(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）結合層がレーザ光線に対する吸収体を有し、前記結合層が固いプラスチック部品（１）に隣接するように、前記固いプラスチック部品（１）上に前記結合層を有する多層フィルム（２）を平坦に配置する工程と、
ｂ）レーザ光線が透過するプレス工具（４）で前記固いプラスチック部品（１）に対して前記多層フィルム（２）をプレスする工程と、
ｃ）前記多層フィルム（２）側からレーザ光線で前記工程ｂ）で得られた配置に放射する工程と、
前記工程ａ）と前記工程ｂ）の間に、柔軟なプラスチック部品（３）を前記多層フィルム（２）と前記プレス工具（４）との間に平坦に配置し、その結果、前記工程ｂ）において前記多層フィルム（２）は前記プレス工具（４）により前記柔軟なプラスチック部品（３）を用いて前記固いプラスチック部品上にプレスされる工程と、を有する複合材料の製造方法。
【請求項２】
前記柔軟なプラスチック部品（３）は、シリコンゴムから製造される請求項１に記載の複合材料の製造方法。
【請求項３】
前記プレス工具（４）は、レーザ光線が透過するガラスシートである請求項１または２に記載の複合材料の製造方法。
【請求項４】
前記方法は、保護ガスの下で実施される請求項１から３のいずれか１項に記載の複合材料の製造方法。
【請求項５】
前記多層フィルム（２）は、エンボス構造を有する請求項１から４のいずれか１項に記載の複合材料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固いプラスチック要素を多層フィルムに溶接するための透過レーザ溶接方法やそれにより得られる複合材料及び当該方法に使用される複合材料の溶接配置に関する。
【背景技術】
【０００２】
原則として、複数のプラスチック、特に異種プラスチック製の成形部品を確実に連結するには種々の可能性が存在している。例えば２つの成形部品は接着剤や溶接法により相互に確実に連結することができる。
【０００３】
溶接においては、赤外線溶接（特許文献１参照）のほか、レーザ放射による溶接が、近年特に集中的に研究されてきた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２００５／０８００６７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
レーザ溶接の基本的な物理原則によれば、適用されるレーザ光の少なくとも一部が、相互に接合される２つの成形部品のうちの少なくとも１つの材料により吸収され、少なくともある範囲が熱に変換され、レーザ光線により熱せられた部位の材料が熱により液体になり、もう一方の成形部品のプラスチック材料と確実に接合されることが必要である。
【０００６】
レーザ溶接方法の特別な形態、すなわち透過レーザ溶接法は他の溶接法と比較して接合表面が複雑な形状であっても迅速かつ効率的に溶接することができるという利点がある。溶接時に一方の接合相手部品は、レーザビームにより最後までずっと照射される必要がある、すなわちレーザ放射は吸収されないようにする必要がある。もう一方の接合相手部品又は複数の部分は、熱の発生を伴うレーザ光線を吸収できなければならない。放射は通常１つの接合相手部品の外部からなされる。
【０００７】
溶接法を制限する要因は使用されるレーザ光線の波長と当該波長でのプラスチックの吸収挙動である。特にこの場合では６１０−８４０ｎｍの波長を有する高出力ダイオードレーザと約１０５０ｎｍの波長を有するネオジウムＹＡＧ固体レーザが、（４００−７５０ｎｍの）可視光領域又は赤外線領域のいずれかにおいて使用される。しかし、約１１０００ｎｍの波長を有するＣＯ２ガスレーザを使用することも可能である。
【０００８】
プラスチックの吸収特性や加工性は、使用されるレーザ放射の波長により大きく異なる。例えば顔料や充填剤及び補強材などのプラスチック内での不均質性だけでなくプラスチックが部分的に結晶化する場合の結晶の超構造は、入力放射を散乱させ、プラスチック内への放射の侵入深さを減少させる。
【０００９】
レーザビームが加熱されるプラスチック部分に入射されるとき、レーザ放射は異なる範囲に反射され、吸収され、伝送される。プラスチック内に侵入する放射強度の減少は、いわゆるブーゲー（Ｂｏｕｇｕｅｒ）の法則に従い、材料の深さによって説明できる。この場合、入力強度は材料の深さに対して指数関数的に減少する。
