JP6416101B2 - レーザ光透過溶接のための装置およびレーザ光透過溶接のための方法 - Google Patents

Description

本発明は、２個のプラスチック接合部品のレーザ光透過溶接のための装置、レーザ光透過溶接によって２個のプラスチック接合部品の溶接接続部を製造する方法、該方法によって得ることができる複合部品、および該複合部品の使用に関する。

概して、プラスチック、特に異なるプラスチックで作製された成型部品を確実に接合することには種々の可能性がある。例えば、２個の成型部品は、結合または溶接法を用いた材料間接続によって共に接合され得る。溶接法の一例は、レーザ光透過溶接である。例えば、後者は、体外での血液処理用のカートリッジモジュールとして使用される剛直な射出成型部品上にフィルムを溶接するのに適している。

レーザ光線を用いた溶接法の根本的な物理的原理は、適用されるレーザ光線の少なくとも一部が、共に接合される２個の成型部品の少なくとも一方の材料によって少なくともある程度吸収され、そのレーザ光線の少なくとも一部が熱に変換されて、レーザ光線によって加熱される位置での加熱によって前記材料が溶かされて、その結果、前記材料は流体になって、第２の成型部品のプラスチック材料との確実な結合が可能になることを要する。

レーザ光溶接法の特別な形態、つまり、レーザ光透過溶接法は、他の溶接法と比べて、接合表面の幾何学的形状が複雑であっても迅速かつ効率的に溶接され得るという利益を有する。例えば、接合相手は、溶接の間、つまりレーザ光線が吸収されない間、レーザ光線によって全体に亘って照射される。そして、成型部品の第２の接合相手またはその部分は、熱の発生を伴うレーザ光線を吸収できるべきである。通常、前記照射は、接合相手の外側面から生じる。

溶接法の範囲を定めるパラメータは、使用されるレーザ光線の波長および該波長でのプラスチックの吸収挙動である。特に、波長が６１０〜８４０ナノメータである高出力ダイオードレーザおよび波長が約１０５０ナノメータであるＮｄ：ＹＡＧ固体レーザは、可視光の範囲（４００〜７５０ナノメータ）または赤外線の範囲のいずれでも使用される。もっとも、波長が約１１０００ナノメータであるＣＯ_２ガスレーザも使用され得る。

レーザ光線が加熱されるプラスチック部品に衝突すると、レーザ光線は反射され、吸収され、透過される。プラスチックを貫通する光線の強度の低下は、材料の深さに基づき、いわゆるブゲールの法則に従って説明され得る。ここで、入射強度は、材料の深さに伴って指数関数的に低下する。レーザ光溶接法の基本的な原理は、例えば、Ｐｏｔｅｎｔｅらの“Ｌａｓｅｒｓｃｈｗｅｉｓｓｅｎ ｖｏｎ Ｔｈｅｒｍｏｐｌａｓｔｅｎ[熱可塑性プラスチックのレーザ光溶接]”（Ｐｌａｓｔｖｅｒａｒｂｅｉｔｅｒ １９９５，Ｎｏ．９，ｐ．４２ｆｆ．）、Ｋｕｎｓｔｓｔｏｆｆｅ ８７（１９９７，ｐ．１１ｆｆ．）でのＦ．Ｂｅｃｋｅｒらの“Ｔｒｅｎｄｓ ｂｅｉ Ｓｅｒｉｅｎｓｃｈｗｅｉｓｓｖｅｒｆａｈｒｅｎ[連続溶接法のトレンド]”、およびＭｏｄｅｒｎ Ｐｌａｓｔｉｃｓ（１９９７，ｐ．１２１ｆｆ．）でのＰｕｅｚらおいて示される。

吸収挙動、およびそれに伴う、特定の波長でレーザ透過性であるポリマーまたはプラスチックでの伝播は、例えば、吸収材を混合することによって制御され得る。該吸収材は、例えば、カーボンブラックおよび近年開発された特定の色素である。このような制御可能な吸収挙動を可能にする色素の種類は、市場で入手可能なものであり、定義された波長でレーザ溶接を許容するために、ポリマー混合物に特に添加されるように開発されたものである。この目的のために、“Ｕｓｅ ｏｆ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｄｙｅｓ ｆｏｒ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｌａｓｅｒ Ｗｅｌｄｉｎｇ ｏｆ Ｐｌａｓｔｉｃｓ”（Ｔｅｃｈ ２０００ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ，ｐ．１１６６ｆｆ．）で開示された色素を使用することが可能である。

概して、溶接される接合相手に上記の吸収材を導入すること、例えば、フィルムおよび硬質プラスチック部品などに導入することに対する幾つかの可能性がある。第１の可能性として、前記吸収材は、前記硬質プラスチック部品に添加される。溶接の間、レーザ光線は、前記フィルム側から、フィルムおよび硬質プラスチック部品の配置の上へ方向付けられる。該プロセスにおいて、前記レーザ光線は、前記レーザ光透過性フィルムを貫通した後、前記硬質プラスチック部品に衝突する。前記硬質プラスチック部品は前記吸収材を含み、熱の発生に伴って前記フィルムへの溶接接続部を製造する。さらなる可能性は、例えば、印刷法を用いるなどで、前記硬質プラスチックと前記フィルムとの間に機能的な皮膜として前記吸収材を塗布することを含む。これに代えて、前記レーザ光透過溶接の間に要求される溶接温度を生ずるために、前記吸収材は、前記フィルム内にも混合され得る。

