DE4225679A1 - Verfahren und Anlage zum Schweißen von Kunststoffeinzelteilen von Filterelementen oder -systemen für die Medizin- und Labortechnik - Google Patents

Verfahren und Anlage zum Schweißen von Kunststoffeinzelteilen von Filterelementen oder -systemen für die Medizin- und Labortechnik

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DE4225679A1
DE4225679A1 DE19924225679 DE4225679A DE4225679A1 DE 4225679 A1 DE4225679 A1 DE 4225679A1 DE 19924225679 DE19924225679 DE 19924225679 DE 4225679 A DE4225679 A DE 4225679A DE 4225679 A1 DE4225679 A1 DE 4225679A1
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DE
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welding
laser
filter
plastic parts
welded
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Geb Bockeroth Grundmann
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PROAQUA PROVITA DEUTSCHLAND GM
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Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Anlage zum Verschweißen von Kunststoffeinzel­ teilen zu Filterelementen oder -systemen für die Medizin- und Labortechnik, insbesondere zum Verschweißen des Gehäuseoberteils und des Gehäuseunterteils eines Steril- Einwegfilterhalters, wobei zwischen den zu verschweißenden Gehäuse teilen eine die dortigen Filtraträume trennende Filterscheibe, welche als Oberflächenfilter, Tiefenfilter oder dgl. wirkt, bypass-dicht festzulegen ist.
Derartige medizintechnische Teile sind in der Regel aus thermoplastischen Werkstoffen gebildet, wobei deren Verschweißung bisher üblicherweise über Ultraschall- Schweißen erfolgt. Es gilt dabei Kunststoffteile unter­ schiedlichster medizintechnischer Elemente, beispielsweise zur sterilen Belüftung und Entnahme von Flüssigkeiten, zur Filtration sowie zur Infusion und Transfusion, insbesondere bzgl. der Gehäuseteile und dem Filtergewebe und der -membrane exakt und dicht miteinander zu verschweißen.
Da dabei oft Maßtoleranzen von 0,02-0,05 mm nicht über­ schritten werden dürfen, und eine erhöhte Festigkeit der Fügenaht erforderlich ist, sind dort Quetschnähte mit speziell gestalteter Fügegeometrie angelegt, welche während des Ultraschall-Schweißens austretende Schmelze aufnehmen, so daß keine Verunreinigungen bzw. Funktions­ störungen am fertigem Produkt durch den Herstellungsprozeß verursacht werden sollen. In der Serienfertigung medizin­ technischer Kunststoffteile ist ein erheblicher ferti­ gungstechnischer Aufwand notwendig, um die strengen Vorschriften über eine sterile Fertigung und Verpackung und die hohen Anforderungen im bezug auf die Maßhaltigkeit der Teile einzuhalten. Es muß dabei eine permanente Qualitätsüberwachung und eine Schweißenergieregelung erfolgen, wobei diese Anlagen mit einer Mikroprozeß­ steuerung auszurüsten sind.
Es ist dabei ein optimierter Energiefluß sicherzustellen, wobei sowohl eine zu geringe, als auch eine zu hohe Schweißenergie zu einer verringerten Qualität der Ver­ bindungsnaht führt. Insbesonders für Dichtschweißungen von dünnwandigen Teilen wird dabei der Fügebereich mit einer Quetschnaht versehen. Die Anlage einer derartigen Quetschnaht erfordert aber einen hohen fertigungs­ technischen Aufwand bei der Herstellung der Fügeteile. Die Ultraschallverschweißung ist dabei insofern nachteilig, als die zu verschweißenden Teile nicht großflächig durch die Fügenaht gekoppelt werden. Bei diesem Schweißverfahren ist dabei eine größere Generatorleistung und höhere Amplitude notwendig, so daß sich hohe Investitionskosten einer Ultraschall-Schweißmaschine ergeben. Sofern die Fügeteile insbesondere bezüglich der Anlage der Quetsch­ naht nicht richtig konstruiert und maßgenau gefertigt sind, besteht die Gefahr, daß die Schmelze in der Fügezone nicht tatsächlich eingebettet wird. Sie kann insofern unkontrolliert aus dem Nahtbereich wegspritzen. Es ergibt sich insofern ein undefiniertes Schweißverhalten, eine geringe Festigkeit und eine schlechte Reproduzierbar­ keit der Schweißverbindung sowie eine mangelhafte Dichtigkeit.
Insofern treten in der Praxis sehr oft fehlerhafte Schweißungen aufgrund einer falschen Fügegeometrie, aufgrund rohstoffbedingter Einflüsse und aufgrund fehlender Überprüfung von Herstell- und Verarbeitungs­ bedingungen in den Spritzgußteilen auf.
Einwandfreie Schweißverbindungen lassen sich beim Ultra­ schall-Schweißen nur mit maßgenauen Formteilen erzielen. Derartige Maßgenauigkeit ist aber bei Spritzgußteilen nur innerhalb größerer Toleranzen möglich, so daß sich Ursachen für Fehlschweißungen ergeben. Aufgrund dieser Schwierigkeiten erfolgt in der Praxis eine Überwachung der Schweißnahtgüte und Steuerung der Schweißmaschinen mit Mikroprozessoren und Prozeßüberwachungsgeräten, welche beispielsweise bei Unter- oder Überschreiten des Leistungs­ bedarfes beim Schweißen den Schweißablauf unterbrechen. Störgrößen wie Transformationsstück, Sonotrode, Reibungs­ verluste, Maßtoleranzen der Formteile und schlechte Ankopplung der Sonotrode am Formteil, lassen sich dabei aber nicht vollständig eliminieren.
