JP2009532236A - 成形プラスチック体を接合するレーザー透過溶接方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、チューブ部分をチューブ状成形体に溶接する装置、及びチューブ部分をチューブ状成形体に接合するレーザー溶接方法に関し、詳しくは、ＰＶＣフリーチューブ部分及びチューブ状成形体との供給工程と、チューブ部分及びチューブの互いの積極的な挿入工程とを備え、チューブ部分のチューブ壁が互いに異なる少なくとも２つの物質層から構築され、これらの層の１つがレーザー放射に対する吸収剤を少なくとも部分的に備えてなる装置及び方法に関するものであるが、その結果、チューブ部分とチューブ状成形体との表面部分は重なり、規定の波長のレーザー放射で重なる表面部分は照射され、該レーザー溶接方法では、ジョイントパートナー及び装置部分のいずれも動かす必要がない。
【選択図】 図１

Description

本発明は、溶接するレーザー透過溶接方法に関し、特に、物質的にチューブ状成形体にプラスチックで形成されたチューブ部、例えば、さらなるチューブ部分、接合部、接続金具、閉じるもの等に関する。

原理的に、様々な可能性は、プラスチック、特に異なるプラスチックで形成される成形体を最終的に接合するのに存在する。
例えば、二つの成形体は、接着若しくは溶接方法によって互いに最終的に接合され得る。

ＩＲ溶接（例えば、WO 2005/080067を参照）に加え、溶接方法におけるレーザー放射による溶接は、特に、近年、かなり調査されている。

レーザーによる溶接方法の基本的な物理原理は、適用されるレーザー光の少なくとも一部分が、互いに接合される二つの成形部分の少なくとも一方における物質によって吸収されるが、それが熱に変換され得る程度、且つレーザー光によって加熱されたところの物質が、熱を介して流体となり、更に、第二成形部分のプラスチック物質への積極的な接合を可能にする程度であることを要求する。

溶接方法を制限するパラメータは、使用されるレーザー光の波長、及びこの波長でのプラスチックの吸収作用である。特に、この場合、６１０〜８４０ナノメーターの波長を有するハイパワーダイオードレーザーと、約１，０５０ナノメーターの波長を有するＮｄ：ＹＡＧ半導体のレーザーとは、可視光範囲（４００〜７５０ナノメーター）又は赤外線範囲で用いられる。しかしながら、しばしば、約１１，０００ナノメーターの波長を有するＣＯ₂ガスレーザーを使用することも可能である。

プラスチックの吸収特性及び加工性は、使用されるレーザー放射波長に依存してかなり異なる。顔料、フィラー若しくは補強材等によるプラスチックにおける不均一性、及び部分的に結晶化したプラスチックにおける上部結晶構造は、入力放射を散らし、プラスチックの中への放射の透過の深さを特に減少する。

レーザービームが、加熱されるべきプラスチック部分に入射されたとき、レーザー放射は、反射され、且つ吸収され、且つ異なる範囲に伝達される。プラスチックの中に貫く放射の強度の減少は、いわゆるBouguerの法則に従って物質の深さに依存することが述べられ得る。この場合、入力強度は、物質の深さで指数関数的に減少する。

問題は、特にＣＯ₂レーザーによるプラスチックの放射熱を起因する熱分解の結果として生じる。これは、プラスチック部分の表面温度がしばしば急速に減少することによりプラスチックの乏しい熱伝導性に関連するが、ここでは、熱物質分解のリスクがある。〔レーザー溶接方法の原理は、例えば、H.Potente et al. "Laserschweisen von Thermoplasten" (Plastverarbeiter 1995, No. 9, page 42 ff.)、F.Becker et al. "Trends bei Serienschweisverfahren in Kunststoffe 87 (1997, page 11 ff.)、及びH. Puetz et al in Modern Plastics (1997, page 121 ff.)に記載されている。〕

ある波長でレーザーが透過するポリマー若しくはプラスチックの吸収作用及び透過は、例えば吸収剤の混合によりコントロールされ得る。そのような吸収剤は、例えば、カーボンブラック、若しくは、近年開発された特別な染料である。

そのようなコントロールし得る吸収作用を可能にする染料のシリーズは、市販され、規定の波長でレーザー溶接を可能にすべくポリマー混合物に混ぜられて特別に作製される。また、この目的で利用できるのは、I.A. Jones et al.により"Use of infrared dyes for Transmission Laser Welding of Plastics" (Tech 2000 Conference Proceedings, page 1166 ff.)に開示された染料である。

また、レーザー溶接方法の特別な形態、即ち、レーザー透過溶接方法は、他の溶接方法に比して、ジョイント表面の複雑な形態でさえ急速にそして効果的に溶接され得るという利点を有する。例えば、接合部、接続金具等に溶接されるチューブ部分の場合には、ジョイントパートナーにとって、例えば吸収されないレーザー放射のためにレーザービームによるすべての方法で照射されることは必要である。第２ジョイントパートナー、又は第２ジョイントパートナーの部分は、熱生成を有するレーザー光を吸収できるに違いない。照射は、ジョイントパートナーの外側からたいてい影響される。