この場合、前記材料の「溶融」という用語は、相転移の意味において熱力学的な溶融として理解されるべきではなく、前記材料の軟化として理解されるべきであり、溶接条件においてプラスチックの加工性を得ることとして理解されるべきである。前記「溶融」という用語は、フィルム複合物における半結晶性ポリマーの熱力学的な溶融を包含することもできる。

プラスチックを溶接する間、溶融エネルギーが前記材料に導入される必要があるばかりでなく、溶接継目で接合される接合部品に接合力が加えられる必要がある。レーザ光溶接において、前記接合力は、レーザ光透過性プレス具または好適なクランプ装置によって生じ得る。

前記レーザ光透過法によってフィルムを溶接する場合、熱に曝される条件下で前記ポリマー溶融物の好適な流れをもたらし、これにより前記溶接を生じるために、前記接合相手は、一般に互いに押しつけられる。例えば、プラスチックフィルムなどの可撓性材料のレーザ光透過溶接の間、前記接合相手そのものは十分な硬さを有しておらず、前記接合相手そのものを介して前記溶融領域上に接触圧が伝わり得ないという問題が生じる。したがって、レーザ光透過溶接のために、フィルムは、前記溶接領域に好適な接触圧を生ずるプレス具によって覆われる必要がある。前記プレス具がレーザ光透過性のように設計されなければ、直接的なレーザ光照射は実現できないであろう。

フィルムのレーザ光溶接に使用されるレーザ光透過性プレス具は公知である。前記接合相手に一方向からプレス力を加えるため、および前記プレス機構を光学的に貫通できるレーザ光線で前記方向と同一方向から照射するために、圧力、加圧空気などに曝され得るガラスプレート、マット、クッションが使用され得る。

特に、この技術は、暴露される層に吸収材を含む多層フィルムを開発することによって練られた。その結果、レーザ光線を吸収することによって、局所的に限定するように、要求される溶接温度を２個の接合相手の溶接領域に直に生ずることが可能になる。前記溶接領域で前記接合相手の全部の溶融を引き起こすことを要さないので、前記接合相手の安定性は全体として維持される。後者は、これまでＣＯ_２レーザ溶接法の例に該当した。前記ＣＯ_２レーザエネルギーの吸収は、該方法においてプラスチック材料そのものによって生じ、前記接合相手の接触領域に限られない溶融を引き起こす。吸収エネルギーの発生が局所的に狭くなるように制限されるので、吸収材料を使用することによって、高エネルギーのレーザ光線を使用することが可能となる。これにより、製造において、より速いサイクル速度が実現され得る。

体外での血液処理または腹膜透析に用いられるカートリッジモジュールの製造において、フィルムは、剛直なカートリッジ本体上に溶接される（例えば、ＷＯ２０１０／１２１８１９、ＥＰ０９５６８７６）。ここで、予め決められた部位だけでカートリッジ本体とフィルムとの間の接合を可能にするために、レーザスポットは、輪郭溶接プロセスにおいて正確な経路を移動する必要がある。これらの溶接法の場合、例えば、既に述べたシリコーンマットを介したプレスがプレス手段として選ばれる。関連する溶接法は、ＷＯ２０１０／０１５３８０に記載される。これに代えて、プレスは、加圧空気を介して生じ得る。

しかし、これまでに確立された溶接法はそれぞれ、なお不都合を有していた。加圧空気を介したプレスによって、接触圧を高くすることは確立できなかった。該不都合は、前記接合相手のより強い溶融を容認することによってより重大になる。もっとも、その結果、前記カートリッジモジュールを製造するための製造時間が増加されるので、製造において不利である。

シリコーンマットを介したプレスでは、溶接部位のための十分に許容できる製造時間を得るために、高純度の周囲環境および材料を用いる必要がある。シリコーンマットに埋設される粒子、または静電気的な吸着により前記接合相手の表面に配置される粒子は、レーザ光線の吸収に伴って、前記接合相手の全体が溶融するような高い熱エネルギーを発生する。したがって、前記レーザエネルギーは、前記接合相手が受け得る損傷を回避するために低下される必要があるが、これにより、製造時間は長くなり過ぎるであろう。

さらに、レーザ光線が透明なガラスボールを通って前記接合相手の上に案内される溶接装置が知られている。前記プロセスにおいて、前記透明なガラスボールは、転がることができるように載置される。前記装置の全体は、前記ガラスボールによって前記溶接領域上に直に前記接触圧が生じるように、前記ガラスボールを介して前記接合相手の上に配置される。前記装置は、前記ガラスボール上での回転によって変位／移動されることができ、前記ガラスボール上での移動を許容され、予め定められた輪郭を溶接する。この装置は、重量が大きいために比較的動かしにくく、比較的軽量の接合相手、例えば、フィルムおよび射出成型部品の溶接への適性が低いことが、以前のシステムの不都合である。