Ultraschall-Schweißen mit einer Quetschnaht im Füge­ bereich erfüllt dabei verglichen mit anderen Schweißver­ fahren sehr hohe Anforderungen an die Fügenahtfestigkeit, wobei teilkristalline Kunststoffe wie Polyamid verschweiß­ bar sind. An der Fügenaht ist auch eine Gas- und Flüssig­ keitsdichtigkeit erreichbar.
Das Ultraschall-Schweißen ist dabei aber insbesondere aufgrund des hohen fertigungstechnischen Aufwandes für die Anlage der Geometrie der Fügenaht, der erforderlichen Steuer- und Kontrollgeräte zur Prozeßüberwachung, der geforderten engen Maßtoleranzen der Formteile sowie der schlechten Ankopplung der Sonotrode am Formteil von Nachteil.
Es stellt sich insofern die Aufgabe ein Verfahren insbe­ sondere zum Naht-Schweißen von Kunststoffteilen in der Medizin- und Labortechnik der eingangs genannten Art derart zu verbessern und eine Anlage zur Durchführung dieses Verfahrens zu schaffen, so daß das Verschweißen der Kunststoffteile einfacher ist und sich insbesondere mit einem geringeren fertigungstechnischen Aufwand der Fügezonen ergibt, wobei eine ausreichende Sicherheit des Schweißablaufes sich einstellt.
Der apparative Aufwand zur Herstellung labor- und medizin­ technischer Teile soll dabei insofern verringert werden, als durch gemeinsame Fertigungstechniken teilweise gleiche Apparaturen zum Schneiden von Kunststoffteilen oder Filterscheiben und zum Verschweißen dieser Kunststoff­ teile bzw. zum bypass-dichten Einschließen der Filter­ scheiben in Kunststoffilterhalter verwendbar sein sollen. Trotz des geringen fertigungstechnischen und apparativen Aufwandes sollen dabei die Filterelemente und -systeme mit einem geringen Ausfall herstellbar sein, so daß sich bei geringen Herstellungskosten insgesamt eine wirtschaftlichere Herstellung ergibt.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einer Anlage zum Schweißen von Kunststoffeinzelteilen von Filterelementen oder -systemen für die Medizin- und Labortechnik der eingangs genannten Art gemäß kennzeichnenden Teil des Hauptanspruches vorgesehen, daß die über eine Laser­ schneideinrichtung bart- und gratfrei mit hoher Schnitt­ kantengüte geschnittenen Filterscheiben direkt über eine Handhabungseinrichtung in die Filterelemente bzw. zwischen das Gehäuseoberteil und das Gehäuseunterteil des Steril- Einwegfilterhalters eingelegt und/oder die miteinander zu verschweißenden Einzelteile der Filterelemente aufeinander angeordnet werden, daß ferner eine Anpreßvorrichtung vorgesehen ist, mit welcher die Teile der Filterelemente zusammenpreßbar sind und daß ferner wiederum eine Laser­ bearbeitungsanlage verwendet wird, welche nunmehr zum Verschweißen der aus physiologisch unbedenklichen Kunst­ stoff, nämlich aus Polyvenylchlorid, Polycarbonat, Polypropylen, Polysulfon oder Polyamid bestehenden Filter­ teile dient, wobei der Laserstrahler und dessen Schweiß­ optik berührungslos in einem bestimmten vorzugebenden Abstand zum Werkstück entlang der zu schweißenden Fügenaht oder diese über ihre Länge derart entlang der Schweißoptik über ein Handhabungssystem führbar ist und wobei der zu verwendende Laser Laserstrahlen mit einer Wellenlänge und Intensität entsprechend dem Durchlässigkeitsbereich des zu verschweißenden Kunststoffmaterials emittiert.
Im Gegensatz zum Laserschneiden gilt es dabei beim Laserschweißen Laserstrahlung zu verwenden, bei welcher die Eindringtiefe der Strahlung in der Größenordnung der Materialdicke liegt (Volumenabsorption). Bei einer großen Eindringtiefe ist dabei die Absorption in dem zu schweißenden Material so zu wählen, daß sich für das vorliegende Kunststoffmaterial noch ein ausreichender Transmissionsgrad gemäß dem Absorptionsgesetz in Abhängig­ keit von der Materialdicke, der Intensität, der Be­ arbeitungsgeschwindigkeit und der Temperatur des Materials ergibt.
