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飛秒激光加工在醫(yī)療設備行業(yè)的運用
發(fā)布時間：2022-04-14 09:15
激光技術的最新進步為精密機加工注入了更強的能力，既杜絕了熱效應，又最大程度減少了后處理。

毫秒級（ms）光纖激光器多年來一直成功應用于醫(yī)療設備應用，例如注射管和支架的切割。盡管精密而快速，但這種加工方法的不利之處在于部件切割之后總是需要執(zhí)行一系列的后處理，顯著增加了部件成本，并增加了這些精巧機械部件受損的風險。

近年來，超短飛秒（fs）級激光器技術已得到引入，這種激光器所生成的激光脈沖不會在部件上留下熱效應指紋。這些碟式飛秒激光器提供了短于400fs的激光脈沖和卓越的光束質量，并且具備足夠的峰值功率，足以實現(xiàn)極高質量的冷燒蝕切割工藝，無需采用熔融噴射工藝。由此執(zhí)行的切割加工只需要最少量的后處理，而且更細的光束更可以加工出非常精巧的細部。

這種工藝在生產(chǎn)醫(yī)療設備時效果特別出色，如導管、心瓣膜和醫(yī)用支架，并可用于玻璃切割和標識制作應用，還可用于牙科植入物陶瓷材料的3D結構制造。但是，也許最有潛力的應用在于一種新類型的生物吸收型材料，即能夠在受控時間長度內(nèi)在身體內(nèi)安全地置留并隨后吸收的聚合物材料，目前這些材料正處于開發(fā)當中，將用于替代傳統(tǒng)聚合物或金屬部件。

過去，飛秒級激光器一直被認為加工速度過慢，無法執(zhí)行商業(yè)上可行的加工作業(yè)。最近的研究評估了每個部件的切割用時和后處理步驟，證明了在許多個案當中，碟式飛秒級激光器的投資回報期少于12個月，特別當用于加工高價值部件時。飛秒級激光器的潛力在很大程度上有賴于系統(tǒng)平臺，因此Jenoptik和MiyachiAmerica正在聯(lián)手開發(fā)臺階平臺和掃描頭平臺，這兩種平臺設計用于達到微處理所要求的質量和精密度水平。

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圖１此圖對比了采用毫秒級激光器與飛秒級激光器的加工結果

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飛秒級激光基本特點


飛秒級光脈沖屬于超短脈沖（USP）。1fs＝10-15s，作為校準點，1個300fs的脈沖等于僅90μm的物理脈沖長度。由于不像納秒級（ns）脈沖那樣的熱加工過程，USP具有眾多優(yōu)點：沒有熱沖擊、沒有沖擊波、無微裂紋、無熔融效應、無表面損傷、無殘屑、無材料噴射、無重鑄層。

飛秒級激光器技術并非新鮮技術，這項技術已經(jīng)廣泛應用于科研機構和研究中心30多年了。但是，可在商業(yè)上應用的飛秒級激光技術，需要具備能夠在工業(yè)環(huán)境下以全天無休24/7式工作的能力，而這種技術才出現(xiàn)了只不過7年左右。飛秒級激光器最近用于晶圓切片和蝕刻P1、P2、P3級太陽能電源板，或用于在電池板上制造供電極使用的溝槽，而如今這種激光器掀起了一波新加工能力的浪潮，有眾多醫(yī)療設備將成為這種加工方式的優(yōu)良適用者，特別是考慮到這種工藝在加工部件方面所存在高成本時。

除了能夠盡量減少后處理而帶來的投資回報合理性之外，飛秒級碟式激光器還可以形成一些獨有特色，而這些特色是之前因為質量顧慮而不可能實現(xiàn)的，特別是在聚合物加工領域。圖2所示為納秒級355nm激光源與1030nm飛秒級激光源在加工聚丙烯時的對比。碟式飛秒級激光加工孔在外觀上呈現(xiàn)出極少的錐度，孔周圍完全沒有熔融和熱效應變形現(xiàn)象。這種能力可以幫助產(chǎn)品提升在設計上的自由度，無需或極少需要在制造工藝方面做出妥協(xié)，只需盡力加強功能。