ＥＰ１４０５７１３には、回転自在に載置されたガラスボールを用いた公知の溶接装置が記載されている。前記ガラスボールは、前記装置の残部に機械的に拘束されないシャフト内にバネによって載置される。このシステムでは、前記ガラスボールを備える前記拘束されない部品は、カートリッジモジュール上に輪郭溶接を実行可能にするには動かしにく過ぎる。動かしにくい構造のために、前記ガラスボールは、前記輪郭を描く間に、小さく跳ね上がらずに前記接合相手の凹凸に従うことができない。

ＥＰ１４４０７８４には、シャフト部品内に載置された透明なガラスボールを備える装置が記載されている。前記ガラスボールの側面を通過して案内される高温のガス流は、前記接合部品を予熱する。前記ガラスボールは大型の装置内に載置されるので、前記装置は極めて動かしにくい。

公知の溶接装置の加工ヘッドおよびそれに関して使用されるレーザ光線を導入させるためのガラスファイバの重量の重さおよび動かしにくさは、比較的高いプレス力を伴う溶接プロセスへと繋がる。該溶接プロセスは、望むように調整され得ず、低ダイナミクスであり、反応挙動が遅い。そのため、所望のプレス力が溶接される接合部品、例えば、フィルムに作用され、および欠陥のない溶接が短い製造時間中に得られるレーザ光透過溶接の溶接法が要望されている。

したがって、本発明の目的は、プラスチック接合部品のレーザ光透過溶接が正確かつ短時間に実現され得る装置および方法を明示することである。

一実施形態では、２個のプラスチックの接合部品のレーザ光透過溶接のための装置が提供され、前記プラスチック接合部品の少なくとも一方は、レーザ光線用の吸収材を含み、加工面、少なくとも１つのレーザ光線用の加工面出口シャフト、および前記プラスチック接合部品を共にプレスするレーザ光透過性プレス手段を備える加工ヘッドを備え、前記レーザ光透過性プレス手段は、前記出口シャフト内へ前記加工ヘッドに拘束されずに案内される。

さらなる実施形態は、レーザ光透過溶接により２個のプラスチック接合部品の溶接接続部を製造する方法に関し、前記プラスチック接合部品の少なくとも一方は、レーザ光線用の吸収材を含み、前記２個のプラスチック接合部品を重ねて配置することと、上述の実施形態に係る装置を用いてレーザ光線によって重ねて配置された前記プラスチック接合部品を共にプレスし、該接合部品を照射することとを備える。ここで、前記装置の前記加工ヘッドにおいて、前記レーザ光透過性プレス手段は、前記出口シャフト内で前記加工ヘッドに拘束されずに案内される。

別の実施形態によれば、共に溶接される２個のプラスチック接合部品を備える複合部品が明白になり、該接合部品は、上述の実施形態に係る方法によって得ることができる。

一実施形態では、上述の実施形態に係る複合部品は、体外での血液処理または腹膜透析のために使用される。

本発明に係る実施形態によれば、前記プレス手段が、前記シャフト内に固定されて載置されないことが可能になる。その代わりに、前記プレス手段は、前記出口シャフトに拘束されずに提供される。前記プレス手段は、前記出口シャフトによって取り囲まれるだけである。したがって、前記プラスチック接合部品を溶接するのに要するプレス力およびこの目的のために要する接触圧は、低く保たれることができ、精密に調整されることができる。この方法では、小さなプレス力を生じることができ、該プレス力は、軽量、薄型および／または可撓性の高い接合部品を溶接するのに特に適している。

さらなる特徴および使用は、以下の実施形態の説明、図面および従属項から生じる。

以下の実施形態の説明において、「プラスチック接合部品」および「接合部品」は同義的に使用される。

先に説明したように、一実施形態は、２個のプラスチック接合部品のレーザ光透過溶接のための装置であり、前記プラスチック接合部品の少なくとも一方は、レーザ光線用の吸収材を含み、加工面、少なくとも１本のレーザ光線用の加工面出口シャフト、および前記プラスチック接合部品を共にプレスするレーザ透過性プレス手段を備える加工ヘッドを備え、前記レーザ光透過性プレス手段は、前記出口シャフト内で前記加工ヘッドに拘束されずに案内される。前記装置は、少なくとも２個の、つまり、２個以上のプラスチック接合部品のレーザ光透過溶接のために用いられることもできる。

「拘束されずに」という用語は、本発明によれば、前記プレス手段が、前記加工ヘッド内および／または前記出口シャフト内を自由に移動できることを含む。さらに、「拘束されずに」という用語は、前記プレス手段が、固定される載置によらずに、前記加工ヘッド内および／または前記出口シャフト内に提供されることを含む。したがって、前記プレス手段は、特に、前記加工面に向かう方向およびそれとは反対方向において、前記加工ヘッド内および／または前記出口シャフト内を移動可能および／または変位可能にできる。

前記プレス手段は前記加工ヘッドに拘束されずに提供されるので、前記プレス手段によって作用されるプレス力は、精密に調整され、かつ加えられ得る。前記プラスチック接合部品を溶接するのに要するプレス力は、プレス手段の自重によって得られる。さらに、前記加工ヘッドの残部が前記プレス力に及ぼす影響は小さく維持される。このように、小さく、極めて精密であり、および／または一定のプレス力を生じることができるので、軽量、薄型および／または可撓性の高い接合部品、例えば、フィルムを溶接するのに特に適している。したがって、グリップアンドグライド効果とも呼ばれるスティックスリップ効果、つまり、互いに対して移動される固体のスティックスリップは、前記接合部品の溶接の間回避されることができる。例えば、溶接される可撓性フィルム内での皺の発生は、形成される溶接継目において回避される。