Zum Verschweißen von Hohlzylindern oder Plattenmaterial mit einer Wanddicke von 1 bis 2 mm aus Polyamid oder Poly­ propylen wird dabei vorzugsweise gemäß Anspruch 2 ein Nd: YAG-Laser mit einer Ausgangsleistung von 50-100 Watt bei einer Bearbeitungsgeschwindigkeit von 10 cm/sec. ver­ wendet. Obwohl aufgrund der Wellenlänge dieses Lasers sich gegenüber einem CO2-Gas-Laser mit einer Wellenlänge von 10,6 /µm ein höherer Transmissionsgrad ergibt, ist prinzipell ein CO2-Gas-Laser auch zum Schweißen derartiger Kunststoffteile geeignet, wobei die Eindringtiefen dieser Laserstrahlung kleiner und somit die Dicke der verschweiß­ baren Materialien dünner ist. Insbesondere bei einem CO2- Gas-Laser mit welchem ein Verschweißen von Thermoplasten erfolgen soll, bei welchen sich aufgrund der niedrigen Schmelztemperaturen von 100-300°C eine starke Energieein­ kopplung einstellt, muß somit das Laserschweißen mit einer geringeren Bearbeitungsgeschwindigkeit durchgeführt werden, wobei Wärmestaueffekte durch längere Einwirkung der Laserstrahlung zu vermeiden sind, so daß keine Materialzersetzung oder Verdampfung eintritt. Es ist insofern beim Schweißen dickerer Materialstücke durch CO2- Gas-Laserstrahlung nötig, eine Abstimmung der Be­ arbeitungsparameter zur Vermeidung einer thermischen Zersetzung vorzunehmen. Insofern ist eine Überwachung der Temperatur oder der Veränderung der Materialzusammen­ setzung der Schmelze vorgesehen.
Durch geeignete Einstellung der örtlichen und der zeit­ lichen Intensitätsverteilung im Schweiß- und Schneidpunkt, sowie der Strahlungsintensität, der Bearbeitungsge­ schwindigkeit, des vorgegebenen Absorptionsgrades des Materials, der Materialdicke und dessen optisches Depositionsvolumen lassen sich dabei die Laser- und Bearbeitungsparameter derart einstellen, daß zumindest bei der Herstellung dünnerer thermoplastischer Kunststoffteile (Materialstärke 1 bis 2 mm) sowohl CO2-Gas-Laser als auch geeignet betriebene Festkörperlaser in Form des Nd: YAG- Lasers oder eines Nd: Glas-Lasers zum Schweißen als auch zum Schneiden der Kunststoffteile verwendbar sind.
Gemäß Anspruch 9 erfolgt somit die Verschweißung der Filtergehäuse des Steril-Einmalfilterhalters mit der dort bypass-dicht festzulegenden Filterscheiben in einer Laserbearbeitungsstation, welche sowohl zum Schneiden der Filterscheiben aus bahn- oder bogenförmigen Filtergewebe oder Filtermembranen geeignet ist, als auch zum Ver­ schweißen der Gehäuseteile des Steril-Einwegfilterhalters unter bypass-dichten Einschluß der dort anzulegenden Filterscheiben.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Anlage zum Schweißen von Kunststoffeinzelteilen für die Medizin- und Labor­ technik sowie die Art des dabei zu verwendenden Schweiß­ verfahrens ergeben sich aus den Patentansprüchen und der folgenden Beschreibung der in den Zeichnungen darge­ stellte Ausführungsform einer Anlage zum Schweißen von Kunststoffeinzelteilen.
In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 Eine Laserbearbeitungsanlage zum Verschweißen eines Filtergehäuseoberteils und eines -unterteils eines Einwegfilterhalters, wobei zwischen diesen eine Filterscheibe eingefügt wird, sowie den Aufbau der Laserbearbeitungs­ anlage aus einem Versorgungs- und Prozessor­ teil, einer Laserstrahlquelle und einem Schweißkopf mit Infrarot-Optik, welcher in 3 Ebenen verstellbar ist, sowie eine Handhabungs­ einrichtung zum Andrücken der Filtergehäuse­ teile und zum Drehen dieser Teile mit der zu schweißenden Fügenaht unterhalb des Schweiß­ kopfes;
Fig. 2 Eine Querschnittsdarstellung des Schweißkopfes mit seiner Fokussier- und Bearbeitungsoptik unter Darstellung der Strahlfokussierung und der Zuführung eines inerten, reaktionsträgen Schutzgases;
Fig. 3 Eine schematische Darstellung einer sowohl zum Laserschneiden als auch zum Laserschweißen verwendbaren Fokussier- und Bearbeitungsoptik, wobei über die Verwendung eines Spiegelsystems mit drehbaren Umlenkspiegeln die Wegsteuerung des Laserstrahles zum Ausschneiden der Filterscheibe und zum Anlegen der Schweißnaht erfolgt;
Fig. 4 Eine schematische Darstellung der Verwendung der Laserbearbeitungsanlage gemäß Fig. 1 zum Schneiden von Rundfiltern, bei welcher der Schweißkopf der Anlage nunmehr als Schneid­ kopf benutzt wird und durch dessen Bearbeitungs­ optik durch Laserstrahlschmelzen aus einen über Walzen geführten Membranband die Filter­ scheiben ausschneidbar sind und über ein unteres seitlich auslaufendes Transportband zu ihrer Verpackungsstation transportiert werden.
Die in Fig. 1 dargestellte Laserbearbeitungsanlage (1) dient dort zum Verschweißen eines Filtergehäuseoberteils (30) und eines Filtergehäuseunterteils (31) zu einem Filterhalter, wobei über eine erste Handhabungseinrichtung (29) diese Teile und der zwischen ihnen anzuordnende Rundfilter (2) zu einer zweiten Handhabungseinrichtung (32) transportiert werden.
