多年來(lái)，因產(chǎn)品設(shè)計(jì)的要求，激光塑料焊接在醫(yī)療器械產(chǎn)品的應(yīng)用受到了很大限制，激光焊接的塑料組件包括一個(gè)“透明”或“透射”塑料部件，以及另一個(gè)“深色”或“吸收性”塑料零件。這種產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求，就需要當(dāng)施加激光能量時(shí)，來(lái)自激光器的熱能將穿過(guò)透射部分并積聚在吸收部分的焊接區(qū)域內(nèi)。在那里，熱量使兩個(gè)塑料零件的邊緣軟化，并在壓縮力的作用下聚集在一起，成為干凈、無(wú)顆粒的焊接組件。

現(xiàn)在由于采用了全新的工藝，用激光焊接兩個(gè)由多種聚合物材料制成的光學(xué)透明塑料零件，用于醫(yī)療和其他應(yīng)用已經(jīng)成為了可能。這項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)是艾默生的布蘭森同時(shí)傳輸紅外（simultaneous through-transmission infrared）激光焊接技術(shù)，與Sono-Tek的精密超聲波噴涂技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。這一突破為醫(yī)療器械，藥物輸送系統(tǒng)和體外測(cè)試產(chǎn)品的制造商提供了新的設(shè)計(jì)可能性。

新的“透明對(duì)接”（clear-on-clear）激光焊接工藝，通過(guò)在生物焊接前用生物相容性激光吸收劑對(duì)兩個(gè)“透明”對(duì)接零件之一進(jìn)行精密處理，從而克服傳統(tǒng)的透射、吸收零件的局限性。吸收劑由懸浮在諸如異丙醇或丙酮等載液中的顏料染料或炭黑的微粒組成。

焊接前，有幾種方法可以用激光吸收器清除塑料零件。成型前，吸收劑以母料的形式被添加到樹脂中，通過(guò)移印工藝（pad printing）將其吸收到成型零件上，或者為了獲得最大精度，可以使用Sono-Tek超聲波噴涂設(shè)備將其吸收到單個(gè)零件上。

噴霧沉積涉及到使用精密的超聲波霧化器，將激光吸收染料沉積在匹配的零件上，從而產(chǎn)生小至0.5毫米的噴霧圖案寬度。當(dāng)使用最佳超聲頻率和噴霧圖案進(jìn)行沉積時(shí)，載液基本上會(huì)迅速蒸發(fā)掉，并在熱塑性表面上留下精確的激光吸收顆粒圖案，尺寸為1微米或更小。

在焊接過(guò)程中，激光能量被這些顆粒吸收釋放熱能，該熱能傳導(dǎo)通過(guò)配合零件的焊接區(qū)，在壓縮力作用下結(jié)合在一起。根據(jù)Sono-Tek的區(qū)域銷售經(jīng)理Anita Ennest所說(shuō)，“超聲噴涂沉積系統(tǒng)旨在將微量的顏料染料沉積（以微升為單位），并且涂層厚度可以在數(shù)百納米的表面上進(jìn)行評(píng)估。” 她補(bǔ)充說(shuō)，用于吸收激光的懸浮液設(shè)備是仿照先前用于醫(yī)療支架上沉積超薄、超精密涂層的設(shè)備而設(shè)計(jì)的。

Ennest補(bǔ)充解釋說(shuō)，新塑料焊接工藝成功的關(guān)鍵因素，是起源于最初為光伏電池開發(fā)的吸收光的涂層，但其配方是由生物相容性溶劑和顏料染料組合而成。開發(fā)正確組合是一個(gè)迭代的過(guò)程，需要技術(shù)人員將涂層、沉積和焊接過(guò)程中的吸收性材料轉(zhuǎn)變?yōu)橥干湫圆牧?，然后再?gòu)耐干湫圆牧限D(zhuǎn)變?yōu)橥耆该鞯牟牧稀?nbsp; 

■舌槽激光接合點(diǎn)示例，顯示了生物相容性激光吸收器和溢流容納區(qū)。圖片由艾默生提供

該工藝面臨的另一個(gè)挑戰(zhàn)是需要將吸收激光的染料，分配并沉積到注射成型零件的接頭上的正確位置。典型的目標(biāo)位置包括榫槽連接的內(nèi)表面，或配合零件上的“雙V”形連接的內(nèi)表面。像這樣將吸收劑精確地沉積在封閉的接縫中，不僅可以聚集產(chǎn)生零件間熔體所需的激光產(chǎn)生的熱量，而且還可以形成一個(gè)“閃蒸阱”（flash trap），其中包含熔體的處理區(qū)域，將其與附近的微流體隔離開來(lái)。