さらに、本発明に係る装置のプレス手段の重量は、前記加工ヘッドのバネ下重量を実質的に表わすので、小さなバネ下重量だけが溶接されるプラスチック接合部品に作用する。そのため、極僅かな表面の凹凸に極めて精密に作用する接触圧が実現され得る。したがって、本発明に係る装置は、２および／または３次元の輪郭を有する接合部品を溶接するのに特に適している。さらに、本発明に係る装置のプレス手段は、動かしにくい部分の重量が極めて小さいので、前記加工ヘッドの動かしにくい部分は全体として小さい。したがって、極めて高ダイナミックで、かつ送り速度の速いレーザ光透過溶接が、特に、ターニングポイントに伴う送り動作の間、前記装置を用いて実行され得る。さらに、極めて短い溶接サイクルが、本発明に係る装置を用いて実現され得る。

一実施形態では、前記プレス手段は、前記加工面に向かう方向およびそれとは反対方向に移動できる。そのため、前記プレス手段は、前記加工面に向かう方向およびそれとは反対方向に自由度を有する。例えば、前記出口シャフトは、前記加工面の方向に縦軸を有し、前記プレス手段は、前記出口シャフトの縦軸に平行に移動可能および／または変位可能である。これにより、前記プレス手段は、前記出口シャフト内において軸方向に移動可能および／または変位可能に案内されることが可能になる。これにより、前記プレス力と溶接される部位の高さの変化との間の誤差の調整をすることができる。加えて、前記プレス手段は、専ら、前記出口シャフトの縦軸に平行に移動可能および／または変位可能にできる。

一実施形態では、前記出口シャフトは内径を有し、前記プレス手段は前記出口シャフトの前記内径よりも小さな外径を有する。これにより、前記プレス手段が、前記加工ヘッドに拘束されずに前記出口シャフト内で動かされることが可能になる。

前記出口シャフトは、例えば、空室を有することができ、該空室において、および／または該空室によって、前記プレス手段は案内される。さらに、前記空室は、円筒状または管状に形成されることができる。加えて、前記空室は、前記出口シャフトの全長を実質的に越えて延在することができる。このような場合、前記プレス手段は、前記空室を形成する前記出口シャフトの内壁によって案内されることができる。これにより、前記空室の直径は、前記出口シャフトの前記内径となることができる。

一実施形態では、前記出口シャフトは、前記レーザ光線用の出口開口を有することができ、前記出口開口は直径を有することができ、前記プレス手段は、前記出口開口の直径に対応する外径を有することができる。前記プレス手段が前記出口開口内を移動する場合、前記プレス手段は、前記出口開口の直径に対応する前記外径の部位において、例えば、ポジティブロッキングおよび／またはフォースロッキングによって、前記出口シャフト内に留められる。これにより、前記プレス手段が前記出口シャフトを完全に離れることが避けられる。さらに、前記プレス手段および前記出口開口は、互いに滑動できる材料から構成され得る。そのため、フォースロッキングが前記プレス手段を保持した後に、後者は前記出口開口から再度解放されることができ、前記出口シャフト内で移動され得ることが可能になる。一例では、前記プレス手段は、ガラスから構成されることができ、前記プレス手段はテフロン（登録商標）を含むことができる。実施形態において、前記出口シャフト１４は、乾燥滑り型ベアリングに適した材料からなることができ、例えば、該材料は、ポリテトラフルオロエチレン、超高分子量ポリエチレン、ポリオキシメチレン、またはポリアミドを含むことができる。

実施形態において、前記プレス手段は、前記プレス手段そのものが、前記溶接プロセスの間に所望のプレス力を及ぼすことができる大きさおよび密度を有することができる。

さらに、前記プレス手段はボールとして形成されることができ、および／または、前記プレス手段は回転できるような方法で載置されることができる。これに代えて、前記プレス手段は、回転可能に載置されたロールとして、または加工面に半球状の端部を備える円筒として設計されることもできる。

実施形態において、前記プレス手段は、１５〜５０ｍｍ、好ましくは２０〜４０ｍｍの範囲にある直径を有する。さらに、前記プレス手段の密度は、１．５〜６ｋｇ／ｄｍ^３、好ましくは２〜５ｋｇ／ｄｍ^３、より好ましくは３〜４ｋｇ／ｄｍ^３の範囲にすることができる。

前記装置の一実施形態では、前記加工ヘッドは、前記プレス手段に負荷をかける加圧流体用の加圧流体接続部を有し、該加圧流体接続部は、前記加工面に向けて前記出口シャフト内で方向付けられる。したがって、前記プラスチック接合部品を溶接するのに要求されるプレス力は、前記プレス手段に作用するように、加圧流体、特に加圧空気または加圧不活性ガスによって発生され、または増加されることができる。