Die zweite Handhabungseinrichtung (32) dient dabei zur Anordnung der beiden Filtergehäuseteile (30, 31) derart, daß diese mit ihren eine mittige umlaufende Dichtfläche bildenden Flanschstücken aufeinander angeordnet werden, wobei dort gleichzeitig die Filterscheibe (2) mit ihren radialen äußeren umlaufenden Randbereichen festgelegt wird.
Die Verbindung der beiden Filtergehäuseteile erfolgt dabei durch Laserstrahlschmelzen mit der Laserbearbeitungsanlage (1), wobei deren Schweißkopf (5) in geeigneten Abstand oberhalb der anzulegenden Schweißnaht positioniert wird und durch Drehung der zu verschweißenden Fügenaht unter­ halb dieses Schweißkopfes die Verschweißung der beiden Filtergehäuseteile erfolgt. Die Drehung wird dabei durch die zweite Handhabungseinrichtung (32) bewirkt. Insofern wird das Schweißen sowohl durch Bewegung der Infrarot- Bearbeitungsoptik (6, 7) als auch durch Bewegung des zu verschweißenden Materialstücks selbst erreicht.
Die Führung des Schweißkopfes (5) erfolgt dabei über eine Stelleinheit, welche in Form einer Koordinatenschneid­ maschine drei Freiheitsgrade aufweist. Über eine Linear­ einheit (9) ist dabei eine Verstellung des Schweißkopfes (5) in x-Richtung, durch zwei äußere senkrecht dazu rechts und links angelegte Führungsschienen (26, 27) ist dabei eine Verfahrbarkeit in z-Richtung und durch den linearen Stellantrieb (28) eine Verfahrbarkeit senkrecht zu diesen beiden Ebenen in y-Richtung gegeben.
Auf diese Weise kann der Schweißkopf (5) mit seiner Fokussier- und Bearbeitungsoptik (6, 7) in geeigneten Abstand von der zu verschweißenden Fügenaht positioniert werden.
Die in Fig. 1 dargestellte Laserbearbeitungsanlage (1) besteht dabei aus einem Spannungsversorgungs- und Pro­ zessorteil (3), einer Laserstrahlquelle (4), dem Laser­ schweißkopf (5) und der dort angeordneten Fokussier- und Bearbeitungsoptik (6, 7).
Die Stelleinrichtung (8) für den Schweißkopf (5) ist dabei gleichzeitig als Koordinatenschneidmaschine verwendbar, so daß aus einer Filtermembranbahn (11), welche über ein integrierten Transportsystem (10) über einen Schneidtisch (12) diskontinuierlich vorwärtsbewegt wird, Filter (2) nacheinander in einer Reihe auschneidbar sind.
Die Laserstrahlquelle (4) dient dabei sowohl zum Ver­ schweißen der Filtergehäuseteile (30, 31) als auch zum Schneiden der Rundfilter (2) gemäß Fig. 4. Es handelt sich dabei um eine CO2-Gas-Laser mit einer Wellenlänge von 10,6 µm mit einer Ausgangsstrahlleistung von 50 Watt. Bei Einstellung eines Brennpunktdurchmessers von 1 mm ist dabei mit einer ellipsoiden Intensitätsverteilung im Brennfleck eine Verschweißung der Filtergehäuse über einen im Flanschbereich axial vorstehenden umlaufenden Steg mit einer Stegstärke von ca. 1 mm bei einer Schweißge­ schwindigkeit von 0,3 m/sec. möglich. Das Verschweißen erfolgt dabei unter Andruck der Kunststoffteile. Dabei wird durch Temperaturerfassung die Laserleistung und/oder Intensitätsverteilung im Brennfleck so geregelt, daß die Temperatur der Schmelze die Zersetzungstemperatur nicht übersteigt. Sofern Kunststoffwandungen mit einer größeren Materialstärke zu verschweißen sind, wird vorzugsweise ein Nd: YAG-Laser verwendet, welcher bei gleichen Leistungs­ daten eine höhere Eindringtiefe bei einer geringeren Oberflächenabsorption für die zu verschweißenden Kunst­ stoffmaterialien besitzt. Die Filtergehäuseteile bestehen dabei im vorliegenden Beispiel aus Polypropylen oder Polycarbonat.
Das Laserstrahlschmelzschweißen erfolgt dabei unter Schutzgas, welches über den in Fig. 2 dargestellten Schweißkopf (5) einbringbar und koaxial zum Laserstrahl auf die Schweißstelle führbar ist. Durch dieses Schutzgas wird eine Oxidation und Verfärbung des Kunststoffes an der Schweißstelle verhindert.
Die im Schweißkopf dargestellte Bearbeitungsoptik besteht dabei aus ZnSe-Linsen, wobei von diesen die untere Fokussierlinse (6) dargestellt ist. Durch diese Linsen kann der Laserstrahl in geeigneter Weise geweitet und mit unterschiedlicher Brennweite auf die zu schweißende Fügenaht abgebildet werden. Die Zuführung des Schutzgases erfolgt dabei über einen seitlich unterhalb der Fokussier­ optik (6) angelegte Zustromöffnung (22), wobei das Schutzgas zusammen mit dem Laserstrahl an der konisch zulaufenden Spitze des Schweißkopfes (5) durch eine Auslaßöffnung austritt.
