JP2010531759A

JP2010531759A - レーザ切断装置およびレーザ溶接装置

Info

Publication number: JP2010531759A
Application number: JP2010514978A
Authority: JP
Inventors: シン，ヴィジェイ; サンダース，マイケル
Original assignee: ジーイー・ヘルスケア・バイオサイエンス・バイオプロセス・コーポレイション
Priority date: 2007-06-26
Filing date: 2008-06-18
Publication date: 2010-09-30
Anticipated expiration: 2028-06-18
Also published as: EP2158069A1; CN101711196A; US20100171240A1; US8354000B2; CN101711196B; JP5254329B2; EP2158069B1; EP2158069A4; WO2009002777A1

Abstract

プラスチック容器を形成する方法が開示されている。その方法は、切断輪郭と、上面の溝輪郭とこの溝の底部の複数の排気ポートとを有する支持プラテンを設け、複数の貫通穴が支持プラテンの上面にあり、溝が切断輪郭を画成するように構成されており、第１フィルムを支持プラテンの上面に配置し、支持プラテンの上面の切断輪郭に沿って第１フィルムを切断するためにレーザを照射し、第１フィルムの上に第２フィルムを配置し、第１フィルムを支持プラテンに固定するために複数の排気ポートと複数の離れた貫通穴を真空源に接続し、第１フィルムと第２フィルムとを溶接するために溶接の間レーザからのビームと同軸に継ぎ目において第２フィルムが第１フィルムに接触するのを維持するようにガス噴流を第２フィルムに向け、継ぎ目輪郭に沿って第１フィルムと第２フィルムを溶接すためにレーザと支持プラテンとを相互に移動させ、仕上げられたバッグを提供するために、切断輪郭に沿って第１フィルムと第２フィルムを切断するためにレーザを照射する、ことを特徴とする方法。
【選択図】図４

Description

本発明は、バッグやその他のアセンブリを形成するための材料を、レーザ切断およびレーザ溶接するための装置に関する。

本願は、２００７年６月２６日出願の米国仮出願番号第６０／９４６，２３３号による優先権を主張し、その開示内容全体が参考として本願に組み入れられる。
プラスチックバッグは一般的に、切断されたプラスチックシートから作られる。多くの場合、レーザはプラスチックシートを切断してそれらを一緒に溶接するために利用される。具体的には、プラスチック材料を溶接して切断するために、炭酸ガスレーザが概ね広く利用されている。この構成（10.6μｍ）において生成されるレーザエネルギの急速な吸収は、この応用分野に対してこれを効率的なシステムにする。焦点とレーザの停止時間を変化させることにより、熱可塑性材料を切断し、マークを付け、あるいは溶接することが可能であることが知られている。

しかし、バッグやアセンブリを形成するために、上記レーザを用いてプラスチック材料を切断して溶接することに付随する問題点がある。第１に、いくつかの先行する装置では、フィルムシートが垂直面に向けられなければならないことが必要である。このことは、大きなシートを支持するのをとても困難にし、シートとレーザとの間の距離を、溶接されるべき継ぎ目の部分が燃えるか或いは損傷することを防ぐために要求される厳しい公差に実際上維持することできるか疑問である。垂直方向は、シートに取付けられる必要があるポートや他の固定具を支持することを不可能にする。

上記システムは２つのレーザ源を必要とし、一つが２つのシートのどちらかの側に配置される。他のシステムにおいては、熱可塑性材料を溶接し切断するために、複雑なビームスプリッタアセンブリが必要である。また、２つの空気噴射機を使用することが必要とされ、２つのシートを効果的な溶接のために必要とされるぴったりとした接触状態に強制的にするために、２つのシートのどちらかの側に配置される。そのような２つの空気噴射システムは、一貫した溶接および切断を成し遂げるために２つのレーザビームの焦点を維持することが困難であるため、製造工程を複雑にする。２つのレーザシステムはまた、一方のレーザのレーザビームが他方のレーザに戻ってそれを損傷させるのを防止するための特別な光学系が求められる。

次に、他のプラスチックバッグ形成装置は、真空止めテーブルと、切断および溶接動作を行うために上記テーブルの周りを移動できる単一のレーザとを利用する。それは、ぴったりと接触して溶接されるべきシートを引き伸ばすために、フレームあるいはローラを用いる。この発明の欠点は、引き伸ばしている間にシートが歪んだ状態になってしまうことであり、また最終製品においてしわが発生してしまうことである。そして、この方法は加熱されたローラとプラテンの使用を必要とする点も欠点である。より重要なことは、フレームを使う方法および装置は、とても大きなシートをシート全体にわたって接触状態を一定に保つように効果的に引き伸ばしておくことができないので、製造できるバッグあるいはアセンブリの大きさを制限してしまうことである。いくつかの新しい試み、特に細胞培養のためのバッグにおいて、６×１０フィート（1.8ｍ×3ｍ）を優に超えるおおきなバッグを作ることが必要である。

