mit der Anzahl der Laserpulse pro Burst skaliert: LS,P = LS,E * NP.The average power of the laser spot in a burst is defined as the product of the pulse energy E, the number of pulses per burst N P , the number of bursts N E and the repetition rate at which the bursts are emitted P E : L S,P = E * N P * P E * N E . The average power of the laser spot during a burst is thus scaled only with the number of laser pulses per burst compared to the average power of a single pulse: L S,P = L S,E * N P .
Die Leistung kann beispielsweise Laser-intern oder extern durch eine Polarisationsoptik reduziert und/oder angepasst werden.The power can be reduced and/or adjusted, for example, inside the laser or externally by polarization optics.
Die Pulsenergie der Laserpulse kann zeitlich moduliert werden, bevorzugt bei gleichbleibender mittlerer Leistung, wobei die Modulationsfrequenz bevorzugt zwischen 100Hz und 10kHz liegt.The pulse energy of the laser pulses can be modulated over time, preferably with the average power remaining the same, with the modulation frequency preferably being between 100 Hz and 10 kHz.
Zeitlich moduliert bedeutet, dass die Pulsenergie während einer Modulationsdauer verändert wird, wobei die Modulationsdauer durch die inverse Modulationsfrequenz gegeben ist. Die Modulationsfrequenz gibt hierbei an, auf welcher Zeitskala sich die Modulationsform wiederholt. Insbesondere bedeutet eine Modulation der Pulsenergie, dass die Pulsenergie während der Modulationsdauer größer oder kleiner werden kann. Die Modulationsform gibt hierbei an, welcher mathematischen Funktion die Pulsenergie während der Modulationsdauer folgt.Temporally modulated means that the pulse energy is changed during a modulation period, the modulation period being given by the inverse modulation frequency. The modulation frequency indicates the time scale on which the modulation form is repeated. In particular, a modulation of the pulse energy means that the pulse energy can become larger or smaller during the modulation period. The modulation form indicates which mathematical function the pulse energy follows during the modulation period.
Die modulierte Pulsenergie von Puls zu Puls führt dazu, dass es Zeiten gibt, in denen weniger Pulsenergie in die oder den Fügepartner eingebracht wird und eine Temperaturrelaxation stattfinden kann. Es kann auch Zeiten geben, in denen mehr Energie eingebracht werden kann als ohne die Modulation.The modulated pulse energy from pulse to pulse means that there are times when less pulse energy is introduced into the joining partner(s) and temperature relaxation can take place. There may also be times when more energy can be injected than without the modulation.
Beispielsweise kann eine zeitliche Modulation dadurch erreicht werden, dass die Intensität der Fügepulse variiert wird. Beispielsweise kann ein starker Fügepuls abgegeben werden und anschließend zwei Fügepulse mit der Hälfte der Intensität. Die zeitliche Modulation beinhaltet aber auch, dass danach wieder ein starker Fügepuls gefolgt von zwei abgeschwächten Fügepulsen vom Laser abgegeben wird.For example, a temporal modulation can be achieved by varying the intensity of the joining pulses. For example, a strong joining pulse can be emitted followed by two joining pulses with half the intensity. However, the temporal modulation also means that the laser then emits a strong joining pulse, followed by two weakened joining pulses.
Die Laserpulse eines Bursts können jeweils einen zeitlichen Abstand von höchstens 1µs, bevorzugt zwischen 0,05ns und 1000ns, zueinander aufweisen und die Bursts der Abfolge von Bursts können jeweils einen zeitlichen Abstand von mindestens 2µs, bevorzugt zwischen 2µs und 1000µs, zueinander aufweisen und/oder die Einzelpulse der Abfolge von Einzelpulsen können jeweils einen zeitlichen Abstand von mindestens 0,02µs, bevorzugt zwischen 0,02µs und 1000µs, zueinander aufweisen.The laser pulses of a burst can each have a time interval of at most 1 µs, preferably between 0.05 ns and 1000 ns, and the bursts of the sequence of bursts can each have a time interval of at least 2 µs, preferably between 2 µs and 1000 µs, and/or the individual pulses of the sequence of individual pulses can each have a time interval of at least 0.02 μs, preferably between 0.02 μs and 1000 μs, from one another.
Das hat den Vorteil, dass für viele verschiedene Materialien geeignete Fügeparameter gefunden werden können, so dass die Festigkeit der Fügeverbindung besonders einfach eingestellt werden kann. Insbesondere werden durch die zeitlichen Abstände die Abkühlphasen der Fügepartner, beziehungsweise die Wärmeakkumulation in dem Fügebereich gesteuert, so dass besonders hochwertige und insbesondere spannungs- und rissfreie Fügenähte und Fügeverbindungen erzeugt werden können.This has the advantage that suitable joining parameters can be found for many different materials, so that the strength of the joint can be set particularly easily. In particular, the cooling phases of the joining partners or the accumulation of heat in the joining area are controlled by the time intervals, so that particularly high-quality and in particular stress-free and crack-free joining seams and joints can be produced.