【００１０】
プラスチックの熱放射、特にＣＯ２レーザに起因する熱分解の結果として複数の問題が発生する。プラスチック部品の表面温度はしばしば急激に上昇し、熱による材料の分解の危険性があるため、プラスチックの熱伝導率の低さを改善しなければならない（レーザ溶接法の原理は例えばＨ．ポテンテ外、「熱可塑性物質によるレーザ溶接」、プラスチック加工１９９５、ｎｏ．９、ｐ４２以下やＦ．ベッカー外、「連続溶接方法の傾向」、人工材料８７、１９９７、ｐ１１以下、及びＨ．プエツ、「最新のプラスチック」、１９９７、ｐ１２１以下に記載されている）。
【００１１】
特定の波長でレーザ透過されるプラスチック即ちポリマーの吸収の挙動及び透過は、例えば吸収体の混合を通じて制御することが出来る。当該吸収体には、例えばカーボンブラックや最近開発された特殊な染料などがある。
【００１２】
吸収挙動を制御可能にする一連の染料が、工業的に利用でき、規定された波長でのレーザ溶接を可能にするためにポリマー混合物への混合が特に開発されてきた。また、Ｉ．Ａ．ジョーンズ外、「プラスチックの透過レーザ溶接における赤外色素の使用」、技術２０００会議論文集、ｐ１１６６以下に開示されている染料は、当該目的に利用できる。
【００１３】
原則として、例えばフィルムや固いプラスチック部品のような溶接される複数の接合相手部品に上記吸収体を組み込むには何通りかの方法がある。
【００１４】
第１の方法として、吸収体が固いプラスチック部品に加えられる。溶接中、レーザビームは、フィルム側からフィルムと固いプラスチック部品の配置に向けて指向される。
【００１５】
レーザは、レーザ光透過フィルムを突き抜け、固いプラスチック部品に衝突する。固いプラスチック部品には、吸収体が含まれていて、熱の生成に伴ってフィルムと共に溶接接合部が形成される。しかし、固いプラスチック部品内における吸収体の存在は以下の不利益をもたらす。吸収体は固いプラスチック部品の製造中に固いプラスチック部品に混合されなければならず、固いプラスチック部品が比較的大きく及び／又は複雑な形状である場合、大量の吸収体が使用されなければならなくなり、そして固いプラスチック部品の製造方法によっては、吸収体は、固いプラスチック部品中に不均一に分布することとなり、材料特性に対応して溶接中の溶接温度が異なる結果となる。
【００１６】
さらなる方法として、例えばプリント法のように固いプラスチック部品とフィルムとの間に機能的被膜として吸収体を塗布する方法がある。この場合の問題は吸収体がプリント法により不均一に塗布されてしまうことである。さらにプリントされた層は感度が高く、製造工程において傷付くおそれがある。両者の問題は材料特性が異なることで溶接継ぎ目が不均一になるおそれがある。
【００１７】
もうひとつの方法として、吸収体は透過レーザ溶接の間に所望の温度とするためにフィルムに混合することができる。この場合の問題は吸収体がフィルム内で均一に分布し、放射範囲の至る所で熱を生成してしまうことである。フィルムの熱と「溶解」は上記のようにフィルムの接合範囲だけでなく、プレス工具によりプレスされるフィルムの反対側でも生じ、結果としてプレス工具にフィルムが接着することとなる。フィルムは放射された断面の至る所で溶解してしまうため、フィルムの寸法安定性はもはや得られず、フィルムが引張応力の下で固いプラスチック部品上に位置し、薄くなってしまうことになる。その上、溶接範囲は結果的に広がり、質の悪い溶接継ぎ目が出来てしまう。吸収体はフィルム内に均一に分布しているので、レーザビームによる熱の進展が多大になり、くぼんだ焼けが発生するという問題が生じる。上記問題はフィルム内の吸収体の濃度を低数値に設定することにより回避できる。しかし、それはフィルムに使用されるプラスチックに依存して接合範囲におけるフィルムの熱による伸張では完全な溶接を十分達成出来ない、ということを意味する。
【００１８】
上記言及についてフィルムの「溶解」とは、相転移という意味での熱力学的溶解ではなく、フィルム軟化工程及び溶接状況下でのプラスチック加工のための電位を得ることを意味する。この「溶解」という用語は、フィルム複合材料における部分的な結晶質ポリマーの熱力学的溶解という意味をも有する。
【００１９】