透明皮膜(clear film)のレーザ切断のほかの問題点は、気化した皮膜粒子が皮膜の表面に再蒸着してしまう傾向にあることである。このことは、医薬品の製造に適していない見苦しい外観にしてしまう。ほかの従来技術の装置の主な制限としては、二次元すなわち平面的なアセンブリに限定されてしまうことである。しばしば、三次元構造物を形成するために熱可塑性シートを溶接することが求められる。そうするためには、溶接されるシートが固定フレームによって負わされる制限無しにいかなる方向へも自由に移動できる、狭い溶接領域を持つ溶接方法および装置が必要である。

したがって、簡単にバッグやアセンブリを形成するために、使用者が一貫した溶接や切断を維持することができるシステムへの要求が存在している。また、６×１０フィート（1.8ｍ×3ｍ）を優に超えるおおきなバッグを使用者が作れるようなシステムへの要望も存在している。

本発明は上記背景技術に鑑みてなされたものであり、本発明の目的はバッグやその他のアセンブリを形成するために、材料の一貫した溶接および切断を可能にするシステムおよび方法を提供することである。

本発明の望ましい実施形態において、プラスチックバッグを形成するための方法が開示されている。そのようなバッグを作るには、プラスチックシートを切断して２つのプラスチックシートを接合することが必要である。これは、１）第１シートにおけるバッグの輪郭の切断、２）第１シート上への第２シートの配置およびバッグを形成するための画成された継ぎ目に沿って両シートを共に溶接すること、および３）完成品のバッグを形成するためにバッグの輪郭を切り落とすこと、などを含んでいる。その方法は、切断輪郭と、支持プラテンの上面のその切断輪郭における溝と、支持プラテンを通る溝内の複数の貫通穴を有する支持プラテンを設けるステップを有する。支持プラテンに下側は、切断動作中に蒸発したフィルムが貫通穴を通して排気され、切断されたフィルム上に蒸着しないように、上面に対して低い圧力に維持されている。蒸発した材料の移送を促進するために、ガスジェットがレーザと同軸に提供されている。他の貫通穴も支持プラテンに設けられている。これらも下側の低圧部に接続され、動作の間シートが移動しないようにプラテン上のシートを保持するのに必須である。

プラテンの穴の開いた溝は、切断輪郭に倣っている。溶接のために、プラスチックフィルムを加熱はするが切断はしないように、レーザビームは焦点がぼかされる。溶けた材料が共に融合するように、同軸のガスジェットは２つのプラスチックフィルムを溶接領域で強制的に一緒にする。ゆがみやしわを低減するのに、ガスジェットは溶接領域を迅速に冷却する。フィルムは溶接作業中を通して切断されないので、溶接経路に沿って支持プラテンに溝や貫通穴を設ける必要がある。

支持プラテンに必要な溝や貫通穴は、バッグを製造するために使用されるのと同じレーザ装置によって作ることができる。このことは、新しいバッグのパターンを迅速に作ることを容易にする。その装置は、ポートや典型的にはバッグアセンブリに取り付けられる他のプラスチックの付属品を取り付けるのにも使用できる。

本発明の実施形態に従って用いられるレーザ切断システムの一部を示す。図１のレーザ切断装置がどのように本発明の実施形態に従って利用されるかを示す流れ図である。本発明による図１のレーザ切断装置の斜視図を示す。本発明による図１のレーザ切断装置の押え付けプラテンの平面図を示す。本発明による図２の押え付けプラテンの断面図を示す。本発明によるバッグの上面にポートを有する、図１のレーザ切断装置を利用して作ったバッグを示す。本発明によるフィルムへのポート取り付け状態を示す。本発明によるフィルムへの他のポート取り付け状態を示す。本発明によるフィルムへの更に他のポート取り付け状態を示す。本発明によるフィルムへの更に他のポート取り付け状態を示す。本発明により溶接された三次元構造物を示す。

後述の「レーザ」という語句は、全てのレンズ、鏡およびレーザビーム供給システムを完成するための他の構成要素を含むものとして使用される。本願発明のこの利点及び他の利点は、添付の図面と共に後述の説明を読めばより明確となるであろう。

本発明の望ましい実施形態は、添付図面を参考に記載されており、同様の構成要素は同じ符号で示されている。望ましい実施形態の説明は例示であり、本発明の範囲を限定しようとするものでは無い。

本発明のレーザ切断装置は、従来の発明に対して以下のような利点を提供するものであり、１）固定面に対して水平面で作用する単一のレーザだけを利用し、２）シートを密接に接触させた状態で保持するためのフレームを不要とし、３）潜在的な汚染物吸収材料を必要とせず、４）一般的な意味で、薄いシートで提供されるあらゆる熱可塑性材料に応用でき、５）張力付与フレームの必要が無いようなとても大きなシートにも利用可能で、６）蒸発したプラスチックの再蒸着を防止し、７）三次元構造物を作るのに使用できるものである。