隨著Sono-Tek完善了應(yīng)用激光吸收器的方法，艾默生最大限度地提高了啟用噴霧激光焊接工藝的效率。新的透明（clear-on-clear）塑料激光焊接技術(shù)可以穩(wěn)定地產(chǎn)生復(fù)雜的流體路徑，同時(shí)在亞毫米流徑間距中保持優(yōu)越的高寬比。這種精確度對(duì)于微流體零件至關(guān)重要，該零件必須可靠地粘合在一起，同時(shí)沿極小的流動(dòng)路徑保持一致的尺寸。

■使用創(chuàng)新的新型焊接工藝對(duì)兩個(gè)透明的對(duì)接部件進(jìn)行激光焊接，該工藝可以產(chǎn)生復(fù)雜的流體路徑，同時(shí)保持較高的高寬比。圖片由艾默生提供

由于噴射沉積工藝的精確性，減少了對(duì)精確成像激光能量的需求，這是因?yàn)橥该鳎╟lear-on-clear）焊接在激光染料位置的部位已經(jīng)發(fā)生了沉積。另外，當(dāng)配套零件采用榫槽連接或類似的接頭設(shè)計(jì)時(shí)，那么該接頭可用于在焊接前正確對(duì)準(zhǔn)整個(gè)組件。如上所述，已經(jīng)形成焊縫的區(qū)域可以和組件中功能性微流體路徑完全隔離，這是醫(yī)療或醫(yī)療設(shè)備應(yīng)用程序所必需的。  

新技術(shù)與許多現(xiàn)有的激光焊接工藝相結(jié)合

由于這種新的“透明”（clear-on-clear）激光焊接技術(shù)，依賴于適用于同時(shí)傳輸紅外焊接工藝的設(shè)備，如生物相容性激光吸收劑和超聲噴涂沉積設(shè)備，可以將其“固定”在許多現(xiàn)有激光器的焊接應(yīng)用中。

然后一旦實(shí)施，它就可以提供以秒為單位測(cè)量的周期時(shí)間，從而使激光焊接出醫(yī)用級(jí)別的透明微流體部件，并在經(jīng)濟(jì)上有可行性。并且，由于噴射沉積工藝可適于一次處理多個(gè)零件，因此噴射沉積和焊接工藝均可進(jìn)一步擴(kuò)大規(guī)模，提升生產(chǎn)速度。  

■艾默生的Branson GLX Micro激光焊接機(jī)是GLX系列中五個(gè)單元中最小的。焊接單元（左）具有彩色觸摸屏HMI，150 x 150 mm的升降臺(tái)和高達(dá)0.05kN的夾緊力，使其成為焊接醫(yī)療應(yīng)用中的微流體零件的絕佳選擇。右側(cè)的單元包含焊工的激光源和電源。圖片由艾默生提供

新工藝還允許更多種類透明熱塑性材料的組合，并且與化學(xué)方法無(wú)關(guān)。由于吸收激光的染料能有效地傳導(dǎo)熱量和熱量，因此可以補(bǔ)償配套零件之間不同聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）的差異。 

該過(guò)程的一個(gè)典型示例涉及了使用兩張透明塑料“優(yōu)惠券”——注塑零件，它們相互配合形成一條蜿蜒的流動(dòng)路徑，就像體外診斷（IVD）系統(tǒng)，人類藥物輸送系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)的那樣或植入式醫(yī)療設(shè)備?！皟?yōu)惠券”將每個(gè)組件里的一半“吸收性”樣片放入到Sono-Tek噴涂設(shè)備中，以沉積激光吸收器。

■艾默生的STTIr激光焊接技術(shù)通過(guò)將溶劑型激光吸收劑應(yīng)用到一個(gè)零件的配合表面上，現(xiàn)在可以將透明的零件接合在一起，從而獲得出色的美觀和功能效果。圖片由艾默生提供

對(duì)于需要光學(xué)透明流經(jīng)的醫(yī)療或體外診斷設(shè)備，該技術(shù)具有非常大的市場(chǎng)潛力，簡(jiǎn)化了毛細(xì)管大小的流體路徑中血細(xì)胞計(jì)數(shù)自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)，到向技術(shù)人員提供視覺(jué)驗(yàn)證的方法，從而可以有效地將有效劑量的微劑量正確地用于患者。