Die zeitlichen Abstände der Laserpulse aller zum Fügen verwendeten Bursts können gleich lang sein und/oder die zeitlichen Abstände zwischen den Bursts für alle zum Fügen verwendeten Bursts können gleich lang sein und/oder alle zeitlichen Abstände zwischen allen zum Fügen verwendeten Einzelpulsen können gleich lang sein.The time intervals between the laser pulses of all bursts used for joining can be the same length and/or the time intervals between the bursts for all bursts used for joining can be the same length and/or all time intervals between all the individual pulses used for joining can be the same length.
Somit können die zeitlichen Abstände der Laserpulse durch eine feste Repetitionsfrequenz bestimmt werden. Indem eine feste Repetitionsfrequenz verwendet wird, kann insbesondere der Betrieb des Lasersystems stabilisiert werden.The time intervals between the laser pulses can thus be determined by a fixed repetition frequency. In particular, the operation of the laser system can be stabilized by using a fixed repetition frequency.
Beispielsweise können die Laserpulse eines Bursts dann eine Repetitionsfrequenz zwischen 50GHz und 1MHz aufweisen und die Bursts der Abfolge von Bursts können eine Repetitionsfrequenz zwischen 500kHz und 1 kHz aufweisen und/oder der Abfolge von Einzelpulsen können eine Repetitionsfrequenz zwischen 50 MHz und 1 kHz aufweisen.For example, the laser pulses of a burst can then have a repetition frequency between 50 GHz and 1 MHz and the bursts of the sequence of bursts can have a repetition frequency between 500 kHz and 1 kHz and/or the A sequence of individual pulses can have a repetition frequency between 50 MHz and 1 kHz.
Die zeitlichen Abstände der Laserpulse aller zum Fügen verwendeten Bursts können gleich lang sein und/oder die zeitlichen Abstände zwischen den Bursts können für alle zum Fügen verwendeten Bursts gleich lang sein und/oder alle zeitlichen Abstände zwischen allen zum Fügen verwendeten Einzelpulsen können gleich lang sein.The time intervals between the laser pulses of all bursts used for joining can be the same length and/or the time intervals between the bursts can be the same length for all bursts used for joining and/or all the time intervals between all the individual pulses used for joining can be the same length.
Insbesondere können somit die Pulse mit einer vorgegebenen Frequenz in die Fügepartner eingebracht werden, so dass eine besonders einfach Steuerelektronik zur Steuerung des Lasers oder zur Pulserzeugung und - Pulsabgabe verwendet werden kann.In particular, the pulses can thus be introduced into the joining partners with a predetermined frequency, so that particularly simple control electronics can be used to control the laser or to generate and emit pulses.
Die Laserwellenlänge kann zwischen 200nm und 5000nm liegen, bevorzugt bei 1000nm, und/oder die Pulsdauer der Laserpulse kann zwischen 10fs und 50ps liegen, und/oder der Laserstrahl kann in eine Fokuszone in den Fügepartnern fokussiert sein und die Fluenz in der Fokuszone kann größer als 0.01 J/cm2 für einen einzelnen Einzelpuls beziehungsweise einen Laserpuls eines Bursts ist.The laser wavelength can be between 200nm and 5000nm, preferably 1000nm, and/or the pulse duration of the laser pulses can be between 10fs and 50ps, and/or the laser beam can be focused in a focal zone in the joining partners and the fluence in the focal zone can be greater than 0.01 J/cm 2 for a single single pulse or a laser pulse of a burst.
Diese Parameter erlauben es, die Wärmeakkumulation in den Fügepartnern zu steuern, Spannungen zu reduzieren und höhere Festigkeiten der Fügeverbindung zu generieren. Insbesondere ist es so auch möglich die Prozessparameter an die jeweiligen Materialien der Fügepartner anzupassen.These parameters make it possible to control the accumulation of heat in the joint partners, to reduce stress and to generate higher strengths in the joint. In particular, it is also possible to adapt the process parameters to the respective materials of the joining partners.
Beispielsweise kann die Wellenlänge des ultrakurzen Laserpulses 1030 nm betragen, wobei die Pulsdauer eines Einzelpulses 400 fs beträgt, der Abstand der Pulse 20 ns beträgt, was einer Repetitionsrate von 50 MHz entspricht, und die Fluenz im Fokus beispielsweise 75 J/cm2 beträgt.For example, the wavelength of the ultra-short laser pulse can be 1030 nm, the pulse duration of a single pulse being 400 fs, the pulse spacing being 20 ns, which corresponds to a repetition rate of 50 MHz, and the fluence in the focus being 75 J/cm 2 , for example.