図１は、レーザ切断装置の一部を示している。レーザ切断装置１００は、第１のフィルム１０１と、第２のフィルム１０２と、一般的な支持プラテン１０３と、溶融領域１０４と、レーザ１０５と、開口１０６と、レンズ１０７（焦点レンズ１０７）と、ノズル１０８とを備えている。レーザ１０５は、このレーザ１０５から正確に合焦されたビームによって切断されるフィルム１０１，１０２からの距離を調節するために、鉛直方向に移動できる。切断動作の間、空気あるいは他の適切な気体が開口１０６によってノズル１０８に高圧で導入される。高圧で導入される高速の空気や蒸気が、切断されたプラスチックを通して蒸発したプラスチックを切断輪郭溝（切断部の下方に位置する）に押し込み、その後貫通穴を通して排気だまり(exhaust plenum)に押し込まれる。この特徴により、切断されたフィルム上への蒸発したプラスチックの蒸着は最小となる。継ぎ目の溶接は、レーザ１０５からの焦点をぼかしたビームによって実行される。レーザのエネルギはレーザ１０５から伝達され、レンズ１０７によって溶融領域１０４上で焦点を結ぶ。空気あるいは他の適切な気体が開口１０６によってノズル１０８に向けて高圧で導入される。高圧で導入される高圧空気或いは気体は、溶融したフィルム１０１、１０２を共に溶融領域１０４に押し、また溶接領域あるいは溶融領域１０４を迅速に冷却する。高圧の空気或いはガスが効果的に高い局所圧力を生成するように、溶接経路には貫通穴や溝が無い。本発明の鍵となる利点は、非常に狭い（０．５インチ未満）溶融領域をもたらすことである。狭い溶融領域は、複雑な固定手段の必要性を無くすという利点を示し、溶接部が三次元構造に必要な曲線や輪郭に従うのを可能にする。ヘリウムや窒素のような適切な不活性ガスが、フィルム１０１または１０２の炭化(charring)を防ぐために空気の代わりに用いられる。支持プラテン１０３は、支持体１０３と呼ばれます。本発明においてバッグ、容器あるいはその他のアセンブリを作るためにフィルム１０１、１０２だけが用いられるとしても、バッグ、容器あるいはその他のアセンブリを作るために多層フィルムが用いられる。

第１フィルムと第２フィルムは、ポリエチレン、二フッ化ポリビニリデン（PVDF）のような、燃える前に溶融する熱可塑性プラスチックである。第１フィルム１０１と第２フィルム１０２の寸法は、長さが０．５インチから１０フィート以上で、幅も０．５インチから１０フィート以上とすることができる。本発明の他の実施形態において、第１フィルム１０１と第２フィルム１０２は、長方形、多角形、四面体、八角形、正方形、あるいは当業者に知られているような何れかの形状を有してもよい。第１フィルム１０１と第２フィルム１０２は、３?４０ミリインチ(mils)の範囲の厚さを有していてもよい。第１フィルム１０１と第２フィルム１０２は、１２ミリインチの厚さを有していることが望ましい。

フィルム支持プラテン１０３は、下記のような様々な機能を発揮する。
１）切断や溶接作業中にフィルムが移動できないように、フィルムを固定するための真空を付与するために、プラテン１０３の貫通穴が使用される。

２）プラテン１０３は、蒸発したプラスチックフィルム１０１が迅速に取り除かれるのを可能にするための溝４０１を有している。レーザ１０５からの切断先端からのガスジェットを伴うこれらの真空溝４０１は、全ての蒸発した材料を真空システムあるいは真空収集装置に強制的に入れ、而して完成したフィルムの上に再蒸着するのを防止している。

３）ノズル１０８から制御された圧力の空気ジェットが与えられた場合、プラテン１０３は溶接作業中にフィルム１０２を強固に支持する。
４）プラテン１０３は、２つのシート状のフィルム１０１，１０２の間に空気溜まりができるのを防ぐ。プラテン１０３は、切断作業中に生成される蒸発したプラスチック蒸気(fume)が吹き流されるように、各切断輪郭４０９の下に溝４０９を有している。支持プラテンの上側板４０５は高密度ポリプロピレンのような、熱可塑性プラスチックから作られている。この材料は、プラスチックフィルムの切断や溶接のために使用されるのと同じレーザ１０５によって切断され穴あけされることができる。このように、特別のプラテンを何れかの寸法のバッグのために迅速に作ることができる。固定具は不要である。プラテン１０３と製造されるべきバッグの相対的な大きさに応じて、単一のプラテンで複数のバッグを作ることができる。

支持プラテン１０３の上側板４０５あるいは上面４０５は、高密度ポリプロピレンのような熱伝導性の低い材料によって製造される。一方で、それはヒートシンクとして作用し、溶融あるいは溶接領域１０４からエネルギを引き出す。これにより、強い継ぎ目の形成を阻害する。上側板４０５のために使用される材料は、それが切断及び溶接作業中にフィルムに貼り付かないように、非粘着性のものから選択される。望ましい実施形態において、上側板４０５はアクリルやポリプロピレン材料から作られる。