前記加工ヘッドおよび／または前記出口シャフトは、前記レーザ光線を導入し、案内し、焦点合わせし、および／または形作るための光学デバイスをさらに有することができる。この目的のため、光学デバイスは、前記加工ヘッドおよび／または前記出口シャフト内に提供されることができる。例えば、前記レーザ光線は、ガラスファイバを用いて、前記出口シャフト内に導入される。前記レーザ光線を案内するためにミラーが使用され得る。さらに、前記レーザ光線を焦点合わせし、および／または形作るために、レンズが提供され得る。

さらなる実施形態は、レーザ光透過溶接によって、２個のプラスチック接合部品の溶接接続部を製造する方法を明らかにし、前記プラスチック接合部品の少なくとも一方は、レーザ光線用の吸収材を含む。前記方法は、前記２個のプラスチック接合部品を重ねて配置すること、重ねて配置された前記プラスチック接合部品を互いにプレスし、本明細書に記載された実施形態のいずれかに係る装置を用いて、レーザ光線で前記プラスチック接合部品を照射することを含み、前記装置の加工ヘッドでは、前記レーザ光透過性のプレス手段は、前記出口シャフト内で前記加工ヘッドに拘束されずに案内される。前記プラスチック接合部品を互いにプレスすること、および／またはレーザ光線で照射することは、局所的に生じ得る。前記方法は、少なくとも２個の、つまり２個以上のプラスチック接合部品のレーザ光透過溶接のために使用されることもできる。

例えば、吸収材および硬質プラスチック部品を含むフィルムは、加工面上に重ねて配置される。本発明に係る前記装置の前記加工ヘッドのプレス手段は、前記接合部品の接合される部位上に配置され、これにより接触がもたらされる。前記フィルムは、前記プレス手段によって生じるプレス力により前記硬質プラスチック部品の輪郭および表面の凹凸に適合し、前記硬質プラスチック部品の輪郭および表面の凹凸に対してプレスされる。前記加工ヘッドのプレス力は小さく、本発明によれば精密に加えられるので、前記レーザ光線の作用の下に、高品質で平滑な溶接継目が製造され得る。加えて、動かしにくい部分の小さい重量だけが前記溶接部位に作用するので、前記レーザ光透過溶接は、高ダイナミックに、かつ迅速な応答挙動で実行され得る。

実施形態の方法では、前記プレス力および／またはそれに関連する接触圧は、前記プラスチック接合部品への前記プレス手段の自重によって生じることができる。加えて、前記出口シャフト内の前記プレス手段は、前記プレス力を生じる、または増加するために前記加工面に方向付けられる加圧流体、特に、加圧空気で負荷をかけられることができる。

例えば、実施形態の方法において、０．０１Ｎ〜１０００Ｎ、好ましくは１〜５０Ｎの範囲にあるプレス力は、前記プラスチック接合部品上に及ぼされる。さらに、前記プレス手段は、０〜７ｂａｒ、好ましくは０．１〜７０ｍｂａｒの範囲の接触圧で負荷をかけられ得る。例えば、前記プレス手段の自重による前記プレス力は、約４Ｎまでである。さらに、前記プレス手段が約５ｂａｒの接触圧で負荷をかけられる場合、約１０００Ｎまでのプレス力が前記プレス手段に及ぼされ得る。

実施形態の方法では、前記プレス手段は、前記加工ヘッドの前記加工面に向かう方向およびそれとは反対方向に動く。例えば、前記出口シャフトは、前記加工面方向に縦軸を有し、前記プレス手段は、前記出口シャフトの前記縦軸に平行に動かされる、および／または変位される。加えて、前記プレス手段は、専ら前記出口シャフトの前記縦軸に平行に動かされ、および／または変位されることができる。このため、前記プレス手段は、前記出口シャフト内において、軸方向に移動可能および／または変位可能に案内されることができる。これにより、前記プレス力および溶接される部位の高さの変化に対する誤差が調整され得る。

先に説明されたように、実施形態の方法で使用される装置では、さらに前記出口シャフトは、空室、好ましくは円筒状の空室を有することができ、該空室において、および／または該空室によって、前記プレス手段は案内される。さらに、ボールが前記プレス手段として使用され得る。前記レーザ溶接中に焼けた穴が生じるのを避けるために、前記方法は、好ましくは保護ガス下で実行される。

実施形態の方法では、前記プラスチック接合部品は、接合層を備える多層フィルムおよび硬質プラスチック部品を備え、前記接合層は、レーザ光線用の吸収材を含む。吸収材含有型の接合層を用いることによって、前記溶接熱は、実質的に前記接合層および前記接合層と隣接する前記硬質プラスチック部品の表面領域だけに生じる。これにより、前記多層フィルムの一部だけが前記吸収材の前記レーザ光線の吸収によって溶かされるので、前記多層フィルムは、その寸法安定性を維持する。この方法では、前記フィルムの厚さが薄くなること、または前記溶接継目のほつれが避けられる。

実施形態の方法では、プラスチックから作製される、好ましくは、射出成型に適したプラスチックから作製される硬質部品が、硬質プラスチック部品として使用されることができ、射出成型に適したプラスチックは、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリイソプレン、およびこれらの混合物およびそれらのコポリマー、ＰＥＴ、およびポリカーボネートからなる群から選ばれる。さらに、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリイソプレン、オレフィン系スチレンブロックコポリマー、これらの混合物およびそれらのコポリマーからなる群から選ばれる材料から作製される層が、前記多層フィルムの接合層として使用され得る。前記方法の例では、厚さが１０〜１００μｍである接合層を備える多層フィルムが使用され得る。