EP 1552916 A1には、レーザー溶接方法によるチューブ状成形体の接合が記載されているが、しかしながら、ここでは、２、３次元の部分が接続のない方法で互いに溶接され得るように成形体を接合する接合の周りでレーザーが回転されることが必要であり、これは複雑な装置及びメカニズムを要求する。

US 2003/0141634には、医用アプリケーションのためのレーザー溶接可能なチューブが記載されており、ここでは、複数層構造を有するチューブにおいて各層がレーザー吸収物質を含有してなる。ここでも同様に、チューブがそれらの全周囲に渡って互いに溶接され得るようにすべく、チューブ若しくはレーザー透過装置全体が回転動作を受けることが必要である。

DE 10245355 A1には、スリーブによるチューブ要素の接合が記載されている。いわゆるレーザー透過方法において、チューブ部分、いわゆる接合部及びスリーブは、互いに溶接される。この場合、同様に、溶接は、レーザーデバイス若しくは溶接されるチューブを回転することのみによって生じる全周囲の周りに続く溶接継ぎ目を必要とする。

WO 2005/063469には、いわゆるスリーブによって互いに接合され得るチューブ部分が開示されている。チューブとスリーブとの間の接合は、７００〜２５００ｎｍで吸収する物質を含有する接合物質によってもたらされる。この場合、レーザー溶接工程は、レーザー若しくは溶接されたチューブの回転動作を必要とする。

従来技術で知られるこのレーザー溶接方法の場合には、特に、一緒に接合される２つの成形部分の間のジョイント表面が、レーザーによりすべての周で照射されなければならないという欠点がある。これは、互いに接合され得る表面がすべてのサイドからレーザーにアクセスできることを要求する。頻繁に、ある構造の形態は、すべての周の照射を可能としない。頻繁に、形態のためにそれぞれの構成材の回転をもたらすことは可能ではないので、多くの場合、レーザー溶接はこれまで可能ではなかった。

従って、本発明の目的は、従来技術の上述した欠点を改善し、特に、互いに接合される２つの成形部分の完全な全周の溶接を回転なしで可能とするレーザー透過溶接方法を提供することにある。さらに、本発明の目的は、装置の部分又は溶接される部分の一を回転する必要性なく、互いに接合される２つの成形された部分が急速に溶接される装置を提供することにある。

本発明によれば、目的は、チューブ部分とチューブ状成形体とを備える２つのジョイントパートナーを溶接する装置によって達成されるが、ここで、装置は、レーザー及びミラーを備え、レーザー、ジョイントパートナー及びミラーは、レーザービームがジョイントパートナーに入射しそれからミラーに入射するように配置され、ミラーは、中空シリンダーの内表面の輪郭を部分的に備える。この装置の助けで、吸収剤含有層は、より均一に照射され得る。チューブの局部的な部分の過剰加熱は、生じず、溶接継ぎ目は、より均一になる。

好ましい実施形態では、レーザーのビームは、ビーム部分の分化であり、分化ビーム部分は、チューブ部分に最初に入射しそしてミラーに入射する。この実施形態の利点は、吸収剤含有層のより均一な照射である。

通常、接合され得るジョイントパートナーは、チューブ部分及びチューブ状成形体であり、レーザービームによって照射される。一方、供給されるレーザーエネルギーの大部分は、散らし及び反射の効果により溶接の間に失われる。チューブ表面に垂直に入射しないすべての光線は屈折され、ビームは、ある限られた角度を超えて全反射を被り、ジョイントパートナーの溶接において役立たなくなる。さらに、透過され得る物質のレーザー吸収層は、エッジ領域にかなりより多くあり、それ故に、その領域下部に供給されるより少ないエネルギーにおいて役立つ。ミラーでのビームの反射によって、そうでなければ反射若しくは透過の結果として損失され得るエネルギーは、利用される。ミラーで反射されたビームは、溶接工程で利用できるのでチューブ物質に再び入り得る。

ミラーの輪郭は、中空シリンダーの内表面の部分を記載している。一方側における開口部は、完全なシリンダー状の輪郭から欠けているが、入射するレーザービームに対する開口としての役目を果たす。中空シリンダーの理想的な輪郭におけるわずかな変形が可能である。そのとき、中空シリンダーの断面は、円形でなく楕円形であろう。

この発明の範囲では、もしビーム断面がビーム方向でより大きくなるならば、レーザービームは分化する。この配置の利点は、溶接工程で用いられる装置に於いて、吸収剤を含有するチューブ部分の層のすべての領域が均一に照射され得ることである。その結果、吸着材を備える層内の温度の違いは、小さく保たれる。

ミラーは、好ましくは、アルミニウム若しくはアルミニウム合金を含有する。特に、磨き上げたアルミニウムで形成されたミラーは、ベストな反射特性を備える。スチール製のミラーは、かなり大きな範囲にまで温まりかなり反射する。また、黄銅製のミラーは、温まり、さらに、放射の部分を反射する。反射効果は、ミラー表面がだんだん鈍くなるにつれて減少するが、それは、熱の結果である。しかしながら、表面は、再び磨くことによりよい反射に修復され得る。