図３はレーザ切断装置を示している。バッグを作るためにフィルムを一緒に切断して溶接するガントリー(gantry)ロボット装置は、Ｘ、Y、Ｚ方向に移動できるガントリー３０１に取付けられた水平の支持プラテン１０３とレーザ１０５を備えている。ガントリー３０１は、位置決め装置としても知られている。ガントリー３０１はレーザ１０５と支持プラテン１０３とを互いに相対的に動かすことができるので、レーザ１０５を何れの位置にも位置決めすることができる。ガントリー３０１の速度および動きのプロファイルは一般的なコントローラ３０３で制御され、そのコントローラはガントリー３０１に接続され、コントローラ３０３はコンピュータプログラムの指令の下で動作する。コントローラ３０３は、レーザエネルギを放射するためにレーザ１０５にオンとオフを指令し、またいずれかの所望の速度で直線と曲線の組み合わせ経路に従って移動させるために指令する。再位置決めを容易にするために、レーザ１０５はスイッチオンまたはオフされる。ガントリー３０１はレーザ１０５に連結されて示されてはいるが、プラテン１０３とレーザ１０５との間で相対移動を実現するために、代替的に支持プラテン１０３に取り付けてもよい。本発明の他の実施形態において、コントローラ３０３はプロセッサやメモリにコンピュータプログラムを保持する一般的なコンピュータであり、これはガントリー３０１やレーザ１０５の動作を制御する。本発明の更に他の実施形態において、コントローラ３０３は、一般的な多軸動作コントローラであり、この多軸動作コントローラはプログラムを実行し、協調的な事態においてシステムの様々な部分を動かすためにモータドライブへの信号を生成する。コントローラ３０３はまた、レーザ１０５のノズル１０８を通してガスあるいは空気圧を開放する圧力容器（図示略）へ接続されている。コントローラ３０３は、溝４０１において第１フィルム１０１と第２フィルム１０２とを溶接するために（図４参照）、レーザ１０５と支持プラテン１０３とを互いに相対的に動かすために、ガス圧力容器、レーザ１０５およびガントリー３０１を制御する。

レーザ１０５はまた、焦点を結んだ状態での切断から焦点がぼけた状態での溶接作業に変更するため、あるいは異なる厚さのフィルムに焦点を維持するべく、焦点を変更するために鉛直（Z）軸方向にも移動できる。速度、レーザ強度、焦点距離は、フィルムの材料と厚さに基づき実験的に計算され決定される必要がある。速度、レーザ強度、そして要求される焦点長さは、溶接されるべきフィルムの融点、フィルム厚さそして要求される溶接幅のようなフィルムの特性によって決定される。

図２は、どのようにレーザ切断装置が利用されるかを示すフローチャートである。ブロック２０１において、支持プラテン１０３（図１）が特定のバッグあるいはアセンブリのために作られる。溝４０１（図４）は、ドリルを使うような一般的な態様でフィルム１０１のようなフィルムに対して輪郭即ち切断輪郭に沿って、支持プラテン１０３の上側板４０５の上に作られる。穴、即ち排気ポート４０３は蒸気を上側板４０５の下側に向けるために、溝４０１に所定の間隔で作られる。追加の穴即ち貫通穴４０７は、切断及び溶接作業の間フィルム１０１を固定的に保持するために、上側板４０５の外側部にある。また、追加の穴、即ち貫通穴４１１は上側板４０５の内側部にあり、そこで穴４１１は上側プラテン４０５に切断されたフィルム１０１を固定するため、およそ０．３から１．０インチの距離範囲で共に近接離間している。貫通穴４１１は互いに０．５インチ離間していることが望ましい。溝４０１は、図５に示されるように上側プラテン４０５内に部分的に延びている。この上側板４０５は、ハニカム状あるいは多孔質の中間板５０３によって支持されている。中間板５０３は、内側穴４１１および外側穴４０７から収集装置へ凝縮した粒子を継続的に吸引する１つ又はそれ以上の真空源に接続された真空開口５０５を有する箱５０１内に置かれている。

次に、ブロック２０３において、第１フィルム１０１は支持プラテン１０３上に置かれている。使用者は、フィルム１０１のシートをフィルムのロールから物理的に取り出し、すなわちフィルムをスプールから引き出し、それを支持プラテン１０３の上に置けばよい。本発明の他の実施形態において、フィルム１０１が支持プラテン１０３の上に置かれた後、使用者は一般的なしわ延ばし装置でフィルム１０１を平坦にする。このとき、フィルム１０１を支持プラテン１０３の上に固定するために、１つ又はそれ以上の真空源が上側板４０５の内側穴４１１と外側穴４０７から空気を吸引する。

図２に示すように、ブロック２０５において、フィルム１０１はレーザ１０５によって切断される。レーザ１０５は、フィルム１０１を切断するために溝４０１のすぐ上の切断輪郭４０９上にレンズ１０７が焦点を結ぶように、コントローラ３０３（図３）によってフィルム１０１上に向けられるレーザを用いている。レンズ１０７は、小さな点として焦点を結ぶように設定され、フィルム１０１を通って切断するために十分な設定速度で移動し、そこで切断輪郭４０９の周りでフィルム１０１を切断するためにレンズ１０７が用いられる。切断工程のために、レーザ１０５は切断のために適切となるように焦点が設定される。切断のためのレーザスポットの寸法は溶接のためのものより小さい。切断のための典型的なスポット寸法は、外側直径で０．０１０インチ未満が望ましい。

