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如今大多數(shù)制造公司都是通過配備有光纖激光器或超短脈沖（USP）激光器，也有同時(shí)配備有光纖激光器或超短脈沖激光器的工具進(jìn)行金屬以及非金屬精密激光切割。我們?cè)诒疚膶?duì)這兩種激光器的不同優(yōu)勢(shì)進(jìn)行解釋，并探討兩家制造商如何使用此類激光器。

NPX Medical（位于明尼蘇達(dá)州普利茅斯）屬于一家相當(dāng)專業(yè)的新制造商，其可為醫(yī)療器械制造商提供設(shè)計(jì)、工程和精密激光切割服務(wù)。該公司以其高質(zhì)量的產(chǎn)品和快速響應(yīng)在行業(yè)內(nèi)迅速建立了聲譽(yù)，該產(chǎn)品可支持多種器械（包括支架、植入物、瓣膜支架和柔性輸送管），用于類似的多種外科手術(shù)干預(yù)（包括神經(jīng)血管、心臟、腎臟、脊柱、骨科、婦科和胃腸道手術(shù)）。

該公司使用含有光纖激光器的機(jī)器，為各種器械和部署工具（例如支架、植入物和撓性管）提供服務(wù)。Motion Dynamics利用結(jié)合USP飛秒激光器以及包括飛秒激光器和光纖激光器在內(nèi)的最新混合系統(tǒng)之一的機(jī)器，制造出主要用于神經(jīng)病學(xué)的子組件（例如“拉線”組件），以實(shí)現(xiàn)最大的靈活性和多功能性。其主要激光切割機(jī)為StarCut Tube 2+2 ，配備有平均功率為200W的StarFiber 320FC。

超短脈沖激光器與光纖激光器

多年來常使用固態(tài)納秒激光器（稱為DPSS激光器）進(jìn)行大多數(shù)激光微加工。但由于兩種完全不同的激光類型的發(fā)展，現(xiàn)在已完全改變此種加工方式。隨著最初為電信開發(fā)的光纖激光器不斷成熟，其在許多行業(yè)中成為材料處理激光器的主力，且通常輸出為近紅外波長(zhǎng)其成功的原因在于其具有簡(jiǎn)單的體系結(jié)構(gòu)以及簡(jiǎn)單的電源可擴(kuò)展性。使得此類激光器緊湊、高度可靠、易于集成至專用機(jī)器中，并且通常比老式激光器具有更低的擁有成本。對(duì)于微加工而言，重要的是輸出光束可聚焦至直徑僅幾微米的干凈小點(diǎn)上，因此其非常適用于進(jìn)行高分辨率的切割、焊接和鉆孔。其輸出亦具有高度靈活性和能控性，脈沖速率可從單次激發(fā)持續(xù)至170 kHz。并且具有可擴(kuò)展功能，支持快速切割和鉆孔。

但光纖激光器在微加工中的潛在缺點(diǎn)在于其加工小特征和/或輕薄精細(xì)部件。長(zhǎng)（例如50µs）脈沖持續(xù)時(shí)間會(huì)導(dǎo)致少量熱影響區(qū)（HAZ）（例如重鑄材料和微小邊緣粗糙度），可能需進(jìn)行一些后處理。幸運(yùn)的是，新型激光器-具有飛秒輸出脈沖的超短脈沖激光器（USP）-可消除熱影響區(qū)問題。