中空シリンダーの直径は、好ましくは、５〜２５ｍｍであり、より好ましくは２０ｍｍである。ミラーの表面とジョイントパートナーの表面との間の距離は大きすぎるべきではなく、それは、ミラーで反射される多すぎる光エネルギーは、ジョイントパートナーを透過せずには発散されないためである。さらに、好ましくは、１３ｍｍまでの全直径を有するチューブは、この装置によって溶接され得る。より大きな直径を有するチューブは、通常、より肉厚である。特に、吸収剤を含有しない層は、より厚い。この層は、より大きな熱吸収能力を備えてなる。このより大きな熱吸収で、熱は、溶接工程から取り除かれ、その結果、溶接継ぎ目の欠陥が生じ得る。チューブサイズ、及びミラー表面とジョイントパートナー表面との間の距離は、中空シリンダーの直径に対して限られたファクターである。

波長が好ましくは７５０〜１０００ｎｍ、より好ましくは８０８ｎｍであるダイオードレーザーは、本発明に従った装置の場合で用いられる。レーザーは、３８０〜５２０Ｗのパワー、より好ましくは５００Ｗのパワーを有し得る。ダイオードレーザーによって、収束し且つ分化し得るレーザービームを生成することが可能となる。この場合のレーザーは、いわゆる“扇形に広がったダイオード配列レーザー”である。さらに、レーザーのパワーとレーザーによって放射される光の波長とは、溶接加工にとって最適であり、その結果、溶接継ぎ目の欠陥は生じず、ポリマー物質は過剰加熱されない。

本発明がベースとなる目的は、レーザー及びミラーを用いることによりＰＶＣフリーチューブ部分をチューブ状成形体（“ジョイントパートナー”）に溶接するレーザー溶接方法を提供することにあるが、ここでは、チューブ部分のチューブ壁は互いに異なる少なくとも二つの物質層から構築され、これらの層の１つはレーザー放射に対する吸収剤を少なくとも部分的に備え、この方法は、
ａ）ＰＶＣフリーチューブ部分とチューブ状成形体とが供給される工程と、
ｂ）チューブ部分とチューブ状成形体とが互いに最終的に挿入されて、その結果、チューブ部分とチューブ状成形体との表面部分が重なる工程と、
ｃ）チューブ部分とチューブ状成形体とが、表面部分を重ねてミラーの前に配置される工程と、
ｄ）表面部分を重ねるチューブ部分とチューブ状成形体とが、レーザー放射で照射され、その結果、チューブ部分から若しくはチューブ状成形体から反射され若しくは発信されたレーザービームが、ミラーで反射され再びチューブ部分若しくはチューブ状成形体に部分的に入射し、溶接接合が、チューブ部分とチューブ状成形体との間に実現される工程とを備えてなる。

この方法によって、照射の持続時間は、溶接されるジョイントパートナー若しくは装置部分を動かす必要がある溶接方法に比して大幅に減少され得る。反射及び透過によってジョイントパートナーで発散されたレーザー光は、ミラーで反射しさらなる溶接工程で再び利用され、その結果、レーザー及び／又は溶接されるジョイントパートナーは、動かされる必要がない。それ故に、照射の持続時間は、数秒に減らされる。好ましくは、接合パートナーは、３秒よりも短い間に互いに溶接され得る。それ故に、この方法の場合、照射は、３秒を超えない間でｄ）工程においてもたらさせる。

最適な結果に到達し且つ均一な溶接継ぎ目を形成すべく、この方法で、中空シリンダーの内表面の輪郭を備えるミラーは使用される。しかるに、より好ましくは、この方法は、本発明に従った装置の使用で実施される。

この方法の好ましい実施形態に於いては、レーザービームの直径は、チューブ部分に入射するとき、溶接されるチューブ部分の直径よりも小さい。チューブ部分の直径に対するレーザービームの直径の比は、好ましくは１：２〜１：５である。

本発明に従った方法は、放射がミラーの助けで全表面に均一に発散するのですべての進行路に分配される。また、チューブ部分への入射時にビーム部分の直径がチューブ部分の直径よりも小さいならば、すべての進行路は、なしですまされる。

本発明に従った方法のさらなる利点は、より均一の溶接パターンが達成されることを有する。レーザー光と溶接サイトとの間で得られるスペースは、積極的な二次効果としてみなされ、その結果として、ジョイントパートナーは、より簡単にマウントに導入されマウントから取り除かれ得る。

もし中空シリンダーの内表面の輪郭を有するミラーが用いられると、ミラーとチューブの壁との間の距離はまわりすべて略等しい。もし装置のミラーが中空シリンダーの輪郭を正確に記述しないならば、ミラーとチューブの壁との間の距離は等しくはないであろう。もし中空シリンダーの断面が楕円形であれば、接合されるジョイントパートナーは、ミラーの前の中心の部分に配置される。

