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生物医学领域中的生物植入体必需使用具有生物相容性的材料进行连接(封装)以适应人体内复杂的生物、物理和化学环境。异种材料连接可集两种材料优异性能于一体,而材料不同的化学、机械和热学性能使得异种材料连接比同种材料更具有挑战性。激光透射连接技术作为一种新型连接技术所具有的优点特别适合于异种生物相容性材料的连接。
本文采用基于统计的实验设计方法和数值模拟方法,针对具有生物相容性PET薄膜与316L不锈钢薄板的激光透射连接工艺进行较系统的研究。
首先,应用固定光路激光连接系统,采用单因素工艺和基于实验设计(DOE)的响应曲面法对0.1mm PET薄膜与0.1mm316L不锈钢薄板之间的激光透射连接进行研究。使用光学显微镜对不同工艺参数情况下的接头形貌进行观测,揭示了激光器功率、加工速度和离焦量等主要工艺参数对连接接头宽度和接头强度的影响规律。单因素工艺分析得到了PET薄膜与316L不锈钢薄板激光透射连接的工艺参数窗口,可为激光透射连接时提供合理的工艺参数范围；响应曲面法建立了基于连接质量(连接强度和连接宽度)与各工艺参数之间的数学模型,分析得到了各工艺参数及之间的相互关系对连接质量的影响,优化了主要工艺参数,为激光透射连接时选取适当的工艺参数以提高加工效率提供指导。
其次,应用振镜扫描激光连接系统,研究开环控制分析中激光器功率和加工速度等主要工艺参数对连接质量的影响,得到激光透射连接过程的工艺参数窗口,并通过高温计分析出获得较好连接质量时的温度范围。在开环控制得到温度基础上采用闭环控制,所得的试验结果证明振镜扫描系统中闭环控制在激光透射连接过程中能得到更好的连接质量,更具有优势。
最后,利用商业化软件ANSYS建立三维热传导模型,使用APDL语言编程实现超高斯型热源的动态加载,得到连接过程中的温度场分布,分析加工速度、激光器功率等工艺参数对连接质量的影响,并计算出不同工艺参数下的连接宽度。与试验结果进行对比,发现两者趋势比较吻合,证明了模型的可靠性,为优化工艺参数奠定了基础。然后在温度场的基础之上,采用间接法得到激光透射连接的应力场分布,为有针对性的改善激光透射连接过程中的应力分布奠定基础。
本文研究为PET薄膜与316L不锈钢薄板激光透射连接在生物医学植入体中的应用奠定了基础。