使用USP激光器，可在噴射出的碎片擴(kuò)散至周圍物質(zhì)前帶走切割或鉆孔過程中產(chǎn)生的大部分額外熱量。具有皮秒輸出的USP激光器長(zhǎng)期以來用于涉及塑料、半導(dǎo)體、陶瓷以及某些金屬微加工應(yīng)用中（皮秒= 10-12秒）。但對(duì)于具有像人類頭發(fā)般細(xì)的支柱的金屬器械，金屬的高熱導(dǎo)率以及微小尺寸意味著皮秒激光器并不總是能提供更好的結(jié)果，這可證明早期USP激光器成本的增加屬于合理增加。隨著工業(yè)級(jí)飛秒激光器的出現(xiàn)（1飛秒= 10-15秒），這種情況已得到改變。例如Coherent Inc.摩納哥系列激光器與光纖激光器具有相似特點(diǎn)，其輸出為近紅外波長(zhǎng)，這意味著其可切割或鉆孔醫(yī)療器械中使用的所有金屬（包括不銹鋼、鉑、金、鎂、鈷鉻合金、鈦等）以及非金屬。雖然短脈沖持續(xù)時(shí)間和低脈沖能量的結(jié)合可防止熱損傷（HAZ），但高（MHz）重復(fù)率可確保許多高價(jià)值醫(yī)療器械的高性價(jià)比吞吐速度。

專用激光切割機(jī)

當(dāng)然，在我們行業(yè)中幾乎無人僅需1臺(tái)激光器；相反其需要1臺(tái)基于激光的機(jī)器，而現(xiàn)在有許多專門針對(duì)醫(yī)療器械切割和鉆孔進(jìn)行優(yōu)化的機(jī)器。例如來自Coherent公司的StarCut Tube系列激光器，其可與光纖激光器、飛秒激光器結(jié)合使用，或者將其作為包括兩種激光器類型的混合版本使用。

Coherent公司曾作為2020Medtec中國(guó)展展商，展示其可靠的激光切割、激光焊接和激光打標(biāo)等各種解決方案，如果您也有類似產(chǎn)品，不妨聯(lián)系我們參展加入Medtec中國(guó)展。參展報(bào)名請(qǐng)滑至文末點(diǎn)擊“閱讀更多”。

我們所述的醫(yī)療器械專用是什么意思？大多數(shù)此類器械基于定制設(shè)計(jì)，以有限的批量將其生產(chǎn)。因此，靈活性和易用性為關(guān)鍵考慮因素。雖然許多器械均由管坯制造，但也存在某些部件必須用平板材料精密加工而成；同一臺(tái)機(jī)器必須同時(shí)處理這兩種情況，以實(shí)現(xiàn)價(jià)值最大化。通常通過提供多軸數(shù)控（xyz以及旋轉(zhuǎn)）運(yùn)動(dòng)以及簡(jiǎn)單編程和控制的用戶友好HMI來滿足此類需求。在StarCut Tube情況下，新管裝載模塊選項(xiàng)帶有用于3 m長(zhǎng)管的側(cè)面裝載料盒（稱為StarFeed），以及用于切割產(chǎn)品的分揀器，允許進(jìn)行完全自動(dòng)化的手動(dòng)生產(chǎn)。

通過支持濕切割和干切割，以及為需輔助氣體工藝提供易于調(diào)節(jié)的輸送噴嘴，此類機(jī)器的工藝靈活性得到進(jìn)一步提高?？臻g分辨率對(duì)于加工極小零件尤其重要，這意味著熱機(jī)械穩(wěn)定性可消除機(jī)器車間經(jīng)常遇到的振動(dòng)影響。StarCut Tube系列可滿足這一需求，其可通過大量花崗巖元素構(gòu)造整個(gè)切割平臺(tái)。

NPX Medical -切割不同組件

NPX公司創(chuàng)始人之一Mike Brenzel解釋稱，“公司創(chuàng)始人在醫(yī)療器械設(shè)計(jì)和制造方面具有多年豐富經(jīng)驗(yàn)-總共超過90年-以及使用光纖激光器的類似StarCut機(jī)器的經(jīng)驗(yàn)。我們的許多工作涉及鎳鈦諾切割，并且我們了解光纖激光器將提供我們所需的速度和質(zhì)量。由于USP激光器速度過慢，可能無法滿足我們所需的厚壁管和設(shè)備（例如心臟瓣膜）速度。除大批量生產(chǎn)訂單外-我們專門生產(chǎn)小批量零件-僅5至150件-我們的目標(biāo)是在短時(shí)間內(nèi)（幾天）完成此類小批量的徹底周轉(zhuǎn)，其中包括設(shè)計(jì)、編程、切割、成型、后處理和檢驗(yàn)，而大公司可能需要在下訂單后幾周內(nèi)將其完成。除速度外，Brenzel還提到該機(jī)器的可靠性是其主要優(yōu)勢(shì)，在過去的18個(gè)月里，其幾乎連續(xù)運(yùn)行，無需呼叫任何服務(wù)