Der Laserstrahl und die Fügepartner können relativ zueinander mit einem Vorschubzwischen 0,01 mm/s und 1000mm/s bewegt und/oder positioniert werden.The laser beam and the joining partners can be moved and/or positioned relative to each other with a feed between 0.01 mm/s and 1000 mm/s.
Relativ zu einander bewegt kann bedeuten, dass entweder der Laserstrahl oder die Fügepartner oder sowohl der Laserstrahl als auch die Fügepartner bewegt werden. Dadurch kann erreicht werden, dass der Laserstrahl an unterschiedlichen Orten der Fügepartner Fügeverbindungen einbringt. Insbesondere ist es dadurch möglich eine zusammenhängende Schweißnaht zwischen den beiden Fügepartnern zu erzeugen.Moving relative to each other can mean that either the laser beam or the joining partners or both the laser beam and the joining partners are moved. In this way it can be achieved that the laser beam introduces joints at different locations of the joint partners. In particular, this makes it possible to produce a continuous weld seam between the two joining partners.
Die Bewegung kann dabei mit einem Vorschub geschehen, wobei während des Vorschubs kontinuierlich Laserpulse oder Bursts in die Fügepartner eingebracht werden können. Eine Positionierung der Fügepartner relativ zum Laserstrahl besteht darin, dass die Fokuszone des Laserstrahls in die gewünschte Eindringtiefe und in den gewünschten Ort eingebracht wird.The movement can take place with a feed, with laser pulses or bursts being able to be introduced continuously into the joining partners during the feed. A positioning of the joining partners relative to the laser beam consists in bringing the focus zone of the laser beam into the desired penetration depth and into the desired location.
Der Laserstrahl kann ein quasi nicht-beugender Laserstrahl sein, bevorzugt ein Besselstrahl oder ein Gauß-Bessel-Strahl sein, und der Laserstrahl kann bevorzugt eine in Strahlausbreitungsrichtung elongierte Fokuszone aufweist.The laser beam can be a quasi non-diffracting laser beam, preferably a Bessel beam or a Gauss-Bessel beam, and the laser beam can preferably have a focal zone that is elongated in the beam propagation direction.
Unter nicht-beugenden Strahlen und/oder Bessel-artigen Strahlen sind insbesondere Strahlen zu verstehen, bei welchen eine transversale Intensitätsverteilung propagationsinvariant ist. Non-diffracting rays and/or Bessel-like rays are to be understood in particular as rays in which a transverse intensity distribution is propagation-invariant.
Insbesondere ist bei nicht-beugenden Strahlen und/oder Bessel-artigen Strahlen eine transversale Intensitätsverteilung längs der Strahlausbreitungsrichtung im Wesentlichen konstant.In particular, in the case of non-diffractive beams and/or Bessel-type beams, a transverse intensity distribution is essentially constant along the beam propagation direction.
Zudem wird unter der Fokuszone des Bearbeitungslaserstrahls stets der Teil der Intensitätsverteilung des Bearbeitungslaserstrahls verstanden, der größer als die Modifikationsschwelle des Materials ist. Das Wort Fokuszone verdeutlicht hierbei, dass dieser Teil der Intensitätsverteilung gezielt bereitgestellt wird und durch eine Fokussierung eine Intensitätsüberhöhung in Form der Intensitätsverteilung erreicht wird.In addition, the focal zone of the processing laser beam is always understood to mean that part of the intensity distribution of the processing laser beam that is greater than the modification threshold of the material. The word focal zone makes it clear that this part of the intensity distribution is provided in a targeted manner and that an intensity increase in the form of the intensity distribution is achieved by focusing.
Hinsichtlich der Definition und Eigenschaften nicht-beugender Strahlen wird auf das Buch „Structured Light Fields: Applications in Optical Trapping, Manipulation and Organisation“, M. Wördemann, Springer Science & Business Media (2012), ISBN 978-3-642-29322-1 verwiesen. Hierauf wird ausdrücklich und vollinhaltlich Bezug genommen.With regard to the definition and properties of non-diffracting rays, reference is made to the book "Structured Light Fields: Applications in Optical Trapping, Manipulation and Organization", M. Wördemann, Springer Science & Business Media (2012), ISBN 978-3-642-29322- 1 referenced. This is expressly and fully referred to.