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圖２以上對比照片顯示了采用一個355nm納秒級（NS）激光器（左）和一個1030nm飛秒級碟式激光器（右）所鉆成的孔

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投資回報方面的開發(fā)考慮　


采用飛秒級激光器對金屬和塑料材料加工可以達成優(yōu)秀的邊緣質量，使得這種激光器可以出色地應用于心臟、大腦和眼睛支架（鎳鈦合金和鈷鉻合金兩種材質）、導管、心臟瓣膜和聚合物管子。這種幾乎為冷切割的工藝意味著，可以在最輕薄的材料上切割出非常精細的外表特征尺寸，同時保持機械和材料上的完整性。即使用于加工最小直徑的鎳鈦合金管也無需管內(nèi)水冷。

質量改進以及減少后續(xù)加工的前景一直以來都讓飛秒級激光器技術在理論上處于可能的地位，但是直至6年前，對于其在醫(yī)療設備方面的應用仍然基本不存在商業(yè)的興趣，因為顧慮到與其他技術相比的費用和緩慢加工速度。

而包括Jenoptik在內(nèi)的公司從那時起一直在開發(fā)投資回報率計算工具，以證明后處理的真實成本。這個工具可以用于考慮綜合成本要素，包括激光設備購買、后處理能力、加工用時和操作用時。這些計算證明了飛秒級激光器事實上速度更快，因為這種激光器可以減輕多項極為耗時后處理步驟的負擔。

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圖3左圖所示為3個Nitinol支架，右圖所示為一個100mm厚Nitinol支架的放大圖

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邊緣表現(xiàn)出與材料表面

相同的光潔度


以通用型冠狀動脈支架為例，這種支架是頭一個采用光纖激光器制造的設備。首先，這個部件必須進行機加工，然后使用機械工具進行修磨，或進行內(nèi)部清理，最終磨光毛刺。隨后，必須執(zhí)行一項化學蝕刻工序以清理邊緣周圍，然后執(zhí)行電解拋光工序。這些步驟不僅耗時長久，而且還有可能造成部件易碎和變形，并能夠產(chǎn)生微裂紋。良品率處于70%的范圍內(nèi)，這意味著有相當多份額的最終產(chǎn)品成為損失。相比之下，飛秒級激光器屬于干式加工，不向部件導入水或熱量。工序數(shù)量得到了極大幅度的削減，部件接受加工，隨后執(zhí)行一項電化學工序讓邊緣變圓。部件的完整性得到了改進，消除了多項耗時長的工序，良品率可以接近95%。

飛秒級激光器還能加工采用新型生物吸收型聚合物的醫(yī)療產(chǎn)品。這種聚合物可以安全植入體內(nèi)并控制時間長度，隨后吸收，并且不會造成有害或不利的交互作用。可生物吸收型聚合物（也稱為Aspirants）為傳統(tǒng)聚合物或金屬部件提供了替代材料，并在設計上能夠滿足精密的降解速度要求和其他規(guī)格要求。

可生物吸收型材料可以加工成可用于支架的任意形狀。但是，這種材料的加工方式必須正確，且不得引入熱量。如果不能達到上述要求，就會導致材料內(nèi)出現(xiàn)晶化現(xiàn)象，這種現(xiàn)象會使材料的結構降級，影響其使用期限和以正確速度緩釋藥物的能力。而且，由于可生物吸收型材料會溶解，所以無法像絕大多數(shù)塑料一樣接受清潔，而且也不能接觸任何液體溶劑，這也是飛秒級激光器技術是一種更適合這種材料的原因。