Durch das Verschweißen der äußeren umlaufenden Kunststoff­ stege durch Laserstrahlschmelzen ist es dabei gleichzeitig möglich, den dort angrenzenden äußeren Randbereich des eingelegten Rundfilters mit in die Schweißverbindung einzubeziehen. Insofern wird eine optimale Abdichtung dieses Rundfilters unter gleichzeitigen Anpreßdruck zwischen beiden umlaufenden Flanschflächen des Filterge­ häuseoberteils und des Filtergehäuseunterteils erreicht.
Sofern das Verschweißen mit einem Nd: YAG-Laser mit hoher Prozeßgeschwindigkeit erfolgen soll, wird vorzugsweise eine Fokussier- und Bearbeitungsoptik (6, 7) gemäß Fig. 3 verwendet. Bei dieser erfolgt die Führung des Laserstrahls außen über ein Scan-Verfahren um die nicht zu drehende Anordnung aus den beiden Filtergehäuseteilen. Dabei wird der aus den Festkörper-Laser (4) austretende Laserstrahl (18) zur Wegsteuerung über ein Spiegelsystem mit unab­ hängig voneinander drehbaren und kippbaren Ablenkspiegeln (19,20) auf die zu verschweißende Fügenaht abgebildet und über diese entlang geführt.
Die Anordnung der Ablenkspiegel erfolgt dabei vorzugsweise in zueinander senkrechten Drehebenen, um die Strahlführung entsprechend den im Prozeßrechner (3) abgespeicherten Bahnkoordinaten zu vereinfachen.
Das Schneiden der Filterscheiben aus der Filtermaterial­ bahn (11) wird dabei bei Verwendung eines CO2-Gas-Lasers mit einer Wellenlänge von 10,6 µm unter Einstellung eines Brennfleckes von 0,1 bis 0,5 mm Durchmesser und bei Verwendung einer gaußförmigen Energieverteilung im Laserstrahl, wobei der Brennfleck auf den Fokus und der Strahl dort auf das einzige Leistungsdichtemaximum mit maximaler Intensität eingestellt ist, derart durchgeführt, daß ebenfalls vorzugsweise durch Laserstrahlschmelzen das Schneiden der Rundfilter mit einer Schneidgeschwindigkeit von 10 bis 100 m/min erfolgt.
Die Energieeinkopplung erfolgt dabei aber derart, daß zumindest am Anfang zunächst eine Oberflächenabsorption vorliegt, so daß aufgrund des ausgeprägten Absorptions­ maximums der Kunststoffe für eine Wellenlänge von 10,6 µm und der schlechten Wärmeleitfähigkeiten von Kunststoffen sich ein Aufschmelzen des Kunststoffmaterials an der äußeren Schneidstelle ergibt und damit aufgrund der hohen Strahlungsenergiedichte des scharf gebündelten Laser­ strahls schließlich ein Schnitt über die gesamte Material­ stärke.
Gemäß Fig. 4 wird dabei die in einzelne Rundfilter auszuschneidende Filtermembranbahn (11) von einer Vorrats­ walze auf die Ebene des Schneidtisches (12) mit einem diskontinuierlichen Vorschub entsprechend dem Filter­ scheibendurchmesser vorwärtsbewegt, sobald über die Breite der Materialbahn in einer Reihe nebeneinander die Filter­ scheiben (2) ausgeschnitten sind.
Der übrig bleibende Rest dieser ausgeschnittenen Material­ bahn wird dabei als Abfallband (13) auf eine Transport­ walze (14) aufgewickelt.
Die Führung der Materialbahn (11) erfolgt dabei auf dem Schneidtisch (12) derart, daß durch eine Öffnung in diesen oder einen seitlich sich ersteckenden Spalt zwischen dem Schneidtisch und der vorgelagerten Umlenkwalze (17) die ausgeschnittenen Filterscheiben (2) aus der Filtermaterial­ bahn (11) herausfallen und insofern aufgesammelt und zu einer Verpackungsstation (15) abtransportiert werden.
Der Transport der ausgeschnittenen Filterscheiben (2) erfolgt dabei zu der Verpackungsstation (15) durch ein unterhalb der Materialbahn (11) angeordnetes endlos umlaufendes Transportband (16), auf welches die Filter­ scheiben (2) nach ihrem Ausschneiden aus der Filter­ materialbahn (11) fallen.
Über den in der Spannungsversorgung angelegten Prozeß­ rechner (3) erfolgte dabei sowohl beim Verschweißen als auch beim Schneiden der Kunststoff- und Filtermembranteile eine Kontrolle und Steuerung der aufgewandten Stecken­ energie beim Laserstrahlschmelzen. Es wird dabei das Verhältnis zwischen Laserausgangsleistung P und der Bearbeitungsgeschwindigkeit v ermittelt und geregelt. Desweiteren sind zum Laserstrahlschneiden in diesem Prozeßrechner (3) Kontroll- und Steuereinrichtungen zur Einhaltung und Kontrolle des exakt definierten Schnitt­ weges des als Schneidkopf verwendeten Schweißkopfes (5) angelegt. Über ein automatisches Sensorsystem wird dabei der Abstand der Fokussier- und Bearbeitungsoptik (6, 7) sowohl zum Schweißpunkt als auch zum Schnittpunkt auto­ matisch abgetastet und über eine kapazitiv arbeitende Höhenverstellung des Schweiß- bzw. Schneidkopfes (5) automatisch eingestellt und konstant gehalten.