Nicht-beugende Laserstrahlen weisen demnach den Vorteil auf, dass sie eine in Strahlausbreitungsrichtung elongierte Fokuszone haben können, die deutlich größer als die transversalen Abmessungen der Fokuszone sind. Insbesondere kann dadurch eine in Strahlausbreitungsrichtung elongierte Materialmodifikation erzeugt werden, um beispielsweise ein besonders festes Fügen der Fügepartner zu ermöglichen.Accordingly, non-diffracting laser beams have the advantage that they can have a focal zone that is elongated in the direction of beam propagation and that is significantly larger than the transverse dimensions of the focal zone. In particular, a material modification that is elongated in the beam propagation direction can be produced in this way, in order to enable a particularly strong joining of the joining partners, for example.
Insbesondere lassen sich mittels nicht-beugender Strahlen elliptische nicht-beugende Strahlen erzeugen, die eine nicht-radialsymmetrische transversale Fokuszone aufweisen. Beispielsweise weisen elliptische quasi nicht-beugende Strahlen ein Hauptmaximum auf, welches mit dem Zentrum des Strahls zusammenfällt. Das Zentrum des Strahls ist hierbei gegeben durch den Ort, an dem sich die Hauptachsen der Ellipse schneiden. Insbesondere können sich elliptische quasi nicht-beugende Strahlen aus der Überlagerung mehrerer Intensitätsmaxima ergeben, wobei in diesem Fall lediglich die Einhüllende der beteiligten Intensitätsmaxima elliptisch ist. Insbesondere müssen die einzelnen Intensitätsmaxima kein elliptisches Intensitätsprofil aufweisen.In particular, non-diffracting beams can be used to generate elliptical non-diffracting beams that have a non-radially symmetrical transverse focal zone. For example, elliptical quasi-non-diffracting rays have a main maximum that coincides with the center of the ray. The center of the ray is given by the place where the main axes of the ellipse intersect. In particular, elliptical, quasi non-diffracting beams can result from the superimposition of several intensity measurements xima result, in which case only the envelope of the intensity maxima involved is elliptical. In particular, the individual intensity maxima do not have to have an elliptical intensity profile.
Beispielsweise kann ein nicht-beugender Strahl aus einem ebenen Wellenfeld, beziehungsweise aus parallelen Teillaserstrahlen erzeugt werden, wenn alle Teillaserstrahlen unter demselben Winkel β zur optischen Achse des Laserstrahls gebrochen werden. Dies hat zur Folge, dass achsnahe Teillaserstrahlen bereits kurz nach der Bearbeitungslaserstrahlformoptik auf der optischen Achse überlappen und so eine erhöhte Laserintensität ausbilden, während achsferne Strahlen erst später nach der Bearbeitungslaserstrahlformoptik überlappen und eine erhöhte Laserstrahlintensität ausbilden. So kann über eine longitudinale Länge parallel zur Strahlausbreitungsrichtung eine im Wesentlichen konstante Laserintensität erzeugt werden.For example, a non-diffracting beam can be generated from a plane wave field or from parallel partial laser beams if all partial laser beams are refracted at the same angle β to the optical axis of the laser beam. As a result, the partial laser beams close to the axis overlap shortly after the processing laser beam shaping optics on the optical axis and thus form an increased laser intensity, while off-axis rays overlap later after the processing laser beam shaping optics and form an increased laser beam intensity. A substantially constant laser intensity can thus be generated over a longitudinal length parallel to the beam propagation direction.
Die reale Laseroptik kann jedoch optische Abbildungsfehler aufweisen. Zudem kann eine optische Justage fehlerhaft sein, so dass die Teillaserstrahlen unter verschiedenen Winkeln zur optischen Achse gebrochen werden. Dadurch kann es zu einer systematischen Abweichung des Brechungswinkels β kommen. Dementsprechend kann die Intensitätsverteilung in der Fokuszone - wo die verschiedeneren Teillaserstrahlen überlappen - von der eines idealen nicht-beugenden Referenzlaserstrahls abweichen.However, the real laser optics can have optical aberrations. In addition, an optical adjustment can be faulty, so that the partial laser beams are refracted at different angles to the optical axis. This can lead to a systematic deviation of the angle of refraction β. Accordingly, the intensity distribution in the focal zone - where the different partial laser beams overlap - can deviate from that of an ideal non-diffracting reference laser beam.
Die oben gestellte Aufgabe wird weiterhin durch einen Behälter für medizinische und/oder chemische Präparate mit den Merkmalen des Anspruchs 16 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der vorliegenden Beschreibung und den Figuren.The object set above is also achieved by a container for medical and/or chemical preparations having the features of claim 16. Advantageous developments of the method result from the dependent claims and the present description and the figures.