国際公開ＷＯ０２／０９２３２９では固いプラスチック部品にフィルムをレーザ溶接する方法について記載されていて、フィルム上において接地圧を発生させるためにガラス又はプラスチックシートが使用され、フィルム及びガラス若しくはプラスチックシートはレーザ光線が透過し、プラスチック部品はレーザを通さない、と記載されている。
【００２０】
欧州特許出願公開第０４７２８５０号明細書ではカバーフィルムが固い部品としてのプラスチック容器に溶接されるレーザ溶接装置が記載されていて、カバーフィルムはプレス工具によりプラスチック容器に機械的にプレスされ、プレス工具は使用されるレーザ光線が通過する窓を有する、と記載されている。カバーフィルムは使用されるレーザ光線が透過し、プラスチック容器はレーザが透過しない。
【００２１】
国際公開ＷＯ０１／８０９９７は複数の凹部を有するプラスチックシートの製造方法に関するものであり、フィルム及びプラスチックシートはレーザ光線によって溶接され、赤外線吸収特性を有する材料がプラスチックシートに組み込まれている。
【００２２】
国際公開２００５／１０２５８８では、第２のワークピースに隣接した第１のワークピースの配置からなり、第１のワークピースは均一でない厚さを有し、さらに第１のワークピース及び補償シートの結合厚さが実質的に均一になるような、第１のワークピースに隣接する補償シートの配置と、からなるレーザ溶接方法、及び第１と第２のワークピースのレーザ溶接方法について記載されている。第１のワークピースは使用するレーザ光線が透過し、第２のワークピースはレーザが透過しない。
【００２３】
本発明の目的は従来技術の方法による上記不利益を有さない透過レーザ溶接による複合材料の製造方法を提供することである。さらに当該方法により得られる複合材料及び本発明に使用される複合材料の溶接配置についても提供することとする。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
本発明は、
ａ）結合層がレーザ光線に対する吸収体を有し、結合層が固いプラスチック部品に隣接するように、固いプラスチック部品上に結合層を有する多層フィルムを平坦に配置する工程と、
ｂ）レーザ光線が透過するプレス工具で固いプラスチック部品に多層フィルムをプレスする工程と、
ｃ）多層フィルム側からレーザ光線により工程ｂ）で得られた配置に放射する工程と、
によりなしうるものである。
【発明の効果】
【００２５】
本発明による方法において、レーザ光線に対する吸収体を含む、結合層を有する多層フィルムはフィルムとして使用される。吸収体を有する結合層の使用を通じて結合層と、結合層に隣接する固いプラスチック部品の表面領域にのみ溶接熱が実質的に生成される。結果として吸収体のレーザ光線の吸収により多層フィルムの部分のみが溶解されるため、多層フィルムは寸法安定性を維持することができる。このように、フィルムの薄膜化及び溶接継ぎ目の溶出を防止することができる。
【００２６】
本発明による方法によれば溶接中のフィルムの寸法安定性を維持することができる。言い換えれば溶接されるフィルム構造がエンボス構造のような複雑なものであってもレーザ放射の照射に関わりなく形状は変形しない（例えば図２参照）。
【００２７】
従来の方法において多層フィルムの使用時には、固いプラスチック部品が完全に均一で平坦な表面でない場合に、多層フィルムの相対的な剛性により全範囲の中で多層フィルムと固いプラスチック部品との間は積極的に接触しないという状況が生じる。これは例えば固いプラスチック部品の材料の誤差の精度が高く要求されていなかったり、成形された固いプラスチック部品の表面がフィルムに溶解しているような場合に起こりうる。結果として溶接中の溶接継ぎ目の品質は悪くなってしまう。
【００２８】
本発明による方法の好適な実施形態として、当該方法は多層フィルムとプレス工具との間に柔軟なプラスチック部品を平坦に配置する工程をも有するものである。柔軟なプラスチック部品は固いプラスチック部品の輪郭と表面の凸凹をなじませる特性やプレス工具の接触圧力の下で固いプラスチック部品の輪郭や表面の凸凹に対して多層フィルムをプレスする特性を有する。これにより多層フィルムの溶接の接触は改善され、溶接継ぎ目の品質が良好になる。
【００２９】
本発明による方法の追加の実施形態として、柔軟なプラスチック部品は使用されるレーザの波長に対して十分な透過性を有するシリコンゴムで出来ているというものがある。