Durch das Laserstrahlschmelzschneiden ist es dabei möglich, die Rundfilter mit einer hohen Schnittkantengüte zu schneiden, wobei im Gegensatz zu herkömmlichen Schneid­ stanzverfahren keine Aussäumungen am äußeren Rand der Filterscheibe sich mehr ergeben. Der Filterrand ist insofern nach dem Laserschneiden bart- und gratfrei.
Durch das zu verwendende Scan-Verfahren ist es dabei möglich Filterscheiben mit unterschiedlichen Durchmesser und unterschiedlicher Kontur zu schneiden. Bei Verwendung eines Spiegelsystems ist es durch bloße Einstellung eines größeren oder kleineren Ablenkwinkels des Umlenk­ spiegels, welcher unmittelbar vor dem zu schneidenden Werkstück angeordnet ist, möglich, dieses mit unterschied­ lichem Durchmesser zu schneiden.
Aufgrund der Führung der Bearbeitungsoptik (7) entlang der Lineareinheit (9) und der Lagerung der verfahrbaren Filtermembranbahn auf dem Schneidtisch ist dabei eine vibrationsarme und exakte Führung der Laseroptik und Membranbahn möglich.
Gemäß Fig. 3 erfolgt dabei eine Kontrolle der Schnitt­ kantengüte zur Erzielung eines grat- und bartfreien Schnittes der Filterscheiben als auch eine Kontrolle des Reflexionsgrades der Laserstrahlung beim Verschweißen dadurch, daß im Strahlengang des Lasers ein halbdurch­ lässiger Spiegel angeordnet ist, über welchen eine Ausblendung des an einer unregelmäßigen Schnittkante oder der zu verschweißenden Fügenaht reflektierten Strahlungs­ anteils möglich ist. Über einen Diskriminator wird dabei bei Überschreiten eines Schwellenwertes der reflektierten Strahlung die Bearbeitungsoptik und die Einstellung der Laserparameter nachgestellt. Insofern kann dann eine optimale Verschweißung der Fügenaht oder ein optimaler Ausschnitt der Filterscheibe erfolgen.
Der Reflexionsgrad dient dabei als Maß zur Einstellung der zur Volumenabsorption notwendigen Laserparameter. Die Messung des Transmissionsgrades erfolgt dabei unmittelbar über eine Photodiode hinter der Schweißstelle bzw. Fügenaht.
Beim Laserstrahlschmelzschweißen wird dabei der Trans­ missionsgrad der Laserstrahlung insofern gemessen, als es gilt die Laserparameter derart zu wählen, daß ein Verschweißen ohne Verbrennung des Kunststoffmaterials erfolgt, wobei die Laserstrahlung eine große Eindringtiefe in das zu verschweißende Material aufweist und dabei insofern die Absorption der Laserstrahlung, insbesondere an der Oberfläche gering ist. Es ist insofern eine Einkopplung der Laserstrahlung im Materialvolumen mit anschließendem Schmelzen ohne Zerstörung des Kunststoffes sicherzustellen.
Zur Ausbildung der Volumenabsorption der Laserstrahlung im Bereich der zu verschweißenden Fügenaht wird dabei zunächst in Abhängigkeit von den sich dort im Schweißpunkt ergebenden Reflexionsanteil der Laserstrahlung die Regelung der Energiedichte und/oder der Intensitäts­ verteilung der Laserstrahlung im Schweißpunkt vorgenommen. Anschließend erfolgt dann zur Einstellung einer aus­ reichenden Größe der Volumenabsorption und der Schweiß­ tiefe bzw. der Eindringtiefe der Laserstrahlung in Abhängigkeit von den momentanen gemessenen Transmissions­ grad hinter der Fügenaht eine weitere Regelung der Energiedichte und/oder Intensitätsverteilung der Laser­ strahlung im Schweißpunkt. Die Transmission wird dabei über die dort angeordnete Diode (33) durchgeführt.
Des weiteren gilt es die Energiedichte und/oder Inten­ sitätsverteilung im Brennfleck bzw. Schweißpunkt derart zu regeln, daß die Temperatur der Schmelze nicht die Zer­ setzungstemperatur des zu verschweißenden Kunststoff­ materials erreicht. Insofern erfolgt ebenfalls über eine Temperaturerfassung der Materialoberfläche und der Schmelze im Schweißpunkt in Abhängigkeit von dieser Temperatur und der vorgegebenen Zersetzungstemperatur der Schmelze eine Regelung der Energiedichte und/oder Inten­ sitätsverteilung im Brennfleck des Lasers.