Entsprechend wird ein Behälter für medizinische und/oder chemische Präparate vorgeschlagen, umfassend einen ein Volumen umschließenden Fügepartner und einen als Verschluss dienenden Fügepartner, wobei das Volumen das medizinische und/oder chemische Präparat enthält. Erfindungsgemäß werden die Fügepartner mittels ultrakurzer Laserpulse eines Laserstrahls eines Ultrakurzpulslasers entlang mindestens einer Fügenahttrajektorie gefügt, wobei mindestens einer der Fügepartner transparent für die verwendete Laserwellenlänge ist, mindestens eine Fügenaht entlang der mindestens einen Fügenahttrajektorie geschlossen ist und die Festigkeit der Fügeverbindung geringer ist als die Festigkeit des schwächsten Fügepartners.Accordingly, a container for medical and/or chemical preparations is proposed, comprising a joining partner enclosing a volume and a joining partner serving as a closure, with the volume containing the medical and/or chemical preparation. According to the invention, the joining partners are joined by means of ultra-short laser pulses of a laser beam from an ultra-short pulse laser along at least one joining seam trajectory, with at least one of the joining partners being transparent to the laser wavelength used, at least one joining seam along the at least one joining seam trajectory being closed and the strength of the joint connection being lower than the strength of the weakest joining partner.
Bevorzugt umfasst ein erster Fügepartner ein Metall oder besteht aus Metall und ein weiter Fügepartner umfasst ein Glas oder besteht aus Glas, oder dass mindestens zwei miteinander gefügte Fügepartner Kunststoff oder Glas umfassen oder aus Kunststoff oder Glas bestehen.A first joining partner preferably comprises a metal or consists of metal and a further joining partner comprises glass or consists of glass, or that at least two joining partners joined together comprise plastic or glass or consist of plastic or glass.
Das hat den Vorteil, dass besonders robuste Behälter hergestellt werden können. Insbesondere können auch Behälter hergestellt werden, die nicht oder kaum chemisch mit den Präparaten wechselwirken, so dass im Behälter eine längere Haltbarkeit der Präparate als außerhalb des Behälters realisiert werden kann.This has the advantage that particularly robust containers can be produced. In particular, containers can also be produced which have little or no chemical interaction with the preparations, so that the preparations can be kept longer inside the container than outside the container.
Die Festigkeit der Fügeverbindung kann durch den Anteil der durch die Fügeverbindung überdeckten Fügefläche zur gesamten Stoßfläche eingestellt werden, wobei die Stoßfläche gegeben ist durch die Fläche an der die Fügepartner aneinander anliegen. Bevorzugt kann er Anteil der Fügefläche zur gesamten Stoßfläche kleiner als 50% sein, bevorzugt kleiner als 25% sein, sofern ein erster Fügepartner ein Metall ist und ein weiterer Fügepartner ein Glas ist. Bevorzugt kann der Anteil der Fügefläche zur gesamten Stoßfläche insbesondere durch einbringen mehrerer Fügenähte eingestellt werden. Bevorzugt kann durch die Festigkeit der Fügenaht kann eine Kraft zum Brechen der Fügenaht gegeben sein, wobei die Fügenaht als Sollbruchstelle zwischen den Fügepartnern ausgebildet ist.The strength of the joint can be adjusted by the proportion of the joint surface covered by the joint to the entire abutting surface, the abutting surface being defined by the surface on which the joint partners rest against one another. It can preferably be less than 50%, preferably less than 25%, of the joint surface to the entire joint surface, provided that a first joint partner is a metal and a further joint partner is a glass. The proportion of the joint surface to the entire abutment surface can preferably be adjusted, in particular by introducing several joint seams. The strength of the joining seam can preferably provide a force for breaking the joining seam, with the joining seam being designed as a predetermined breaking point between the joining partners.
Durch das Einstellen der Festigkeit und die dadurch benötigte Kraft zum Brechen der Verbindung entlang der Sollbruchstelle kann insbesondere ermöglicht werden, dass der Behälter beispielsweise mit nur einer Hand geöffnet werden kann, oder aber nur mit zwei Händen geöffnet werden kann. Je nach enthaltenem Präparat kann eine entsprechende Handhabung des Behälters gefordert sein.By adjusting the strength and the force required as a result to break the connection along the predetermined breaking point, it can be made possible in particular that the container can be opened with just one hand, for example, or can be opened with only two hands. Depending on the preparation contained, appropriate handling of the container may be required.
