研究人员用于激光焊接箔片的球形和滚轮光学元件

　　焊接箔的技术在如何使用能量熔化塑料方面有所不同。

它还取决于待焊接材料之间的压力以及塑化塑料冷却并凝固成牢固粘合的时间。

这与水晶球和滚筒的关系由Probylas展示。

　　焊接箔片使用不同的技术。

它们的不同之处在于如何引入能量来熔化塑料。

除了这种能量之外，待焊接材料之间的压力始终是必要的，塑化塑料再次冷却并凝固成牢固连接的时间。

对于布局一致的大系列，通常使用高频（HF）或加热元件焊接。

在加热元件焊接中，工具可以连续加热或仅在焊接过程中加热，因此即使在冷却阶段也能保持工具的压力——这种技术也称为热脉冲焊接。

虽然加热元件焊接可以应用于所有箔，但在高频焊接中，塑料必须具有极性组件，这些极性组件在强交变电场中不断重新排列，从而产生热量。

聚合物本身具有偶极基团，例如聚氯乙烯（PVC）或热塑性聚氨酯（TPU），或者必须在塑料中添加相应的添加剂。

高频和加热元件焊接都需要一种能够复制所需焊接轮廓的工具，并且还用于压缩箔片。

在高频焊接中，它是施加交变电场的焊缝形式的电极。

在加热元件焊接中，通常是电动加热元件。

对于较长的焊缝，有时使用具有一定曲线半径的直梁电极或加热元件或段逐步进行焊接。

在一遍又一遍地具有相同几何形状的大批量的情况下，工具所需的工作量并不大，并且技术非常有效。

　　批量为 1 的激光焊接

　　对于小批量、不断变化的布局，甚至是批量为 1 的个性化几何形状，缺乏灵活性成为一个问题。

工具的工作量和时间损失成为问题。

激光焊接是一种替代焊接技术。

不需要固定工具，但焊接轮廓通过轴系统和CNC控制进行跟踪。

根据速度的不同，这比使用高频或加热元件焊接需要更多的时间，但可以通过将其他数据加载到控制器中来轻松更改轮廓。

焊接所需的压力不必同时施加到整个箔表面，但可以在当时也进行焊接的地方动态施加。

玻璃球或玻璃辊特别适用于此目的，它们同时将激光束聚焦在焊缝上，在那里局部压缩，也可以通过展开同时自由移动。

　　用于 2D 和 3D 轮廓的球面光学元件

　　在球面光学的情况下，玻璃球可以在空气轴承中自由旋转。

空气轴承后面的压力室在后部由激光进入的窗口关闭。

玻璃球的前部是一个孔，空气通过该孔排出，激光束通过该孔辐射。

根据空气轴承的类型以及激光和焊缝的光斑尺寸，玻璃珠使用石英玻璃或蓝宝石。

默认情况下，Probylas 的直径为 12 毫米。

空气轴承的压力高达 6 bar，可产生高达 60 N 的压力，这对于薄膜来说通常绰绰有余。

同时，通过空气轴承流出的空气具有清洁和冷却薄膜的预期副作用。

根据客户要求，也可以提供更小和更大的球版本。

对于特殊的微型应用，已经选择了直径仅为 3 mm 的球，薄膜的压力也相应更小。

球面光学相对于滚轮光学的优势在于可以遍历任何二维几何形状。

也可以使用小曲线半径或拐角。

原则上，例如，如果球面光学元件由铰接式机器人引导，则三维几何形状也是可能的。

更大的挑战通常是如何将薄膜切割成三维应用并保持到位以进行焊接。

在薄、轻甚至弹性膜的情况下，由于滚动阻力，玻璃球前面会形成波浪。

闭合的轮廓不能再完全紧闭，因为皱纹在末端被打开。

使用由透明材料制成的更坚硬的薄膜或薄板，不与要焊接的薄膜粘合，可以轻松抵消波浪的形成。

　　滚筒光学元件，焊缝更宽

　　在滚子光学元件的情况下，玻璃滚轮在空气轴承中旋转而不是滚珠。

与气缸表面末端的车轴相比，这具有不必平衡并且玻璃辊可以轻松更换的优点。

此外，与球面光学器件一样，还存在清洁和冷却副作用。

不是激光束的点状聚焦，而是产生短激光线。

为了确保它在整个长度上具有相同的功率并且均匀，在光束路径中使用了微透镜阵列，该阵列在一个方向上相应地扇出光束。

作为标准配置，Probylas的玻璃滚筒宽度为10 mm，激光束的宽度通常为5 mm。

但是，根据应用的不同，玻璃辊和激光线的其他宽度也是可能的。

因此，滚子光学元件相对于球面光学器件的优势在于焊缝更宽。

在球面光学器件的情况下，由于对玻璃辊的点状压力，焊缝的最大宽度限制在 2 mm 左右。

一方面，玻璃辊的缺点是，与滚珠相比，空气消耗量更大，另一方面，只能进行直焊或半径非常大的焊接。

　　透明薄膜也是可能的

　　与热板焊接一样，激光焊接基本上适用于所有类型的热塑性聚合物。

为了使聚合物熔体混合，它们必须具有相似的熔点也可以化学混溶。

最简单的方法是将相同聚合物的箔片焊接在一起。

在传统的激光焊接方法中，一层薄膜对激光是透明的，而另一层是吸收性的。

例如，由于没有颜色添加剂而透明，由于添加了碳（炭黑）而具有吸收性。

然而，这些颜色添加剂对于许多医疗技术应用来说并不理想，因为它们需要对材料进行重新鉴定。

或者，可以选择不同的激光波长来代替颜色添加剂。

使用 1700-2000 nm 代替通常的 800-1100 nm 波长（在该波长下所有聚合物都是透明的），在该波长下大多数聚合物具有弱吸收，可用于激光焊接。

然而，这个过程要慢得多，而且对于相同的性能，激光器显然更昂贵。

如果纤维或纺织品的涂层是热塑性的，除了箔之外，纺织品或无纺布也可以焊接在一起。

大多数合成纤维如聚酯和聚酰胺都是这种情况，但天然纤维如棉、羊毛或丝绸则不然。

坚固、紧密的激光焊接的一个很好的例子是由透明和黑色的 TPU 薄膜制成的充气气垫。

对于表面的自动关闭阀，两个具有较长波长的透明 TPU 薄膜相互连接。

该应用程序将在今年的各种贸易展览会上现场展示，例如 5 月的 Medteclive、9 月的瑞士医疗技术博览会和 10 月的 Fakuma。