【００３０】
本発明による方法の追加の実施形態として、プレス工具はレーザ光線が透過するガラスシートであるというものがある。
【００３１】
多層フィルムはエンボス構造、特に六角形のエンボス領域を有することが好ましい。
【００３２】
本発明による方法は、レーザ溶接中にくぼんだ焼けが生じるのを防止するために保護ガス雰囲気中で有利に実施される。
【００３３】
上述の方法により得られる複合材料は、本発明では固いプラスチック部品と多層フィルムとからなり、多層フィルムはレーザ光線に対する吸収体を含む結合層を有し、結合層が固いプラスチック部品上に載置されるように多層フィルムが固いプラスチック部品に接続され、又は平坦に溶解されている。
【００３４】
本発明は以下に示す図面について実施の形態を参照しながら詳細に説明するが、その範囲に制限されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明における複合材料の溶接配置の概略図である。
【図２】溶接された多層フィルムのエンボス構造の拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
本発明における方法、当該方法により得られる複合材料及び本発明における複合材料の溶接配置の実施形態は図１，２を参照して説明する。
【００３７】
図１によれば複合材料の溶接配置は、発明の実施の形態の１つとして固いプラスチック部品１、固いプラスチック部品１上に平らに配置された多層フィルム２、多層フィルム２上に平坦に配置された柔軟なプラスチック部品３、及びプレス工具４から構成されている。
【００３８】
フィルムの対応片を備えると共に溶接に熱力学的に十分に相性のよい溶接可能な熱可塑性物質が、プラスチックとして固いプラスチック部品１に使用される。固いプラスチック部品１はポリプロピレンから構成されるのが望ましい。さらに好適な材料には例えばポリエチレン、ポリイソプレン、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリカーボネート、それらの混合及びそれらの共重合体がある。
【００３９】
多層フィルム２は少なくとも２層からなり、２つの外側の層の１つは結合層である。結合層は図１に示す複合材料の溶接配置において固いプラスチック部品１上に載置されている。もちろんフィルム（いわゆる層状の複合材料）の機能に応じてさらなる層が存在することも可能である。結合層の形成は溶接性の観点から固い部品の材料に対応する。熱成長が溶接領域付近でのみできるだけ生じるようにするために、結合層は通常支持層の厚さ未満の厚さを有する。十分な厚さを有する結合層には、放射中に大量の熱がフィルム複合材料全体に導入される。その結果フィルム複合材料の寸法安定性は損なわれてしまう。
【００４０】
結合層は第２層または層状複合材料の残余の１０分の１のみの厚さを有することが考えられる。しかし１対５または１対３未満の比率である場合も考えられる。層状の複合材料または追加の層が結合層に加えて比較的高融点の層をさらに有する場合、１対１の比率が選ばれることが望ましい。これは例えば複合材料の結合層がポリプロピレン、支持層がポリアミドで出来ている場合に可能である。例えばポリエチレンテレフタレートはポリアミドの代わりに使用することもできる。
【００４１】
医療技術の分野で特に使用される好適な実施形態として、結合層は吸収体を組み込まずに大部分である９５から１００％がポリプロピレンからなり、厚さが１０から１００μｍとなっている。しかし、溶接配置によって結合層の生成には異種のポリマーの混合が可能である。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、ＫＲＡＴＯＮ（登録商標）  ＦＧ１９２４のような商品名で工業的に利用されている、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリイソプレン、ブタジエン、スチレン等のブロック共重合体を有するオレフィンのスチレンブロック共重合体のようなＣ２からＣ１０単量体の重合体や共重合体がある。
【００４２】
結合層は多層フィルム２に放射されるレーザ光線を吸収し、その結果結合層、及び固いプラスチック部品１と多層フィルム２の結合層に隣接する領域に熱をもたらす、レーザ光線に対する吸収体を有する。
【００４３】