Figurenlistecharacter list
Bevorzugte weitere Ausführungsformen der Erfindung werden durch die nachfolgende Beschreibung der Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
-
1 einen schematischen Aufbau zur Durchführung des Verfahrens; -
2A, B ,C ,D eine schematische Darstellung der Durchführung des Verfahrens und einen entsprechend hergestellten Behälter; -
3A, B ,C ,D , E eine schematische Darstellung zur Einstellung der Festigkeit der Fügeverbindung; -
4A, B ,C verschiedene Laserpulskonfigurationen zum Fügen der Fügepartner; -
5 eine Fügeverbindung bestehend aus mehreren Fügenähten; -
6A, B ,C ,D verschiedene mögliche Laserstrahlprofile; und -
7A, B zeitlich modulierte Laserpulskonfigurationen.
-
1 a schematic structure for carrying out the method; -
2A, B ,C ,D a schematic representation of the implementation of the method and a correspondingly manufactured container; -
3A, B ,C ,D , E a schematic representation for adjusting the strength of the joint; -
4A, B ,C different laser pulse configurations for joining the joining partners; -
5 a joint connection consisting of several joint seams; -
6A, B ,C ,D various possible laser beam profiles; and -
7A, B time-modulated laser pulse configurations.
Detaillierte Beschreibung bevorzugter AusführungsbeispieleDetailed description of preferred embodiments
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der Figuren beschrieben. Dabei werden gleiche, ähnliche oder gleichwirkende Elemente in den unterschiedlichen Figuren mit identischen Bezugszeichen versehen, und auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente wird teilweise verzichtet, um Redundanzen zu vermeiden.Preferred exemplary embodiments are described below with reference to the figures. Elements that are the same, similar or have the same effect are provided with identical reference symbols in the different figures, and a repeated description of these elements is sometimes dispensed with in order to avoid redundancies.
In
Ein Ultrakurzpulslaser 4 stellt ultrakurze Laserpulse eines Laserstrahls 5 zur Verfügung. Diese können in Form einer Abfolge von Einzelpulsen oder in Form einer Abfolge von Bursts in die Fügepartner 3, 8 eingebracht werden.An ultra-short pulse laser 4 provides ultra-short laser pulses of a
Dabei kann die mittlere Leistung des Laserspots zwischen 0,5W und 50W liegen. Die Laserpulse eines Bursts können jeweils einen zeitlichen Abstand von höchstens 1µs, bevorzugt zwischen 0,05ns und 1000ns, zueinander aufweisen und die Bursts der Abfolge von Bursts können jeweils einen zeitlichen Abstand von mindestens 2µs, bevorzugt zwischen 2µs und 1000µs, zueinander aufweisen und/oder die Einzelpulse der Abfolge von Einzelpulsen können jeweils einen zeitlichen Abstand von mindestens 0,02µs, bevorzugt zwischen 0,02µs und 1000µs, zueinander aufweisen.The average power of the laser spot can be between 0.5W and 50W. The laser pulses of a burst can each have a time interval of at most 1 µs, preferably between 0.05 ns and 1000 ns, and the bursts of the sequence of bursts can each have a time interval of at least 2 µs, preferably between 2 µs and 1000 µs, and/or the individual pulses of the sequence of individual pulses can each have a time interval of at least 0.02 μs, preferably between 0.02 μs and 1000 μs, from one another.
Die zeitlichen Abstände der Laserpulse aller zum Fügen verwendeten Bursts kann gleich lang sein und/oder die zeitlichen Abstände zwischen den Bursts für alle zum Fügen verwendeten Bursts kann gleich lang sein und/oder alle zeitlichen Abstände zwischen allen zum Fügen verwendeten Einzelpulsen kann gleich lang sein.The time intervals between the laser pulses of all bursts used for joining can be the same length and/or the time intervals between the bursts for all bursts used for joining can be the same length and/or all time intervals between all the individual pulses used for joining can be the same length.