特に医療技術で使用され得る好適な実施形態では、前記接合層は、厚さが１０〜１００μｍであり、主として９５〜１００％のポリプロピレンからなり、前記吸収材を含まない。もっとも、前記接合層の形成のために、前記溶接配置に応じて、異なるポリマー混合物が適用可能である。非限定的な例は、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリイソプレン、およびブタジエン、例えば、ＳＩＳ、ＳＥＢＳ、ＳＥＰのようなスチレンのブロックコポリマーを有するオレフィン系スチレンブロックコポリマーなどのような、Ｃ２−Ｃ１０モノマーからなるポリマーまたはコポリマーである。これらの例は、例えば、ＫＲＡＴＯＮ（登録商標）Ｇ１６５２、ＫＲＡＴＯＮ（登録商標）Ｇ１６５７、ＫＲＡＴＯＮ（登録商標）Ｇ１７２６、ＫＲＡＴＯＮ（登録商標）ＦＧ１９０１、およびＫＲＡＴＯＮ（登録商標）ＦＧ１９２４、またはＨｙｂｒａｒ（登録商標）、Ｔｕｆｔｅｃ（登録商標）およびＳｅｐｔｏｎ（登録商標）の商品名の下に、市場で入手できる。

実施形態では、特に、７７０〜１５００ｎｍの範囲にある赤外線照射を吸収する赤外線吸収材が、レーザ光線の吸収材として使用され得る。さらに、前記レーザ光線の吸収材は、前記接合層の重量に対して５０〜７００ｐｐｍの量で使用され得る。加えて、例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザのレーザ光線および／または特に７７０〜１５００ｎｍの範囲の赤外の範囲にあるレーザ光線が使用される。

さらなる実施形態は、共に溶接される２個のプラスチック接合部品を備える複合部品に関し、前記複合部品は、本願明細書に記載されたいずれかの実施形態を用いて得られ得る。前記複合部品は、特に、体外での血液処理または腹膜透析のために使用され得る。

本願明細書に記載され、相互排他的でない実施形態の全ての特徴は、互いに結び付けられ得る。一実施形態の要素は、さらなる言及を要さずに、他の実施形態で使用され得る。実施形態の同一の要素は、以下の詳細な説明において、同じ参照番号を用いて提供される。ここで、本発明の実施形態は、図面を参照して以下の実施例において、それにより前記発明を限定する何らの意図も有さずに、より詳細に説明される。以下のものが示される。

模式的に示される第１の実施例の溶接配置。 模式的に示される第２の実施例の溶接配置。

本発明の実施例は、多層フィルムの溶接を参照して、剛直なカートリッジ本体について以下に説明され、本発明をそれに限定するものではない。

図１に模式的に示される溶接配置の実施例は、硬質プラスチック部品１００、硬質プラスチック部品１００上に配置される多層フィルム２００、およびレーザ光透過溶接のための、本発明に係る装置の加工ヘッド１０を備える。本実施例では、多層フィルム２００および硬質プラスチック部品１００は、加工面（図示せず）上に重ねて配置される。

加工ヘッド１０は、図１において、硬質プラスチック部品１００上に配置された多層フィルム２００に方向付けられる加工側面１２を有する。加工面１２は、空洞の円筒状の出口シャフト１４の自由端によって形成される。本実施例では、出口シャフト１４は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）から形成される。出口シャフト１４では、出口シャフト１４の内壁によって案内されるボール１８が、レーザ光透過性プレス手段として配置される。前記ボールは、ガラスから作製され、密度２．５ｋｇ／ｄｍ^３、直径３０ｍｍ、および重量３５ｇを有する。本実施例では、ボール１８は、ガラスであるＮ−ＢＫ７からなる。前記出口シャフトの壁部によって形成される空室２２は、ボール１８の直径より大きい長さを有するとともに、中央に縦軸を有し、該空室は、その全長に亘って３０．０５ｍｍの内径を有する。

図２は、第２の溶接配置を模式的に示し、該溶接配置において、本発明に係る装置は、レーザ光透過溶接のために使用される。第２の実施例では、加工ヘッド１１が使用され、該加工ヘッドは、加工ヘッド１０の要素を備え、前記プレス手段に負荷をかける加圧流体用の加圧流体接続部２４をさらに有する。ここで、加圧流体接続部２４は、前記加工面に向けて前記出口シャフト内で方向付けられる。加圧空気は加圧流体として使用され得る。

図２に模式的に示されるように、加工ヘッド１１に類似する加工ヘッド１０は、ガラスファイバ、ミラーまたはレンズなどの、前記レーザ光線を導入し、案内し、焦点合わせをし、および／または形作るためのデバイス１５を備えて提供される。

溶接のために、フィルムの対応する部分と熱力学的に十分互換性のある、溶融可能なあらゆる熱可塑性プラスチックが、硬質プラスチック部品１００用のプラスチックとして使用され得る。本実施例では、硬質プラスチック部品１００は、射出成型に適したポリプロピレン（ＰＰ）からなる。