本発明がベースとなる目的は、ＰＶＣフリーチューブ部分をチューブ状成形体（“ジョイントパートナー”）に接合するレーザー透過溶接方法を提供することにあるが、ここでは、チューブ部分のチューブ壁は、互いに異なる少なくとも二つの物質層から構築され、これらの層の１つは、レーザー放射に対する吸収剤を少なくとも部分的に備え、この方法は、
ａ）好ましくはＰＶＣフリーのチューブ及びチューブ状成形体を供給する工程と、
ｂ）チューブ部分とチューブ状成形体とを互いに積極的に挿入して、その結果、チューブ部分とチューブ状成形体との表面部分を重ねる工程と、
ｃ）規定の波長のレーザー放射での重なる表面部分の第１の略半シリンダー状の部分へ照射する工程と、
ｄ）溶接接合が第一部分で実現されて吸収剤含有層での吸収を通してオリジナルエネルギーの５０〜９０％にレーザー放射を弱める工程と、
ｅ）放射源と反対に配置され且つ第１部分に対してかなり鏡対称性である重なる表面部分の第２の略半シリンダー状部分に弱められたレーザー放射を、前記第２部分における溶接接合を実現すべく入射する工程とを備えてなる。

ミラーを使用する若しくは使用しない本発明に従った方法どちらも、２つのジョイントパートナーが一方側のみから照射され、ジョイントパートナーの積極的な溶接接合がすべての周において得られるという利点をもたらす。結果として、本発明に従った方法は、レーザー装置及びジョイントパートナーについて回転なしで実施され、その結果、従来技術から知られる方法の場合よりも本発明に従った方法を実施するには、かなり機械的な複雑さが少ない装置が要求されるが、それは、このような実質的な単純性を構成する。

この方法がミラーの使用なしで実施されると、均一の溶接継ぎ目を生成するために滑りコースをレーザー若しくはジョイントパートナーが横断する必要があり得る。本発明に従った装置を使用する方法の利点は、ジョイントパートナーのより均一の照射が可能となり、装置の部分及び溶接される部分は動かされる必要がない。

また、ジョイントパートナーに方向づけられたレーザー光を反射するミラーは、ａ）〜ｅ）工程を備えるこの方法の場合に用いられ得る。もし鏡が使用されると、この方法は、弱められたレーザー放射をミラーに入射する工程をさらに備え、そして、チューブ部分にレーザービームを反射し且つ光ビームを新たに入射する。

本発明に従った方法を実施するという目的にとって、この場合には、複数層構造を備えるチューブ部分が提供されることが本発明にとって本質的であり、レーザー放射のための吸収剤が層に含まれることは必要である。

本ドキュメントにおいて、"積極的な"という語は、チューブ部分及びチューブ状成形体が、ギャップのない若しくは接続のない方法で互いに重なるということを意味すると理解される。この場合におけるチューブ部分は、好ましくは、チューブ状成形体に一定の圧力を与える。

“チューブ部分”という言葉は、流体が通過され得る長さのチューブの部分を意味すると理解される。例えば血液透析システムにおける医用チューブとしての使用は、予想され得るので、そして、比較的近年の研究は、ＰＶＣ（ポリ塩化ビニル）で使用される可塑剤がチューブを介し生物流体によって溶解され、そして人間組織に健康危害を生じ得ることを示したので、チューブにとって特にＰＶＣフリーデザインであることが必要である。

溶接接合の溶接性若しくは安定性は、使用されるレーザー光のための吸収剤含有層における吸収剤の量によって決定される。本発明に従って、チューブの外表面、例えば、その外側若しくはその内側は、官能性を有する薄い層、例えば吸収剤を含有する薄い層を備えてなる。この層は、通常、その真下に位置する第２層で同時に押し出される。吸収剤含有層の層厚さは、２０〜１００μｍの範囲にあり、その結果、それらは、同時押出によってより薄い層厚さで生成され得る。

チューブ内部を構成する表面として、又は本発明の異なる実施形態においてチューブ外部を構成する表面として吸収剤含有層の配置は、互いに溶接された成形部分の様々な形態の配置を特に可能にする：例えば、本発明の好ましい実施形態において、チューブがチューブ状成形体、例えば接合部にこのように挿入され、その結果、この場合に、外側層が、吸収剤とともに官能性でなければならず、例えば、接合部であり溶接される第二ジョイント部分に接触する層でなければならない。

本発明のさらに有利な実施形態に於いて、官能性の層、例えば、吸収剤含有層は、チューブ部分の内側を構成し、その結果、チューブ状成形体は、チューブに挿入され得る。

本発明のさらに好ましい発展に於いては、溶接されたチューブ状成形体の部分に重なる層の部分のみが、吸収剤を含有してなる。これは、上述した２つの代わりの実施形態において明らかに可能である。また、特に、その結果、吸収のための高価な染料の使用は可能とされる。