Claims (20)

1. Anlage zum Verschweißen von Kunststoffteilen von Filter­ elementen oder -systemen für die Medizin- und Labortechnik, insbesondere zum Verschweißen des Gehäuseoberteils und des Gehäuseunterteils eines Steril-Einwegfilterhalters mit einer zwischen den Gehäuse teilen und deren Filtraträumen bypass-dicht anzuordnender Filterscheibe in Form von Oberflächenfiltern, Tiefenfiltern oder dgl. dadurch gekennzeichnet, daß eine Handhabungseinrichtung (29) die durch eine Laser­ schneideinrichtung bart- und gratfrei geschnittenen Filter­ scheiben (2) direkt in die Filterelemente bzw. zwischen das Gehäuseoberteil und das Gehäuseunterteil (30, 31) des Steril- Einwegfilterhalters einlegt und/oder die miteinander zu verschweißenden Einzelteile der Filterelemente aufeinander anordnet, daß ferner eine Anpreßvorrichtung (32) vorgesehen ist, mit welcher die zusammengefügten Teile (30, 31) der Filterelemente zusammenpreßbar sind und daß ferner eine Laserbearbeitungsanlage (1) zum Verschweißen der aus physiologisch unbedenklichen Kunststoff in Form von Poly­ venylchlorid, Polycarbonat, Polypropylen, Polysulfon oder Polyamid bestehenden Filterteile (30, 31) vorgesehen ist, wobei der Laser (4) und/oder dessen Fokussier- und Schweißoptik (6, 7) im Abstand zum Werkstück (30, 31) entlang der zu schweißenden Fügenaht oder diese über ihre Länge derart entlang der Fokussier- und Schweißoptik über ein Handhabungssystem (32; 9, 26, 27, 28) führbar ist und der Laser (4) der Laserbearbeitungsanlage (1) Laserstrahlen (18) mit einer Wellenlänge und mit einer ausreichenden Leistungs­ dichte entsprechend dem Durchlässigkeitsbereich des zu verschweißenden Kunststoffmaterials emittiert.
2. Anlage zum Verschweißen von Kunststoffteilen nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserbearbeitungsanlage einen kontinuierlich oder quasi-kontinuierlich betriebenen CO2-Gas-Laser (4) oder einen derart oder gepulst betriebenen Festkörperlaser in Form eines Nd: YAG-Lasers oder eines Nd: Glas-Lasers aufweist.
3. Anlage zum Schweißen von Kunststoffteilen nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser (4) der Laserbearbeitungsanlage (1) Laser­ strahlen (18) aus einem Wellenlängenbereich von 190-11 000 nm abgibt und der Abstand der Schweißstelle von dem Laser größer ist als der Abstand des Lasers (4) vom Punkt der maximalen Intensität des fokussierten Laserstrahles, wobei sich auf der Schweißnaht eine ellipsoide Intensitätsver­ teilung der Laserstrahlung über den Strahlquerschnitt ergibt.
4. Anlage zum Verschweißen von Kunststoffteilen nach Patentanspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Festkörperlaser mit Gütesteuerung vorgesehen ist.
5. Anlage zum Verschweißen von Kunststoffteilen nach Patentanspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Laserbearbeitungsanlage zum Verschweißen mit einem CO2-Gas-Laser (4) bewegliche Spiegelsysteme als flexible Strahlführung angelegt sind und daß zur flexiblen Führung des Strahles eines Nd: YAG-Lasers eine Lichtfaseroptik mit einer fliegenden Infrarot-Optik angelegt ist.
6. Anlage zum Verschweißen von Kunststoffteilen nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserbearbeitungsanlage (1) mit einem Schweißkopf (5), welcher eine Bearbeitungs- und/oder Fokussieroptik (6, 7) aufweist, unmittelbar selbst, oder daß deren Laserstrahlung über ein Scan-Verfahren entlang der vorgesehenen Schweißnaht um die zu verschweißenden Kunststoffteile (30,31) herum führbar ist.
7. Anlage zum Schweißen von Kunststoffteilen nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, da durch gekennzeichnet, daß zur Durchführung eines Schweißverfahrens mittels Laser­ strahlschmelzen die Anordnung der Schweißoptik (7) innerhalb eines rohrförmigen Schweißkopfes (5) erfolgt, welcher sich zu einer Auslaßöffnung (21) für die Laserstrahlung verjüngt und wobei im Abstand von der Auslaßöffnung (21) eine seitliche Zustromöffnung (22) in dem Schweißkopf angelegt ist, durch welche ein inertes, reaktionsträges, koaxial zum Laserstrahl auf die Schweißstelle geblasenes Gas zuführbar ist.
8. Anlage zum Verschweißen von Kunststoffteilen nach einem der Patentansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserbearbeitungsanlage (1) einen Prozeßrechner und eine Steuereinheit aufweist, mit welcher beim Schweißen die Bearbeitungs- und Strahlparameter an die Materialeigen­ schaften der zu schweißenden Kunststoffeinzelteile anpaßbar und eine Einstellung entsprechend der Soll-Werte möglich ist.
9. Anlage zum Verschweißen von Kunststoffteilen nach einem der Patentansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserbearbeitungsanlage (1) außer zum Verschweißen der Kunststoffteile (30, 31) eines aus thermoplastischem Materials bestehenden Filterhalters auch zum Schneiden der bypass­ dicht in dem Filterhalter anzuordnenden Filterscheibe (2) aus einem bahn- oder bogenförmigen Filtergewebe oder -membran (11) angelegt ist.