フィルム１０１が切断されると、切断輪郭４０９のフィルムの外側部分は蒸発プラスチックとなり、それは溝４０１および穴４０３を通して中間板５０３に向けて下方に吸引される。穴４０３の底部の１又はそれ以上の真空源は、真空開口５０５を通して収集装置へこれらのフィルム１０１の蒸気および凝縮した粒子を吸引する。切断工程の後に、Ｚ軸に沿ってレーザ１０５を上下に動かすことによって、外側径がおよそ０．１から０．３インチのスポットとなるように、レーザ２０５は溶接設定へとコントローラ３０３によって焦点がぼかされ、ポート６０３がフィルム１０１に溶接される。随意的に、バッグを作る場合にフィルム１０１上にポート固定具又はその他の固定具を溶接するために、使用者はコントローラ３０３を利用することもできる。ポート固定具またはその他の固定具は、しばしばサンプルポートを設けることが求められ、またバッグへ管を接続することも求められる。図６を参照すると、典型的な細胞培養バッグ６０１が示されており、それは複数の面(face)ポート６０３を備えている。これらのポート６０３は、図７Aから７Dに示されるように、バッグに簡単に取付けることができる。

図７Ａは、プラテンの上側板４０５の凹み７０１を示している。図７Ｂは、どのようにポート取付け具６０３またはポート固定具が最初にプラテン上側板４０５のプレート開口７０１に置かれるかを示している。ポート取付け具６０３は、中間板５０３に支持されている。第１の熱可塑性フィルム１０１は、ポート取付け具６０３の上に置かれる（図７Ｃ）。

図２を参照すると、随意的にレーザビームレンズ１０７の焦点が溶接に適した設定にコントローラ３０３によって切り換えられ、ポートをしっかりとフィルム１０１に取り付けるために、各ポート固定具６０３の周りの溶接領域１０４において、１カ所またはそれ以上の溶接が行われる。図示のように、レーザ１０５はポート固定具６０３の開口に対して傾斜する傾斜面７０３を生成するように制御される。次に、フィルム１０１においてフィルム開口７０５がレーザ１０５によって切断される（図７Ｄ）。このフィルム１０１に対するポート固定具６０３の随意的な溶接は、フィルム１０１がレーザ１０５によって切断される前あるいは後になされる。

ブロック２０７において、フィルム１０１から余ったフィルムが取り除かれる。この余ったフィルムは、切断輪郭４０９の外側の外側穴４０７に沿って、あるいはフィルム１０１の縁に沿っており、これは使用者によって手作業で取り除かれる。次にブロック２０９において、第２フィルム１０２が第１フィルムの上に置かれるかあるいは直接第１フィルムの上に配置される。使用者は、フィルムのロールからフィルム１０２のシートを物理的に取り出す、すなわちフィルムをスプールから出し、それを切断された第１フィルム１０１の上に置く。本発明の他の実施形態において、第２フィルム１０２が切断された第１フィルム上に置かれた場合には、使用者は一般的なしわ取り装置でフィルム１０２を平坦にする。

ブロック２１１において、切断時に使用されるよりも広いスポット（直径１／６から３／８インチの範囲）となるように、使用者はレーザ１０５とレンズ１０７に焦点がぼけるように指示するために、コントローラ３０３とガントリー３０１を利用し、これが継ぎ目を形成するための溶接部を生成する。高速空気が、レーザ１０５からのビームと同軸にノズル１０８から放出される。そしてレーザ１０５は、溶融領域１０４（図１参照）のような溝４０１に沿った所望の溶接経路に沿ってガントリー３０１によって動かされる。これは、強い溶接部を形成しかつ焦げや歪みを避けるべく溶接領域を迅速に冷却するために、フィルム１０１と１０２の溶融した材料を一緒に押す。レーザ１０５と支持プラテン１０３は、継ぎ目によって作られる継ぎ目輪郭を形成する第１フィルム１０１と第２フィルム１０２を溶接するために、お互いに対して動かされる。レーザ１０５は、所望の継ぎ目幅ととけ込みを形成するため、所定の速度で動く。本発明の一実施形態において、レーザ１０５はおよそ１から５ｃｍ／秒で移動する。レーザ１０５のレーザエネルギは１０から３００Ｗの範囲であり、それは最低でも２５Ｗであることが望ましい。レーザ１０５の速度は、所望の継ぎ目を生成すための制御された割合である。このことは、曲がった継ぎ目を形成でき、継ぎ目の形状に制限が無いという利点を有する。本発明の他の実施形態において、フィルム１０１および１０２に対して積層フィルムが用いれる場合、そのような材料は加熱溶接できるように互いに位置決めされるのが望ましい。空気ノズル１０８に供給される空気の圧力は、プロセスを最適化するために調節される。典型的な圧力範囲は、直径が約０．３２５インチのノズル１０８に対して５?２０ポンド／平方インチ(psi)である。空気の噴流は、支持プラテン１０３に向けて第２フィルム１０２を第１フィルム１０１に押し付ける。