吸収剤含有層における吸収剤の濃度は、通常、５０〜３００ｐｐｍ、好ましくは、８０〜２００ｐｐｍであり、使用されるレーザー光の約１０〜５０％のみ、好ましくは１５〜４０％が、吸収剤を備える物質的に半シリンダー状の第１部分の層によってレーザー光の透過路の長さ方向に沿って吸収され、且つこのようにして第１部分の溶接として使用され得るように、選択される。この接合において、当業者が、上記の値を到達するのに、使用されるレーザーの種類若しくはその波長に対する吸収剤の種類や量を調整することは理解される。

有利なことに、本発明に従って使用され得るチューブ部分の層は、ＰＶＣフリー物質を備え、特に、吸収剤含有層は、例えばポリエチレン、ポリプロピレン、ポリイソプレン等のポリオレフィンや、例えばスチレン−エチレン−ブタジエン−スチレンブロック共重合体（ＳＥＢＳ）、スチレン−エチレン−プロピレン−スチレンブロック共重合体（ＳＥＰＳ）、スチレン−イソプレン−スチレン共重合体（ＳＩＳ）、スチレン−エチレン−ブタジエン共重合体（ＳＥＢ）等のスチレン−オレフィン共重合体、及びそれらの混合物を備えてなる。

少なくとも一のさらなる吸収剤フリー層は、ある機械的安定性、曲がり抵抗等をチューブ部分に与える機能を備えてなる。

この目的のために、純ポリオレフィン物質、特に、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリイソプレン及びこれらの混合物等が、この層のための物質として特に好ましい。さらに好ましい実施形態では、明らかに、スチレン−エチレン−ブタジエン−スチレンブロック共重合体（ＳＥＢＳ）、スチレン−エチレン−プロピレン−スチレンブロック共重合体（ＳＥＰＳ）、スチレン−イソプレン−スチレン共重合体（ＳＩＳ）、スチレン−エチレン−ブタジエン共重合体（ＳＥＢ）及びそれらの混合物が、用いられ、又は純ポリオレフィンと共に用いられ得る。

本発明のさらなる実施形態では、本発明に従って使用されるチューブ部分が、８ｍｍの最大内径及び１２ｍｍの最大外径を有する。チューブ部分の好ましい肉厚は、２ｍｍであり、例えばいわゆる血液システムチューブとしてのチューブの所望の使用の場合などのさらに特別な実施形態では、１．５ｍｍまでである。さらに利点のある実施形態では、チューブは、さらに層の任意の配列を備え得る。これらのさらなる層はレーザー溶接プロセスを弱めないことのみが重要であり、その結果、これらの層は、かなりレーザー透過性がなければならない。

その結果、特に機械的安定性、曲がり抵抗、弾力性等については、複雑な要求でさえ適切に考慮され得る。

いわゆるダイオードレーザーは、好ましくは、本発明に従った方法の範囲で用いられる。このダイオードレーザーは、波長が１０００ｎｍ以下、好ましくは７５０〜９００ｎｍ、より好ましくは８０８ｎｍである。本発明に従った方法の実行において特に重要なことは、ジョイントパートナーどうしが好ましく接合なく重なるジョイント面が、圧力のアプリケーションがあろうがなかろうが得られることであり、その結果、積極的な接合は、レーザーによって加熱された流体ポリマーによって特に簡単に保持され、その結果、本発明に従って、大きな相違点は、溶接継ぎ目形態のデザインで得られ得る。レーザー、特にダイオードレーザーによるプラスチックの接合でもっとも頻繁に使用される形態は、継ぎ目を重ねることであり、これは、本場合においても好ましく使用される。

本発明の範囲での使用で想定されるありうるレーザータイプ（例えば、方法がミラーの使用なしで実施されるならばＮｄ：ＹＡＧレーザー、ミラーの使用がある場合でもない場合においても本発明に従った方法のためのダイオードレーザー）の多くは、様々な波長を有し、且つレーザー放射の大きなエネルギー密度による吸収剤物質についての限定を意味するものではないことがこの接合において重要である。大きなエネルギー密度のために、それぞれの選ばれた吸収剤物質の最大吸収で照射することは必要ない。もし照射がそれぞれの物質の最大値あたりの約±１００ｎｍの表示でもたらされるならばそれは十分であり、その結果、吸収剤の広い範囲は、本発明に従った方法での使用のために適用され得る。通常、可能な限り平行である光ビームを照射するレーザーは、ａ）〜ｅ）工程を備える方法に於いて用いられる。

ミラーがレーザービームを反射するのに用いられない本発明に従った方法では、吸収剤によって第１の略半シリンダー状の部分の吸収剤含有層によるレーザー光の透過道の長さにそってレーザー放射が弱まるのは、約１０〜５０％、好ましくは、１５〜４０％であることが特に好ましい。これらの範囲は、チューブのそれぞれの周部分におけるより長い透過道の場合でさえ、十分なレーザー放射がポンピングチューブの反対の周部分に到達するのを可能にし、その結果、安定した溶接がそこでも可能とされる。