Die Laserwellenlänge kann zwischen 200nm und 5000nm liegen, bevorzugt bei 1000nm liegen, und/oder die Pulsdauer der Laserpulse kann zwischen 10fs und 50ps liegen Der Laserstrahl 5 wird durch eine hier sehr schematisch gezeigte, geeignete Fokussieroptik 6 so fokussiert, dass die Fokuszone F, also der Bereich der Intensitätsüberhöhung des Laserstrahls 5, in etwa mit der gemeinsamen Grenzfläche 7 der beiden Fügepartner 3, 8 zusammenfällt.The laser wavelength can be between 200 nm and 5000 nm, preferably 1000 nm, and/or the pulse duration of the laser pulses can be between 10 fs and 50 ps the area of the intensity increase of the
Beispielsweise kann die Fluenz in der Fokuszone F mindestens 0,01J/cm2 betragen. Durch eine Fokussierung mit der Fokussieroptik 6 kann hier insbesondere die Eintragshöhe der Fokuszone F relativ zur in Strahlrichtung ersten Oberfläche des Fügepartners 8 bestimmt werden. Um den Laserstrahl 5 in die gemeinsame Grenzfläche 7 der Fügepartner 3, 8 zu fokussieren, muss der in Strahlausbreitungsrichtung erste Fügepartner 8 transparent für die Wellenlänge des Lasers 4 sein.For example, the fluence in the focal zone F can be at least 0.01J/cm 2 . By focusing with the focusing
An der Grenzfläche 7 werden in der Fokuszone F aufeinander folgende Laserpulse derart absorbiert, dass das Material der Fügepartner 3, 8 aufschmilzt und sich über die Grenzfläche 7 hinweg mit dem jeweils anderen Fügepartner 8, 3 verbindet. Sobald die Schmelze abkühlt, entsteht eine dauerhafte Verbindung der beiden Fügepartner 3, 8. Mit anderen Worten werden die beiden Fügepartner 3, 8 in diesem Bereich miteinander durch Schweißen gefügt. Dieser Bereich, in dem das Aufschmelzen und Verbinden der Materialien sowie das nachfolgende Abkühlen der Schmelze stattfindet und in dem entsprechend das eigentliche Fügen stattfindet, wird auch als Fügebereich bezeichnet. Die abgekühlte Schmelze und materielle Verbindung der Fügepartner 3, 8 bildet eine Schweißnaht aus.At the boundary surface 7, successive laser pulses are absorbed in the focus zone F in such a way that the material of the joining
Der Laserstrahl und die Fügepartner können relativ zueinander mit einem Vorschub VG zwischen 0,01 mm/s und 1000mm/s bewegt und/oder positioniert werden. Hierfür können die Fügepartner beispielsweise auf einer Vorschubvorrichtung (nicht gezeigt) positioniert werden. Dadurch kann beispielsweise erreicht werden, dass der Laserstrahl entlang einer Fügenahttrajektorie über die Fügepartner verfahren wird, so dass die Fügepartner entlang der Fügenahttrajektorie gefügt werden können.The laser beam and the joining partners can be moved and/or positioned relative to each other with a feed VG between 0.01 mm/s and 1000 mm/s. For this purpose, the joining partners can be positioned, for example, on a feed device (not shown). As a result, it can be achieved, for example, that the laser beam is moved over the joining partners along a joining seam trajectory, so that the joining partners can be joined along the joining seam trajectory.
In den
In
Im vorliegenden Fall umschließt der erste Fügepartner 3 ein Volumen. In dem Volumen können sich beispielsweise bereits medizinische und/oder chemische Präparate oder andere Stoffe wie beispielsweise eine Flüssigkeit (nicht gezeigt) oder ein Pulver befinden. Der zweite Fügepartner 8 wird anschließend auf dem ersten Fügepartner 3 angeordnet, so dass der zweite Fügepartner 8 die Öffnung des ersten Fügepartners 3 bedeckt. Insbesondere ist es auch möglich, den zweiten Fügepartner 8 an den ersten Fügepartner 3 anzudrücken oder anzuklemmen. Die Fläche, an der die beiden Fügepartner 3,8 aneinander anliegen, wird hierbei Stoßfläche 70 genannt.In the present case, the first joining
Der erste Fügepartner 3 und der zweite Fügepartner 8 bilden dementsprechend gemeinsam einen Behälter 2 für medizinische und/oder chemische Präparate aus.Accordingly, the first joining
In
Insbesondere ist die Festigkeit der Fügeverbindung 9 hierbei geringer, als die Festigkeit des schwächsten Fügepartners 3, 8. Dadurch bildet sich entlang der Fügeverbindung 9 eine Sollbruchstelle 94 aus, die beim Aufwenden einer Kraft K bevorzugt bricht. Indem die Festigkeit der Fügeverbindung 9 geringer ist, als die Festigkeit des schwächsten Fügepartners 3, 8, wird beim Aufbringen einer Kraft K lediglich die Fügeverbindung 9 gezielt beschädigt, wobei die Fügepartner 3, 8 nicht beschädigt werden.In particular, the strength of the joint 9 is lower than the strength of the weakest joining
In
Der getrennte Zustand der zuvor gefügten Fügepartner ist in
In
Insbesondere richtet sich demnach die Festigkeit der Fügeverbindung 9 nach der insgesamt durch die Fügeverbindung 9 überdeckten Fläche. Je mehr Fläche gefügt ist, desto fester ist die Fügeverbindung 9.In particular, the strength of the
Eine im Vergleich zur
Es ist aber auch möglich, wie in
Beispielsweise kann die insgesamt ausgebildete Fügeverbindung 9 aus
In
In
Es sind auch Kombinationen aus mindestens einer geschlossenen Fügenaht und mindestens einer nicht geschlossenen Fügenaht denkbar.Combinations of at least one closed joint seam and at least one non-closed joint seam are also conceivable.