この緊密な接触は、２つの溶融した層において共に溶かし、溶接部を形成する。溶融した材料が所望の継ぎ目幅から流れ出すのを防ぐために、空気が迅速に溶融領域１０４（図１参照）を冷却する。溶接されるフィルムは、２つのフィルムの間に存在する何らかのガスを取り除くための真空テーブル５０７と溶融した層を一緒に押すために溶融領域に向けられる制御された圧力でのノズル１０９からのガスあるいは空気の噴射との組合せによって、レーザによる溶融領域１０４のすぐ周りの緊密な接触で保持される。迅速な冷却は例えば、加熱密封方法では一般的である、歪みやしわ無しで強い溶接を提供する。レーザ１０５は、バッグを形成するために、第１フィルム１０１と１０２とを継ぎ目溶接するコントローラ３０２によって動かされる点光源レーザビームを利用し、それにはレーザ強度とレーザ１０５の移動速度の注意深い最適化が必要である。形成された継ぎ目は大変強く、層剥離することはない。縁部は、仕上げすなわち製造後の作業を必要としないよう、精密に切断される。そして、配管やその他のアセンブリがバッグに取り付けられ、ガンマ線を用いる滅菌のために包装される。自動化された組み立て工程は、バッグの内側面への人の接触を最小限にする。全ての作業はクリーンルームで行うことができる。プラテン１０３の設計では、切断及び溶接作業中に生成される何らかの粒子状汚染物質を一掃する。

一旦、ブロック２１１での継ぎ目溶接作業が完了すると、レーザ１０５はブロック２１３でロボットガントリー３０１によって切断モードに戻って焦点を結び、経路は切断輪郭４０９に沿って仕上げられたバッグのような最終的なバッグを切断するために戻る。レーザ１０５の取付台はＸ軸とＹ軸の両方に移動可能であるので、直線、曲線および不規則な形状が可能であり、そしてこの工程が終了する。継ぎ目は、複雑な曲線を含め何れの形状であってもよい。この作業は、１つの経路で複数のバッグの効率的な製造を可能とし、また最終製品の手仕上げの必要を無くすことができる。

本発明の方法の主な利点は、溶接点を除いて２つのフィルム１０１，１０２の間の接触が不要な点である。フィルムは適切な寸法に切断されるので、フィルムは如何なる向きでもプラテン上に配置できる。それらは、自由に再位置決めできる。精密な固定操作が不要であり、これにより所用時間と複雑性を無くすことができる。同様に、第２フィルム層は精密な再位置決めを必要とすることなく、単に上に載せるだけでよい。しわを無くすために再位置決めすることはできる。

この方法は、熱特性に互換性がある限りにおいては、異種材料にも容易に適応することができる。全体のバッグ製造作業はシートの移動無しで行われるため、複雑な位置決め装置などの必要は無い。フィルムはバッグが完成するまで手で触られないので、この工程は自動化された作業に大変適している。フィルムを扱うのを低減することで、しわ、亀裂や他の損傷を最小限にできる。

三次元の容器を作るための能力が図８に示されている。レーザ１０５の角度「Ｔ」も調節することができる。押し下げプラテン８０１は、２つの隣接する表面８０３，８０５上の排気ポート４０３と貫通穴４０７（図４）を伴う溝４０１を有する三次元構造である。これは、多角形や円形断面のバックや容器のような複雑な三次元構造の形成を可能にする。

本発明の方法および装置は、主に薬剤や細胞培養用途のためのプラスチックバッグの製造に関連している。そのようなバッグは一般的に、バッグを形成するために一緒に継ぎ合わされる２つのフィルムから製造される。サンプリングや充填等のためのポートは、バッグの上壁、底壁あるいは側壁に設けられる。その方法は最初にプラテン１０３の準備工程を含み、そこではバッグの切断輪郭がエッチングされる。本発明の望ましい実施形態において、この工程は、フィルムの切断や溶接作業で後に使用される同じレーザ１０５によってなされる。同じレーザ１０５を使用することは、作業の数を減少させ、またプラテン１０３を位置決めする必要を無くす。プラテン１０３はまた、固定すなわち押し下げ装置として機能するために、穴があけられている。フィルムのロールは、フィルムが巻き出されてプラテン１０３の上に平坦に載せられるように位置決めされている。

上面に置かれようとする１つまたはそれ以上のポート固定具６０３（図６）は、プラテン上側板４０５のプレート凹部７０１へ逆さまに置かれる（図７(Ａ))。上面に置かれようとするフィルム１０１はプラテン上側板４０５に最初におかれ、フィルムを平坦で且つしわなしで押し下げるために、真空開口５０５を介して真空が付与された真空テーブル５０７に置かれる。この真空テーブル５０７を利用することによって、何らかの集積(bunching)もなくフィルム１０１，１０２が平坦に保持される。