可生物吸收型材料已經(jīng)在歐盟用于冠狀動脈支架，盡管目前還未收到美國食品藥物管理局（FDA）對其在美國使用的批準。這種材料絕大多數(shù)由聚酯構成，主要為聚乳酸和聚乙醇酸的均聚物和共聚物。此材料在各種應用領域表現(xiàn)出光明的前景，包括已經(jīng)多次置入支架并因而無法耐受傳統(tǒng)固定支架治療的患者用心血管支架。這種材料目前還用于在插入器官后向身體器官輸送藥物，能以恒定的速率將藥物釋入，且材料最終在預先制定的時間內(nèi)溶解。圖4所示為一個飛秒級激光器切割可生物降解型支架的示例。

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圖4這張放大圖顯示出碟式飛秒級激光器對生物吸收型支架的切割效果

經(jīng)過多年臨床試驗，已有數(shù)家企業(yè)正在等待批準，并已經(jīng)計劃在美國市場大力推廣這項創(chuàng)新材料，而且有幾家企業(yè)已經(jīng)具備了使用飛秒級激光器設備執(zhí)行所需精密微加工的資格。

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飛秒級激光器和微加工


碟式飛秒級激光器的工業(yè)級強健性需要與同等系統(tǒng)搭配使用，達到醫(yī)療設備行業(yè)所要求的日?？煽啃?。目前，飛秒級激光還不能用光纖進行傳導，因此，需要使用固定鏡面指向和傳導至對焦透鏡。因此，想要設計一套光束傳導系統(tǒng)，用于4軸式管切割器，能夠執(zhí)行偏軸切割，同時保持對中度，這種設計存在著難度。光路設計必須確保諸如光束擴展器和精調(diào)衰減器這樣的關鍵光學工具能夠隨著工藝開發(fā)的需要而輕松接近。此項系統(tǒng)設計要求實現(xiàn)全面的機械隔離，并在某些情況下，要求環(huán)境溫度穩(wěn)定性，才能提供一套用于確保工藝可重復性的系統(tǒng)基礎。

Jenoptik與MiyachiAmerica合作開發(fā)了這套系統(tǒng)，集成了將飛秒級激光器推向市場所必需的能力。第一套開發(fā)成功的平臺以Miyachi的Sigma管切割器為基礎。

設計精密微加工系統(tǒng)可能表面看來只與使用了多少花崗石材料有關。拼成設計拼圖的其他關鍵片包括了確定如何對精細部件和材料進行重復定位或夾裝、實施系統(tǒng)內(nèi)部件檢驗以及集成實時光束診斷能力。

光束由反射鏡反射直接通過系統(tǒng)，所以保持光學對準度有著重要意義。但這只是第一步而已。確保光束特性和功率等級得到保持要求使用光學診斷工具，而這些工具必須在線工作并且不會侵入通路，還要能夠提供實時信息。工具通常直接安裝在激光器之后，而光束通路上的最后一個精調(diào)鏡將為激光束或光學光束通路排除偏差。在線和非侵入式的方式能夠實現(xiàn)加工過程中數(shù)據(jù)采集，并可以做出時間和日期戳記，形成制造數(shù)據(jù)的組成部分。

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光明的未來


飛秒級碟式激光器提供了同類當中獨特的加工能力，光束質量優(yōu)異，峰值功率高。為了最大提升生產(chǎn)加工能力，這種激光器必須集成到一套能夠實現(xiàn)高品質和可重復加工的系統(tǒng)當中。這樣一套已經(jīng)上市多年的基礎堅實的飛秒級激光器產(chǎn)品，與具備內(nèi)部部件加工能力的經(jīng)驗豐富的微系統(tǒng)提供商相結合，就形成了一種配合緊密的合作伙伴，將為高價值醫(yī)療產(chǎn)品開發(fā)出理想的生產(chǎn)系統(tǒng)解決方案。

文章來源：佳工機電網(wǎng)


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