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激光的进步更好的改善了塑料聚合物之间的链接

激光的进步更好的改善了塑料聚合物之间的链接

  激光仍然被认为是一种奇怪的能量,但一种新型的高性价比激光-光纤激光的快速出现可能会逐渐改变这一点。我们将光纤激光技术定义为激光束在光纤组件本身实际生成或放大的技术,而不是简单地通过光缆从自由空间光学器件传输到工件。

  这些激光器的易用性和可靠性被简单地视为黑匣子。因此,它们没有其他需要大量复杂光学元件的激光类型的神秘感。新的激光类型和波长也在出现,这些新的激光波长正在寻找一些看似不那么奇怪的应用程序。本文的主题是焊接透明聚合物的光纤激光器。

  激光基础知识

  回到基础上,激光束只是一束光能,可以集中在一个非常小的光点上。这一属性是许多高功率工业应用激光的原因,如切割和焊接厚钢。然而,除了这种焦点外,激光束的另一个特性可能更负责其深刻的声誉:大多数激光束产生的光波长相当明显。

 

  光纤激光器

  直到最近,工业激光材料加工的显著平均功率只能从非常有限的激光类型中获得——要么发射近红外1.07μm波长范围的固态激光,要么发射10.6μm波长范围较长的二氧化碳气体激光。标准工业光纤激光器的新版本出现在称为短波长红外的中间波长范围内,产生高达120瓦的功率。这种2um波长是通过在产生激光束的光纤中使用另一种稀土元素(称为掺杂剂)来实现的。

  物理学的基本定律告诉我们,光子能量会随着波长的增加而减少。这意味着这些材料在照射不同的材料时会有不同的反应。由于特定的光子能量通过共振机制被特定的分子键吸收,这种较长的波长以不同的方式被许多不同的分子吸收。

  医用聚合物领域的人们特别感兴趣的是改善CH分子的吸收,这是所有有机聚合物的背景链。最终的结果是,这种激光束在透明聚合物中的吸收量显著增加,从而通过光学透明聚合物高度控制熔的厚度。

  为什么不使用CO2激光器?

  对于旧技术的二氧化碳激光器,发射波长要长得多,吸收率通常接近100%。如果你想用激光切割聚合物,波长有很多优点,但对于需要通过材料厚度控制熔化的聚合物焊接来说,这种高吸收是一个严重的缺点。由于吸收发生在零件顶部表面,需要很长时间才能熔化到零件中,以产生更深的焊缝。

  激光切割聚合物膜

  最近的实验还表明,虽然大多数薄材料的吸收可能不足以产生有效的烧蚀和切割,但在50-200微米厚度范围内,一些稍不透明的薄膜可以很容易地用这种技术切割。

  可焊接材料

  由于激光束在被聚合物吸收时会转化为热量,任何可以通过超声波或RF进行热焊接的聚合物或聚合物组合也可以进行激光焊接。

  应用现实世界

  包括医疗设备在内的实际应用领域很多,典型的微流体装置;和消费品。

  更柔软的软管材料(如聚氯乙烯)和许多新的非聚氯乙烯替代品(如TPE)也可以焊接。这些材料很难以任何其他方式焊接。虽然化学相容性的规则不能完全改变,但当连接相容性有限的聚合物时,激光过程提供了良好的局部温度控制。

  需要精细连接线的微流体设备。单模、高焦光纤激光器可提供非常窄的熔线和有限的热输入,以尽量减少微通道在提供气密封时的变形。然而,在设计这些组件时,需要考虑任何100微米宽的聚合物焊接接头的强度限制。

  概括

  这种新波长在高平均功率下的可用性为医疗器械和其他行业的透明聚合物激光焊接技术带来了极大的改进和简化。对于医疗器械最感兴趣的聚合物,大多数热塑性聚合物(如果不是合物中,不需要额外的吸收剂来产生几乎看不见的焊缝。


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