図５を参照すると、中間板５０３は真空開口５０５を有する箱５０１に載っており、第１フィルム１０１と１０２の間のすべての空気を吸引するために、真空テーブル５０７あるいは真空板が真空開口５０５に取り付けられている。真空テーブル５０７は、フィルム１０１，１０２を正しい位置に保持し、ノズル１０８からの蒸気やガスおよび凝縮した粒子がフィルム１０１，１０２の切断線や溶融領域１０４を汚染する前に取り除くために用いられている。フィルム１０１、１０２を正しい位置に保持するために最低１０インチの水(H₂O)が必要であり、だから真空テーブル５０７のブロアはテーブルの寸法および開放面積の大きさに応じたこの真空レベルを保つために十分な空気を移動させる寸法でなければならない。プレート５０３と箱５０１とは、プラテン１０３に対してマニフォルドを形成する（図１参照）。

切断および溶接されるフィルム１０１は、上側板４０５上に置かれる。切断のために、レーザビームが溝４０１のすぐ上のフィルム１０１上へ向けられる。フィルム１０１が切断されると、蒸発したプラスチックは溝４０１および穴４０３を介して中間板５０３に引き下ろされる。真空テーブル５０７の真空源は、これらの蒸気および凝縮した粒子を真空開口５０５を通して収集装置に吸引する。これらの穴４０７は、フィルム１０１が図４に示されるように押しつけられるのに必要な位置に設けられる。均等な穴の配置レイアウトではなくても、フィルム１０１を押し下げるのに必要な真空を著しく減少させることは無い。

本発明は、使用者が素材からバッグやアセンブリを形成するのを可能にするための、材料のレーザ切断や溶接のための装置を提供する。使用者は、バッグやアセンブリを形成するために、単純に材料の一貫した溶接および切断を維持するために装置を利用できる。この装置は、寸法が６フィートを超えて１０フィートまでのバッグを形成する場合に、２つあるいはそれ以上の材料の間の強い接合を形成し、また焦げや歪みを避けるために材料の間の溶接領域を冷却するために、使用者がレーザビームと同軸で空気を方向付けるのを可能にする。しかして、本発明は使用者に対し、バッグ、アセンブリ、あるいは何らかの三次元構造物を形成するために２つ又はそれ以上のフィルムを切断し溶接する簡易な方法を提供する。

本発明は具体的な実施形態を用いて上記のように説明したが、請求項で定義されるその思想や範囲から逸脱することなく、本発明には多くの改良や変更が可能であることは当業者には明らかである。