この方法がミラーの使用なしで用いられると、レーザーパワーは、ダイオードレーザーの場合、通常、約４００ワットである。これらの値は、適切なレーザーを選択における当業者への単なるガイドであることは理解される。この方法の場合には、同様に、使用されるレーザーは、約４００ワットのパワーを有し且つ直径約１０ｍｍのスポットに放射を集中する“散開されたダイオード配列レーザー”であり得る。レーザー放射の動作の典型的な時間周期は、１〜１０秒、好ましくは、２〜８秒、より好ましくは３〜７秒であり、チューブの厚さに依存する。安定した溶接接合の具現化のための典型的な時間周期は、約１２ｍｍの直径を有する血液ポンピングチューブの場合７秒であり、６．５ｍｍの直径を有するチューブの場合約３秒である。

本発明の目的は、チューブ部分とチューブ状成形体との間のレーザー溶接された結合接合によって到達され、結合接合は、ミラーとともに使用されてもされなくても本発明に従った方法で生成され得る。特に大きな機械的複雑性なしで生成され得るレーザー溶接された結合接合は、特に医学分野において、特に生理学的流体、注入溶液若しくは血液を搬送するこの場合において、適用され得る。

この場合において、チューブ部分と溶接され得る接合する部分とに対する特別な要求があり、その結果、対応するポリマーの選択は、可視波長における透過性、熱殺菌消毒能力及び生物適合性について準拠されるに違いないが、しかしながら、それらは上述した従来技術で知られている。それゆえに、本発明は、例えば血液透析サーキットでの使用において、チューブ部分と、例えば接合部若しくはさらなるチューブ部分等のチューブ状成形体との間のレーザー溶接された結合接合を多数有するチューブシステムを同様に備えてなる。

本発明は、下記の図における実施例を参照しつつより十分に説明されるが、これがなくとも本発明の概念の限定として理解されることは意図されていない。

図１は、ポリプロピレンで形成された接合部１０１とチューブとの間の本発明に従ったコンビネーション１００を示し、それは内層１０３及び外層１０２からなり、外層１０２が例えば染料等のレーザー吸収物質を備えてなる。この場合の層１０２は、約５０μｍの厚さを有する。使用される吸収剤物質は、例えば、BASF社製のLumogen IR 788が挙げられ得るが、使用されるダイオードレーザーの波長範囲で吸収する他の任意の吸収剤を使用することは、本発明の範囲内である。チューブ部分が接合部１０１内に押された後、８０８ｎｍの波長を有するレーザー放射１０４は、３〜５秒の間にわたって適用される。大文字“Ａ”で示された半シリンダー状の部分において、レーザー放射１０４は、層１０２の吸着材によって吸収され、そしてプラスチックを溶かし、その結果、積極的な接合は、外層１０２で、プロピレン接合部１０１とチューブとの間で生成される。放射１０４は吸収され且つ詳細に上述したように入射され、それは第２の半円形部分Ｂで約１０〜５０％に弱められるが、それは矢印１０５で示されており、そこでは、それは、層１０２において吸収剤によって同様に吸収され、その結果、チューブ部分の１０２層とポリプロピレン接合部１０１との間で層１０２を溶解することにより部分Ｂに積極的な接合を形成する。余剰放射は、通常、完全には吸収されない。また、図は、レーザー光の波面が通過しなければならない異なる軌道長さを示す：この場合の軌道長さｌ₁は、軌道長さｌ₂よりもかなり短く、その結果、光は、ｌ₂に沿うよりも軌道長さｌ₁に沿うことでより小さく弱められ、例えば、１０％弱まる範囲にあり、そこでは、吸収は５０％である。

図２は、接合２００のさらなる実施形態を示すが、それは、本発明に従った方法の範囲で用いられ得る。この場合、例えばポリプロピレンで形成される接合部２０１は、チューブ部分に挿入され、その結果、チューブ２０２の内表面は、レーザー吸収物質を含有し、外層２０３は、安定性の目的を果たす。

すでに上述したように、明らかに、さらなる層は、外側、若しくは層２０２と２００との間に配置されうることは理解されるが、それは、これらの層がレーザー透過性である場合である。層２０２の厚さは同様に５０μｍであり、BASF製のLumogen IR 788は同様に吸収物質として用いられる。

配置２００は、同様に波長λ＝８０８ｎｍのレーザー放射（矢印２０４で表されている）で照射されるが、放射は、第１の半円若しくは半シリンダー状部分Ａで約１０〜５０％まで吸収され、その結果、積極的な接合は、接合部２０１の表面と放射吸収層２０２との間で生成される。非吸収放射２０５は、半シリンダー状部分Ｂ２０２における層２０２上に入射し、そこでは、それは、同様に吸収、加熱、及び溶解する結果となり、その結果、接合部への溶接すべてが、チューブ部分の全周囲で到達される。

本発明に従った方法で、ここで示されるように、接合されるジョイント要素１００から２００若しくはレーザーの回転は、それゆえに、全周の溶接継ぎ目すべての具現化のためには必要でない。