多層フィルム２００は、可撓性であり、３層（図示せず）から構成され、本実施例では、内層が接合層である。多層フィルム２００は、以下の層構成および成分を有する。

外層 ３０μｍ エチレン部を備えるポリプロピレンコポリマー１００％
中層 ２００μｍ ＳＥＢＳ（スチレン−エチレン−ブタジエン−スチレン）５０％
エチレン部を備えるポリプロピレンコポリマー５０％
内層 ２０μｍ エチレン部を備えるポリプロピレンコポリマー６０質量部
８０μｍ ＳＥＢＳ８０質量部
吸収材である、５００ｐｐｍのＢＡＳＦ Ｌｕｍｏｇｅｎ ＩＲ
７８８

図１に示される複合部品の溶接配置において、前記接合層（内層）は硬質プラスチック１００に載っている。前記接合層の形は、溶接性の点に関して、前記硬質部品の材料に合わせられる。可能な限り、前記溶接領域の近傍だけで温度上昇が生じるように、前記接合層は、一般に、前記支持層よりも小さい層厚さを有する。

前記接合層は、レーザ光線用の吸収材を含み、該吸収材は、多層フィルム２００内に照射されるレーザ光線を吸収し、これにより、前記接合層、硬質プラスチック部品１００および多層フィルム２００の隣接する領域が加熱されるようになる。本実施例では、ＢＡＳＦから入手されるＬｕｍｏｇｅｎ ＩＲ ７８８が、前記接合層に対して５００ｐｐｍの量で吸収材として使用される。ＢＡＳＦから入手されるＬｕｍｏｇｅｎ ＩＲ ７８８は、７８８ｎｍで吸収が最大になる。

使用されるレーザ光線は、ダイオードレーザ（図示しない）によって発生され、具体的には８０８ｎｍの波長で最大になる。この目的のため、ネオジウムドープ型のイットリウム−アルミニウム−ガーネットレーザ（Ｎｄ：ＹＡＧレーザ）が使用される。本実施例では、Ｌａｓｅｒｌｉｎｅ ＧｍｂＨから入手されるＬａｓｅｒｌｉｎｅ ＬＤＦ １０００−５００ダイオードレーザが使用される。

操作の間、加工ヘッド１０または１１は、出口シャフト１４が前記多層フィルムから間隔を空けて離れ、ボール１８が出口開口２０から突出し、その自重で多層フィルム２００に載るように、接合される部位に配置される。そのため、約０．３５Ｎのプレス力が、多層フィルム２００上に生ずる。そして、加工ヘッド１０または１１は、前記多層フィルムの上に案内され、ボール１８は多層フィルム２００上で回転される。該プロセスにおいて、ボール１８は、加工ヘッド１０に拘束されずに出口シャフト１４内で動かされ案内される。ボール１８は、前記加工ヘッドのばね下重量だけを実質的に構成する。ボール１８は、前記空室の縦軸に平行な出口シャフト１４の内側で移動可能であり、誤差は、プレス力および溶接される部位の高さの変化に対して調整され得る。フィルム２００は、プレスにより、硬質プラスチック部品１００の輪郭および表面の凹凸に適応し、前記硬質プラスチック部分の輪郭および表面の凹凸に対してプレスされる。

図２の加工ヘッド１１を使用している間、ボール１８は、約３０ｍｂａｒの加圧空気でさらに負荷をかけられ、それによって、前記多層フィルム上へのプレス力は増加される。これにより、約２．５Ｎのプレス力が、前記プラスチック接合部品上に及ぼされる。

加工ヘッド１０または１１が多層フィルム２００の上に案内される間、レーザ光線１６は、レーザ光透過性のボール１８の上に方向付けられ、溶接される部位の上にある後者を通過する。図１および２に模式的に示されるように、前記プラスチック接合部品の上にこのように照射されるレーザ光線は、溶接継目１７を生じさせ、該溶接継目において、多層フィルム２００および硬質プラスチック部品１００からなる接合層のプラスチックは、局所的に溶かされる。溶接領域が冷却されると、多層フィルム２００および硬質プラスチック部品１００は滑らかに、つまり、前記フィルム内に皺を形成せずに、かつ溶接継目１７を介して互いに強固に溶接される。前記加工ヘッドのプレス力は小さく、ボール１８および／または加圧空気によって精密に調整されるので、溶接継目１７が、レーザ光線の作用の下に高品質で生ずる。加えて、動かしにくい部分の小さな重量だけが前記溶接部位に作用するので、前記レーザ光透過溶接は、高ダイナミクス、高供給速度、かつ迅速な反応挙動で実行され得る。

Claims (15)