10. Anlage zum Verschweißen von Kunststoffteilen nach einem der Patentansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in den Strahlengang der Bearbeitungsoptik (6, 7) ein für die Laserstrahlung und den davon reflektierten Strahlungsanteil halbdurchlässiger Spiegel (24) angeordnet ist, über welchen eine Ausblendung von reflektierten, nicht absorbierten Strahlungsanteilen auf einen Strahlungsmesser (25) erfolgt.
11. Verfahren zum Verschweißen von Kunststoffteilen von Filterelementen oder -systemen, insbesondere zum Ver­ schweißen des Gehäuseoberteils und des Gehäuseunterteils eines Steril-Einwegfilterhalters mit Einlaufstutzen und Auslaufstutzen sowie zwischen den Filtrationsräumen dieser Kunststoffteile bypass-dicht anzuordnenden Filterscheiben in Form von Oberflächenfiltern, Tiefenfiltern und dgl. dadurch gekennzeichnet, daß zum Verschweißen ohne Verbrennung des Kunststoffmaterials eine Laserstrahlung verwendet wird, deren Absorption bei der Bearbeitung gering ist und dessen Eindringtiefe groß ist, wobei die Energieeinkopplung im Materialvolumen mit an­ schließendem Schmelzen ohne Zersetzung des Kunststoffes erfolgt.
12. Verfahren zum Verschweißen von Kunststoffteilen nach Patentanspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung eines Nd: YAG-Lasers verwendet wird, welcher eine hohe Eindringtiefe bei geringer Oberflächenabsorbtion für die zu schweißenden Kunststoffteile aufweist.
13. Verfahren zum Verschweißen von Kunststoffteilen nach Patentanspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß beim Schweißen die Bearbeitungsparameter der Laserstrahlung und der Schweißoptik wie deren Bearbeitungsgeschwindigkeit und Laserausgangsleistung an die Materialeigenschaften der Kunststoffteile angepaßt werden, so daß eine thermische Zerstörung der Kunststoffteile vermieden wird.
14. Verfahren zum Verschweißen von Kunststoffteilen nach Patentanspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß über eine Temperaturerfassung der Materialoberfläche und der Schmelze im Schweißpunkt des Lasers in Abhängigkeit von dieser Temperatur und der Zersetzungstemperatur der Schmelze die Energiedichte und/oder Intensitätsverteilung im Brennfleck des Lasers derart geregelt wird, daß eine Volumenabsorption im Schweißpunkt sich ausbildet und während der Oberflächen- und Volumenabsorption der Laserstrahlung die Zersetzungstemperatur der Schmelze nicht erreicht wird.
15. Verfahren zum Verschweißen von Kunststoffteilen nach einem der Patentansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ausbildung der Volumenabsorption der Laserstrahlung im Bereich der zu verschweißenden Fügenaht in Abhängigkeit von den sich dort im Schweißpunkt ergebenen Reflektionsanteil der Laserstrahlung und zur Einstellung einer ausreichenden Größe der Volumen­ absorption und der Schweißtiefe bzw. der Eindringtiefe der Laserstrahlung in Abhängigkeit von dem Transmissionsgrad hinter der Fügenaht die Regelung der Energiedichte und/oder Intensitätsver­ teilung der Laserstrahlung im Schweißpunkt erfolgt.
16. Verfahren zum Verschweißen von Kunststoffteilen nach einem der Patentansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Verschweißen unter Andruck der Kunststoffteile an der Fügenaht durch Laserstrahlschmelzen unter Schutzgas erfolgt.
17. Verfahren zum Verschweißen von Kunststoffteilen nach einem der Patentansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß Kunststoffwandungen von 0,5 mm bis 2 mm Dicke oder mit einer Fügenahttiefe bis zu ca. 2 mm unter Zusammendrücken an der Fügenaht durch die Laserstrahlung längs verschweißt werden.
18. Verfahren zum Verschweißen von Kunststoffteilen nach einem der Patentansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandungen von Kunststoffteilen aus Polyvenylclorid, Polycarbonat, Polypropylen, Polysulfon oder Polyamid durch Laserstrahlung verschweißt werden.
19. Verfahren zum Verschweißen von Kunststoffteilen nach einem der Patentansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Filterober- und Filterunterteile eines Einwegfilter­ halters an ihrem im zu verbindenden Flanschbereich außen umlaufenden axial vorstehenden Verbindungssteg mit einer Stegstärke von ca. 1 mm durch die Strahlung eines CO2-Gas- Lasers (10,6 µm) mit einer Ausgangsleistung von 50 Watt, einem Durchmesser des Brennfleckes im Schweißpunkt von ca. 1 mm und mit einer Schweißgeschwindigkeit von ca. 0,3 m/sec. verschweißt werden.
20. Filterhalter aus einem thermoplastischen Kunststoff für die Medizin- und Labortechnik, dadurch gekennzeichnet, daß Fügenahten an längs verschweißten Kunststoffwandungen von 0,5 mm bis 2 mm Dicke oder mit einer Fügenahttiefe bis zu 2 mm als Laserschweißnaht ausgebildet sind.
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