図３は、ポリプロピレンで形成された接合部３０１とチューブ部分３０６との間にある全体的に溶接され接合した結合接合３００を示し、チューブ部分３０６は、レーザー吸収物質を含有しない層３０７と接合部３０１の内部に重なる部分３０３における部分でレーザー光に対する吸収剤を含有する外層３０２とを備える。図１及び２で示されたように、レーザー放射３０４の振る舞いによって、すべての周の積極的な溶接継ぎ目３０５が生成される。

図４は、チューブ部分４０１を溶接する装置４００であって、レーザー４０２及びミラー４０４からなる装置を示す。ダイオード配列レーザーは、光ビーム４０３を放射するが、それは、第１部分で収束し、且つ面Ｃにおける最小の断面を有し、且つそれから分化する。分化したビーム部分は、面Ｄのチューブ部分４０１に入射する。それから、散らされ貫くレーザービームは、ミラー４０４に入射し、そこで、それらは、反射され、再びチューブ部分に部分的に入射する。この配置によって、吸収剤含有層の均一照射は、保証され、その結果、チューブ部分は、均一に溶接される。

実施例１
この実施例では、次の構造を有するＰＶＣフリーチューブが用いられた：
内径 ８ｍｍ
外径 １２ｍｍ
肉厚 ２ｍｍ

吸収剤を有するチューブ層は、次の構成を含有する：
吸収剤層の厚さ： ５０μｍ
構成： 60% SEBS Tuftec 1221 (Asahi)
40% PP R RD204 CF (Borealis)
100 ppm Lumogen IR 788 BASF

吸収剤フリー層は、７０％のSEBS Tuftec 1221 (Asahi)、及び30%のSIS (Hybrar 7125 F, Kuraray)からなる。

２層を備えるチューブ部分は、共押出によって生成された。

ポリプロピレンで生成された、いわゆる、接合部は、第２ジョイントパートナーとしての機能を果たした。本実施例では、チューブ部分は、外層の全体が吸収剤を備えるという違いで、図３に記述された方法でポリプロピレン接合部の中に押される。

互いに挿入されたジョイントパートナーは、チューブ部分及び接合部であり、本発明に従って、８０８ｎｍの波長を有する、Laserline社製のダイオードレーザー、D Muhlheim (diode laser LDF 1000 500)によって片面から照射された。いわゆる透過溶接は、本発明に従った方法の範囲での重なりで用いられる。すべての周の積極的な溶接継ぎ目は、本発明に従って、ジョイントパートナーの一方若しくは両方の回転なしでこのようにして得られた。

このようにして得られた溶接接合は、医療分野で直面する密閉の気密性、引張強度、及び熱殺菌能力についてはすべての要求を満たす。引張強度（“チューブ破裂強度”）は、DIN 53455に従って測定され、約１７０Ｎであった。この場合、溶接された接合がこの力の働きのもとでさえ失われた一方でチューブは裂かれた。通常、本発明に従った溶接された接合の引張強度の下限値は、１２０Ｎ、最大値は、１６０〜１７０Ｎであったが、それらは、溶接される面積に依存し、そこでは、それぞれのチューブの破断により上限の正確な測定を正確に測定することは、上述したように可能ではない。

接合部がチューブ部分に押された接合の断面図。 接合部がチューブに押された接合。 接合部と接合部に挿入されたチューブとのレーザー溶接された結合接合。 レーザーとくぼんだシリンダー状のミラーとからなる配置。

Claims (28)