1. ２個のプラスチック接合部品（１１０、２００）のレーザ光透過溶接のための装置であって、
   前記プラスチック接合部品の少なくとも一方は、レーザ光線用の吸収材を含み、
   加工面（１２）、少なくとも１つのレーザ光線（１６）用の加工面出口シャフト（１４）、および前記プラスチック接合部品を共にプレスするためのレーザ光透過性プレス手段（１８）を備える加工ヘッド（１０；１１）を備え、
   前記出口シャフトは、前記加工面の方向に縦軸を有し、
   前記レーザ光透過性プレス手段は、固定される載置によらずに、前記出口シャフト内に提供され、かつ前記加工ヘッドに拘束されずに、前記出口シャフト内で案内され、これにより、前記プレス手段は、前記出口シャフトの縦軸に対して平行に自由に移動できる、装置。
2. 前記出口シャフトは内径を有し、前記プレス手段は、前記出口シャフトの内径よりも小さい外径を有し、および／または、
   前記出口シャフトは前記レーザ光線用の出口開口（２０）を有し、該出口開口は直径を有し、前記プレス手段は、前記出口開口の直径に対応する外径を有し、これにより、前記プレス手段は、前記出口開口の直径に対応する前記外径の部位において、前記出口開口内に留められる、請求項１に記載の装置。
3. 前記出口シャフトは円筒状の空室（２２）を有し、前記空室において、および／または前記空室によって、前記プレス手段は案内され、および／または、
   前記プレス手段は、ボールとして形成され、および／または、
   前記プレス手段は、１５〜５０ｍｍの範囲の直径を有する、請求項１または２に記載の装置。
4. 前記プレス手段および前記出口開口は、互いに滑動可能な材料から構成され、および／または、
   前記プレス手段は、１．５〜６ｋｇ／ｄｍ^３の範囲の密度を有する、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の装置。
5. 前記加工ヘッドは、前記プレス手段に負荷をかける加圧流体用の加圧流体接続部（２４）を備え、前記加圧流体接続部（２４）は、前記加工面に向かって前記出口シャフト内で方向付けられ、
   前記加工ヘッドおよび／または前記出口シャフトは、前記レーザ光線を導入し、案内し、焦点合わせし、および／または形作るための光学デバイス（１５）を備える、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の装置。
6. レーザ光透過溶接によって、２個のプラスチック接合部品の溶接接続部を製造する方法であって、
   前記プラスチック接合部品の少なくとも一方は、レーザ光線用の吸収材を含み、
   前記２個のプラスチック接合部品（１００、２００）を重ねて配置すること、
   重ねて配置された前記プラスチック接合部品を互いにプレスしながら、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の装置を用いてレーザ光線で照射すること、を備え、
   前記装置の前記加工ヘッド（１０；１１）において、レーザ光透過性プレス手段（１８）は、固定される載置によらずに、前記出口シャフト内に提供され、かつ前記加工ヘッドに拘束されずに前記出口シャフト（１４）内で案内され、
   前記出口シャフトは、前記加工面の方向に縦軸を有し、前記プレス手段は、前記出口シャフトの縦軸に平行に移動される、方法。
7. 前記プレス手段の自重によって、前記プラスチック接合部品上にプレス力が及ぼされる、請求項６に記載の方法。
8. 前記出口シャフト内の前記プレス手段は、前記加工面に向かって方向付けられる加圧流体で負荷をかけられる、請求項６または７に記載の方法。
9. 前記加圧流体は、加圧空気または加圧不活性ガスである、請求項８に記載の方法。
10. ０．０１Ｎ〜１０００Ｎの範囲のプレス力が前記プラスチック接合部品上に及ぼされ、および／または、
    前記プレス手段は、０〜７ｂａｒの範囲の接触圧で負荷をかけられる、請求項６乃至９のいずれか１項に記載の方法。
11. 前記出口シャフトは円筒状の空室（２２）を有し、該空室において、および／または該空室によって、前記プレス手段は案内され、および／または、
    ボールが前記プレス手段として使用され、および／または、
    前記方法は、保護ガス下で実行される、請求項６乃至１０のいずれか１項に記載の方法。
12. 前記プラスチック接合部品は、接合層を備える多層フィルム（２００）と、硬質プラスチック部品（１００）とを備え、前記接合層はレーザ光線用の吸収材を含む、請求項６乃至１１のいずれか１項に記載の方法。
13. ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリイソプレン、およびこれらの混合物およびそれらのコポリマー、ＰＥＴ、およびポリカーボネートからなる群から選ばれる射出成型に適したプラスチックから作製された硬質部品が、前記硬質プラスチック部品として使用され、および／または、
    ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリイソプレン、オレフィン系のスチレンブロックコポリマー、これらの混合物およびそれらのコポリマーからなる群から選ばれる材料から作製された層が、前記多層フィルムの接合層として使用され、および／または、
    １０〜１００μｍの厚さを有する層が前記接合層として使用される、請求項１２に記載の方法。
14. 赤外線照射を吸収する赤外線吸収材がレーザ光線用の吸収材として使用され、および／または、
    レーザ光線用の吸収材は、前記接合層の重量に対して、５０〜７００ｐｐｍの量で使用され、および／または、
    Ｎｄ：ＹＡＧレーザのレーザ光線および／または赤外線の範囲のレーザ光線が使用される、請求項６乃至１３のいずれか１項に記載の方法。
15. ７７０〜１５００ｎｍの範囲の赤外線照射を吸収する赤外線吸収材がレーザ光線用の吸収材として使用され、および／または、
    前記レーザ光線用の吸収材が、前記接合層の重量に対して、５０〜７００ｐｐｍの量で使用され、および／または、
    Ｎｄ：ＹＡＧレーザのレーザ光線および／または７７０〜１５００ｎｍの範囲の赤外範囲のレーザ光線が使用される、
    請求項６乃至１３のいずれか１項に記載の方法。

Images