Claims

プラスチック容器を形成する方法であって、
切断輪郭と、上面のこの切断輪郭の溝とこの溝に接続された複数の排気ポートとを有する支持プラテンであって、複数の離れた貫通穴が支持プラテンの上面にあり、溝が切断輪郭を画成するように構成された支持プラテンを設け、
第１フィルムを支持プラテンの上面に配置し、
支持プラテンの上面の切断輪郭に沿って第１フィルムを切断するためにレーザを照射し、
第１フィルムの上に第２フィルムを配置し、
第１フィルムを支持プラテンに固定するために複数の排気ポートと複数の離れた貫通穴を真空源に接続し、
第１フィルムと第２フィルムとを溶接するために、溶接の間レーザからのビームと同軸に、継ぎ目において第２フィルムが第１フィルムに接触するのを維持するようにガス噴流を第２フィルムの溝の位置に向け、
継ぎ目輪郭に沿って第１フィルムと第２フィルムを溶接すためにレーザと支持プラテンとを相互に移動させ、
仕上げられたバッグを提供するために、切断輪郭に沿って第１フィルムと第２フィルムを切断するためにレーザを照射する、ことを特徴とする方法。
容器の切断輪郭を形成するために、第１フィルムと第２フィルムとを切断するために、レーザと支持プラテンとを相互に移動させることを含む、請求項１に記載の方法。
前記レーザと支持プラテンとの間の距離は、焦点を結んだ切断と焦点がぼかされた溶接との間で切り替えのために変更される、請求項２に記載の方法。
前記支持プラテンはくぼみを備えており、さらに前記くぼみにポート取付け具を配置し、支持プラテン上のポート取付け具の上に第１フィルムを配置し、第１フィルムに取付け具を溶接するためにレーザと支持プラテンとを相互の移動させる、請求項１に記載の方法。
更に、第１フィルムにポート取付け具を溶接するためにレーザを制御し、ポート取付け溶接部によって囲まれる開口を形成するために第１フィルムを切断するためにレーザを制御する、請求項４に記載の方法。
更に、開口に対して傾斜する傾斜面としての取付け具溶接部を形成するためにレーザを制御する、請求項５に記載の方法。
更に、溝において前記第１フィルムと第２フィルムとを溶接するために、レーザと支持プラテンとを相互に三次元移動させる、請求項１に記載の方法。
バッグを作る方法であって、
溝と複数の排気ポートを有する輪郭を支持プラテンに形成し、
支持プラテンの内側部分に複数の第１穴を設け、
第１フィルムを固定するように複数の第１穴が構成された支持プラテン上に第１フィルムを配置し、
支持プラテン上の輪郭に沿って第１フィルムを切断するためにレーザを照射し、第１フィルムの外側部分はレーザによって蒸発させられるように構成され、溝と複数の排気ポートに向かって吸引され、
第１フィルムの余剰部を取り除き、
第１フィルムの上に第２フィルムを配置し、
継ぎ目へのレーザを通して向けられている高速空気と同軸の溝へのレーザの焦点をぼかし、
継ぎ目輪郭に沿った所望の経路に沿ってレーザを移動させ、レーザは溝の上での溶接領域において第１フィルムと第２フィルムとの間に溶接部を形成するようにされ、高速空気は溶接領域を冷却するようにされ、そして、
バッグを形成するために輪郭に沿った切断部へレーザを向ける、方法。
複数の排気ポートが溝内に所定の間隔で配置されている、請求項８に記載の方法。
更に、支持プラテンの外側部分に複数の第２穴を設ける、請求項８に記載の方法。
複数の第２穴は、支持プラテンへ第１フィルムを押しつけるように構成されている、請求項１０に記載の方法。
複数の第１穴はたがいに近接して配置されている、請求項８に記載の方法。
複数の第１穴は、０．３から１．０インチの距離範囲で互いに近接して配置されている、請求項１２に記載の方法。
更に、支持プラテンを支持するように構成された多孔質の中間板を設ける、請求項８に記載の方法。
中間板は、複数の第１穴と複数の第２穴から凝縮した粒子を継続的に吸引する真空開口を有する箱に載っている、請求項１４に記載の方法。
真空開口は少なくとも１つの真空源に接続されている、請求項１５に記載の方法。
更に、支持プラテン上の輪郭に沿って第１フィルムを切断するためにレーザを方向付けるように構成されたコントローラを設ける、請求項８に記載の方法。
レーザの焦点をぼかすことは、コントローラがレーザに対して広いスポットへ向けて焦点をぼかすよう指示するように構成されていることを含む、請求項８に記載の方法。
広いスポットは、略１／６から３／８インチの範囲の直径を有している、請求項１８に記載の方法。
レーザに向けられる高速空気は、５から２０(psi)の範囲の圧力で向けられる、請求項８に記載の方法。
更に、ガンマ線照射を用いてバッグを滅菌する、請求項８に記載の方法。
容器を形成するためのシステムであって、
溝と複数の排気ポートを有する切断輪郭を備える支持プラテンであって、複数の第１穴を有する内側部分を備える支持プラテンと、
支持プラテン上に設けられた第１フィルムであって、複数の第１穴によって支持プラテンへ固定されるように構成されている第１フィルムと、
レーザを備えているガントリーに接続されたコントローラであって、ガントリーは第１フィルムおよび支持プラテンの上に配置されているコントローラと、
支持プラテン上の切断輪郭に沿って第１フィルムを切断するように構成されたレーザと、
ガントリーと第１フィルムとの間の第１フィルム上へ配置される第２フィルムと、
継ぎ目輪郭へのレーザを通して向けられている高速ガスと同軸の継ぎ目へのレーザの焦点をぼかすように構成されたコントローラとを備え、
コントローラは継ぎ目輪郭に沿ってレーザを動かすように構成され、レーザは溶接領域の継ぎ目輪郭で溶接部を形成するように構成され、高速ガスは溶接領域を冷却するように構成されている、システム。
支持プラテンは中間板によって支持されている、請求項２２に記載のシステム。
前記中間板は、少なくとも１つの真空源に接続された真空開口を有する箱に置かれるように構成されている、請求項２３に記載のシステム。
前記コントローラは、０．１から０．３インチの範囲のスポット直径にレーザの焦点をぼかすように構成されている、請求項２２に記載のシステム。
前記コントローラは、Ｚ軸に沿ってレーザ焦点レンズを上下に動かすように構成されている、請求項２５に記載のシステム。
前記レーザは、連続した継ぎ目を生成するために、レーザが溶接部を形成しているときに制御された速度割合で動くように構成されている、請求項２２に記載のシステム。
高速ガスは、支持プラテンに対して第２フィルムに向けて、第２フィルムを押すように構成されている、請求項２２に記載のシステム。
高速ガスはヘリウムである、請求項２２に記載のシステム。
高速ガスは窒素である、請求項２２に記載のシステム。
第１フィルムと第２フィルムは熱可塑性フィルムである、請求項２２に記載のシステム。
熱可塑性フィルムはポリエチレンおよびニフッ化ポリビニリデンからなる群から選択される、請求項３１に記載のシステム。
第１フィルムと第２フィルムは、長方形、多角形、四面体、八角形、正方形および他の形状からなる群から選択される形状を有する、請求項２２に記載のシステム。
第１フィルムと第２フィルムは、３から４０ミルの範囲の厚さを有する、請求項２２に記載のシステム。
第１フィルムと第２フィルムは、１２ミルの厚さを有する、請求項３４に記載のシステム。