1. レーザー及びミラーを用いることによりＰＶＣフリーチューブ部分をチューブ状成形体に溶接するレーザー溶接方法であって、
   前記チューブ部分のチューブ壁は、互いに異なる少なくとも二つの物質層から構築され、
   これらの層の１つは、前記レーザー放射に対する吸収剤を少なくとも部分的に備えてなり、
   ａ）前記ＰＶＣフリーチューブ部分と前記チューブ状成形体とが供給される工程と、
   ｂ）前記チューブ部分と前記チューブ状成形体とが互いに最終的に挿入されて、その結果、前記チューブ部分と前記チューブ状成形体との表面部分が重なる工程と、
   ｃ）前記チューブ部分と前記チューブ状成形体とが、表面部分を重ねて前記ミラーの前に配置される工程と、
   ｄ）前記表面部分が重ねられた前記チューブ部分と前記チューブ状成形体とが、レーザー放射で照射され、その結果、前記チューブ部分から若しくは前記チューブ状成形体から反射され若しくは発信されたレーザービームが、前記ミラーで反射され再び前記チューブ部分若しくは前記チューブ状成形体に部分的に入射して、溶接接合が、前記チューブ部分と前記チューブ状成形体との間に実現される工程とを備えてなるレーザー溶接方法。
2. 前記ミラーが中空シリンダーの内表面の輪郭を有する請求項１記載の方法。
3. ＰＶＣフリーチューブ部分をチューブ状成形体に接合するレーザー透過溶接方法であって、
   前記チューブ部分のチューブ壁は、互いに異なる少なくとも二つの物質層から構築され、
   これらの層の１つは、レーザー放射に対する吸収剤を少なくとも部分的に備えてなり、
   ａ）前記ＰＶＣフリーチューブ部分及び前記チューブ状成形体が供給される工程と、
   ｂ）前記チューブ部分と前記チューブ状成形体とが互いに最終的に挿入されて、その結果、前記チューブ部分と前記チューブ状成形体との表面部分が重なる工程と、
   ｃ）重なる表面部分の略半シリンダー状の第１部分が、規定の波長のレーザー放射で照射される工程と、
   ｄ）溶接接合が前記第一部分で実現されることにより、前記レーザー放射が、吸収剤含有層での吸収を通してオリジナルエネルギーの５０〜９０％に弱められる工程と、
   ｅ）前記弱められたレーザー放射が、重なる表面部分の略半シリンダー状の第２部分に入射し、その結果、前記第２部分における溶接接合を実現する工程とを備えてなるレーザー透過溶接方法。
4. 前記吸収剤が、チューブ部分の内表面を構成する層に含まれることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の方法。
5. 前記ｂ）工程では、前記チューブ状成形体が、前記チューブ部分の中に押されることを特徴とする請求項４記載の方法。
6. 前記吸収剤が、前記チューブ部分の外表面を構成する層に含まれることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の方法。
7. 前記ｂ）工程では、チューブ部分が、前記チューブ状成形体の中に押されることを特徴とする請求項６記載の方法。
8. 前記吸収剤が、５０〜３００ｐｐｍの濃度で前記吸収剤含有層に含有されてなることを特徴とする前の請求項の何れか一項に記載の方法。
9. 前記吸収剤含有層が、ＰＶＣフリー物質から構成されることを特徴する請求項８記載の方法。
10. 前記物質は、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリイソプレン、ＳＥＢＳ、ＳＥＰＳ、ＳＩＳ、ＳＥＢ等のスチレン−オレフィンブロック共重合体、及びこれらの混合物から選ばれることを特徴とする請求項９記載の方法。
11. 前記吸収剤含有層の厚さが、２０〜１００μｍであることを特徴とする請求項８〜１０の何れか一項に記載の方法。
12. 前記吸収剤フリー層の物質は、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリイソプレン、スチレン−エチレン−ブタジエン−スチレンブロック共重合体（ＳＥＢＳ）、スチレン−エチレン−プロピレン−スチレンブロック共重合体（ＳＥＰＳ）、スチレン−イソプレン−スチレン共重合体（ＳＩＳ）、スチレン−エチレン−ブタジエン共重合体（ＳＥＢ）、及びこれらの混合物から選ばれることを特徴とする請求項１〜７の何れか一項に記載の方法。
13. 前記チューブ部分が、４ｍｍの最大肉厚を有することを特徴とする前の請求項の何れか一項に記載の方法。
14. 前記チューブ状成形体が、接合部若しくはさらなるチューブ部分であることを特徴とする前の請求項の何れか一項に記載の方法。
15. 前記接合部が、ポリプロピレンを大幅に含有することを特徴とする請求項１４に記載の方法。
16. 前記チューブ部分がさらなる層を有することを特徴とする前の請求項の何れか一項に記載の方法。
17. 前記さらなる層がレーザー放射を透過させることを特徴とする請求項１６記載の方法。
18. 前の請求項の何れか一項に記載の方法によって製造された、チューブ部分とチューブ状成形体との間のレーザー溶接接合。
19. 請求項１８に記載の、チューブ部分とチューブ状成形体との間のレーザー溶接接合を複数備える、血液透析サーキットでの使用のためのチューブシステム。
20. チューブ部分とチューブ状成形体を有するジョイントパートナー二つを溶接するための装置であって、
    レーザー及びミラーを備え、
    前記レーザー、前記ジョイントパートナー及び前記ミラーは、レーザービームが前記ジョイントパートナーに入射しそれからミラーに入射するように配置され、
    前記ミラーは、中空シリンダーの内表面の輪郭を部分的に備えてなることを特徴とする装置。
21. 前記レーザービームがビーム部分で分化し、該分化したビーム部分が前記ジョイントパートナーに入射することを特徴とする請求項２０記載の装置。
22. 前記ミラーが、アルミニウム若しくはアルミニウム合金を備えることを特徴とする請求項２０又は２１記載の装置。
23. 前記中空シリンダーの直径が、５〜２５ｍｍであることを特徴とする請求項２０〜２２の何れか一項に記載の装置。
24. 前記中空シリンダーの直径が、２０ｍｍであることを特徴とする請求項２３に記載の装置。
25. 前記レーザーが、波長７５０〜１０００ｎｍの光を放射するダイオードレーザーであることを特徴とする請求項２０〜２４の何れか一に記載の装置。
26. 前記レーザーが、波長８０８ｎｍの光を放射することを特徴とする請求項２５記載の装置。
27. 前記レーザーが、３８０〜５２０Ｗのパワーを備えることを特徴とする請求項２５又は２６記載の装置。
28. 前記レーザーが、５００Ｗのパワーを備えることを特徴とする請求項２７記載の装置。

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