In
Beispielsweise können die Fügepartner 3, 8 besonders vorteilhaft mit einer Abfolge von Einzelpulsen gefügt werden. Die Einzelpulse weisen hierbei einen zeitlichen Abstand von mindestens 0,02µs, bevorzugt einen Abstand zwischen 0,02µs und 1000µs zueinander auf. Dies ist sehr schematisch in
Es ist aber auch möglich die Fügepartner 3, 8 mit einer Abfolge von Bursts zu fügen. Beispielsweise kann ein Burst genau zwei Laserpulse umfassen. Die Laserpulse des Bursts können hierbei jeweils einen zeitlichen Abstand von höchstens 1µs, bevorzugt zwischen 0,05ns und 1000ns aufweisen. Die Bursts können einen zeitlichen Abstand von mindestens 2µs, bevorzugt zwischen 2µs und 1000µs zueinander aufweisen. Dies ist sehr schematisch in
Insbesondere weisen die Laserpulse innerhalb des Bursts einen gleich großen zeitlichen Abstand auf, so dass durch den zeitlichen Abstand eine Burst-Repetitionsfrequenz gegeben ist. Auch der zeitliche Abstand der Bursts beziehungsweise der Einzellaserpulse ist konstant, so dass die Abgabe der Laserleistung mit einer Repetitionsfrequenz beschrieben werden kann. Im Allgemeinen können die Einzellaserpulse beziehungsweise die Bursts jedoch auch unterschiedliche zeitliche Abstände aufweisen.In particular, the laser pulses within the burst have an equally large time interval, so that a burst repetition frequency is given by the time interval. The time interval between the bursts or the individual laser pulses is also constant, so that the delivery of the laser power can be described with a repetition frequency. In general, however, the individual laser pulses or the bursts can also have different time intervals.
In
Beispielsweise kann die Vorschubgeschwindigkeit VG, also die relative Bewegungsgeschwindigkeit zwischen Laserstrahl 5 und den Fügepartnern 3, 8, zwischen 0,01 und 1000mm/s liegen. Ferner wurde eine Abfolge von Bursts verwendet, wobei jeder Burst vier Laserpulse umfasst hat. Es ist aber auch möglich, die Fügepartner 3, 8 mit einer Abfolge von Einzelpulsen zu fügen.For example, the feed speed VG, ie the relative speed of movement between the
Insbesondere wurden drei Fügenähte 9' erzeugt, womit die Festigkeit der Fügeverbindung insgesamt erhöht wurde. Dadurch ist es möglich eine Kraft K zum Trennen der Fügepartner 3, 8 vorzugeben.In particular, three seams 9' were produced, which increased the overall strength of the joint. This makes it possible to specify a force K for separating the joining
In
In
In
In
In
Die Modulationsform ist Sinus2-förmig, sodass beispielsweise die auf einander folgenden Einzelpulse in ihrer Pulsenergie gemäß der Sinus2-Funktion voneinander abweichen. Analog dazu ist in
Durch die gezeigten Modulationsformen ist es möglich, dass die Fügepartner 3, 8 sich zwischen dem Einbringen der Pulse mit der dargestellten Maximalleistung leicht abkühlen können, so dass der Fügeprozess optimal an die Fügepartner 3, 8 angepasst werden kann.The forms of modulation shown make it possible for the joining
Soweit anwendbar, können alle einzelnen Merkmale, die in den Ausführungsbeispielen dargestellt sind, miteinander kombiniert und/oder ausgetauscht werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.As far as applicable, all individual features that are presented in the exemplary embodiments can be combined with one another and/or exchanged without departing from the scope of the invention.
Bezugszeichenlistereference list
- 11
- Vorrichtungcontraption
- 22
- Behältercontainer
- 33
- Fügepartnerjoining partner
- 44
- Laserlaser
- 55
- Laserstrahllaser beam
- 66
- Fokussieroptikfocusing optics
- 77
- Grenzflächeinterface
- 7070
- Stoßflächeimpact surface
- 88th
- Fügepartnerjoining partner
- 99
- Fügeverbindungjoint connection
- 9'9'
- Fügenahtjoint seam
- 9090
- Fügenahttrajektoriejoint trajectory
- 9292
- Fügeflächemating surface
- 9494
- Sollbruchstelle predetermined breaking point
- KK
- Kraftpower
- Ff
- Fokuszonefocus zone
- VGVG
- Vorschubgeschwindigkeitfeed rate
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
- US 20130068384 A1 [0006]US20130068384A1 [0006]
Claims (18)
Priority Applications (1)
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Family Applications (1)
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