いわゆる赤外線吸収体は例えば吸収材として使用することができる。当該吸収体は赤外線領域で吸収を行い、可視光領域では透明に現れるので、医療技術におけるフィルムの使用に特に有効である。
【００４４】
ＢＡＳＦ社製のＬｕｍｏｇｅｎ  ＩＲ７８８は吸収体として好適に使用されている。結合層中に存在する吸収体の量は一般に５００ｐｐｍ以下であり、２０−１００ｐｐｍが望ましい。しかし、赤外線領域で吸収を行う他の吸収体が使用されてもよい。Ｌｕｍｏｇｅｎ  ＩＲ７８８は最大波長７８８ｎｍにて吸収を行う。
【００４５】
従ってこの場合には８０８ｎｍの波長を有するダイオードレーザが最も近い放出波長を有するレーザとして選択される。
【００４６】
９４０から９６０ｎｍの領域において吸収を行う吸収体には、例えばネオジウム添加イットリウム  アルミニウム  ガーネットレーザ（Ｎｄ−ＹＡＧレーザ）が選択される。
【００４７】
多層フィルム２は実施形態の１つとしてエンボス構造、特に六角形のエンボス領域を有する。図２には溶接された多層フィルムの六角形エンボス構造領域の一例が示されている。平坦な多層フィルム領域は整形された溶接継ぎ目になる。溶接を実施する際の熱に関わらず、フィルムのエンボス領域は傷つかず、つまり本発明における方法によれば多層フィルムは溶接中に寸法安定性が維持されることがわかる。
【００４８】
使用されるレーザ光線が透過するシリコンゴムは、好適な実施形態において使用される柔軟なプラスチック部品３の材料として使用されるのが望ましい。特にいわゆるシリコンマットはシリコンゴムとして使用される。これは通常ショア硬さＡが３０から７０になる。当該シリコンマットの厚さは１ｍｍより上であり、５ｍｍが好ましい。
【００４９】
さらに厚さは例えば８ｍｍ、６ｍｍ及び１０ｍｍであっても可能である。空気のクッションや液体が充填されたクッションを使用することも可能である。しかし、使用レーザが透過するものであれば他の柔軟なプラスチックが使用されてもよい。
【００５０】
使用されるレーザが透過するガラス製のガラスシートはプレス工具４として使用することが望ましい。プレス工具４が多層フィルム２又は柔軟なプラスチック部品３上に及ぼす接触圧力は０．１から２Ｎ／ｍｍ２の範囲であることが望ましい。
【００５１】
使用されるレーザ光線はダイオードレーザにより生成され、特に８０８ｎｍの波長を有することが望ましい。特にＬａｓｅｒｌｉｎｅ社によるＤｉｏｄｅｎｌａｓｅｒ  Ｌａｓｅｒｌｉｎｅ  ＬＤＦ  １０００−５００のダイオードレーザが使用される。図１によれば照射レーザ光６は、多層フィルム２および固いプラスチック部品１の結合層のプラスチックが局所的に溶解される溶接領域５を形成する。溶接領域の冷却後に多層フィルム３と固いプラスチック部品１は相互に迅速に溶接される。
【００５２】
本発明における透過レーザ溶接法を実施するために、図１に示す複合材料の溶接配置は保護ガス雰囲気７中で配置されることが望ましく、それにより溶接中のくぼんだ焼けの発生を確実に防止できる。
【００５３】
複合材料の溶接配置が使用される本発明による方法を通じて以下の効果が得られる。
【００５４】
多層フィルムの結合層中における吸収体の存在により、入力温度は局所的に制限されているので、多層フィルムの大部分を軟化させずに、輪郭が明確な溶接が可能となる。例えばエンボス領域のようなフィルム内の溶接前の構造は、維持されたままである（図２参照）。本発明によれば柔軟なプラスチック部品の使用を通じて、平坦な固いプラスチック部品表面だけでなく平坦でない、僅かな曲面の溶接をすることもさらに可能であり、その箇所に溶接のために粘性の多層フィルムを使用することもできる。したがって結合する相手部品の許容誤差の精度はそれほど要求されないことになる。さらにパーティクルがほとんど生じない接合も可能であり、溶接継ぎ目の端部に溶接による溶出は生じない。
【００５５】
したがって、本発明における方法によれば視覚的にも機械的にも許容できる溶接継ぎ目を得ることができる。
【符号の説明】
【００５６】
１…      固いプラスチック部品、
２…      多層フィルム、
３…      柔軟なプラスチック部品、
４…      プレス工具、
５…      溶接領域、
６…      照射レーザ光。
【図１】
0005502082.tif 000002
【図２】
0005502082.tif 000003