圖2.NPX提供各種后處理選項(xiàng)。此處顯示的材料為T316不銹鋼，外徑為5 mm，壁厚為0.254mm。左側(cè)部分為切割/微噴砂，右側(cè)部分為電拋光。

除鎳鈦合金零件外，該公司還廣泛使用鈷鉻合金、鉭、鈦以及幾種醫(yī)用不銹鋼。激光加工經(jīng)理Jeff Hansen解釋稱：“機(jī)器靈活性為另一項(xiàng)重要資產(chǎn)，其使我們能夠支持真正多樣化的材料（包括管材和扁平材）切割。對(duì)于較薄的管，我們可將光束聚焦至20微米的點(diǎn)上。某些管內(nèi)徑僅0.012英寸并且最新光纖激光器的高峰值功率與平均功率之比使我們的切割速度最大化，同時(shí)仍能提供所需的邊緣質(zhì)量。對(duì)于外徑可能高達(dá)1英寸的大型產(chǎn)品，我們絕對(duì)需要提高速度。

除精密切割和快速響應(yīng)外，NPX還提供全套后處理技術(shù)，以及綜合設(shè)計(jì)服務(wù)，此類服務(wù)借鑒其在該行業(yè)的豐富經(jīng)驗(yàn)。此類技術(shù)包括電拋光、噴砂、酸洗、激光焊接、熱定形、成型、鈍化、Af溫度測(cè)試和疲勞測(cè)試，所有這些都是鎳鈦諾器械制造的關(guān)鍵。Brenzel稱，使用后處理技術(shù)來處理邊緣光潔度“通常取決于我們談?wù)摰氖歉咂谶€是低疲勞應(yīng)用。例如心臟瓣膜此類高疲勞零件在其壽命期間可能會(huì)彎曲10億次，而在后處理過程中，使用噴砂處理來增加所有邊緣的半徑顯得尤為重要。但對(duì)于輸送系統(tǒng)或?qū)Ыz此類低疲勞部件通常無需對(duì)其進(jìn)行大量的后處理。在設(shè)計(jì)專業(yè)知識(shí)方面，Brenzel解釋稱，現(xiàn)在多達(dá)四分之三的客戶除利用NPX的幫助和技能獲得FDA批準(zhǔn)外，并且使用其設(shè)計(jì)服務(wù)。該公司非常擅長(zhǎng)在短時(shí)間內(nèi)將“餐巾紙草圖”概念轉(zhuǎn)化為最終產(chǎn)品。

Motion Dynamics（Futurport，MI）為一家專業(yè)生產(chǎn)定制微型彈簧、醫(yī)用線圈和電線組件的制造商，其使命是在盡可能短的時(shí)間內(nèi)解決客戶的問題，無論這些問題有多復(fù)雜或看似不可能。在醫(yī)療器械方面，其主要強(qiáng)調(diào)用于神經(jīng)血管手術(shù)的復(fù)雜組件，其中包括高質(zhì)量導(dǎo)線組件的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和組裝，例如包括“拉線”組件在內(nèi)的可操縱導(dǎo)管器械。

Motion Dynamics–創(chuàng)建神經(jīng)病學(xué)程序的子組件

如前所述，光纖或USP激光器的選擇屬于工程偏好以及所支持器械和工藝類型的問題。Motion Dynamics總裁Chris Witham解釋稱，“該公司基于高度專注于神經(jīng)血管產(chǎn)品的商業(yè)模式，我們可在設(shè)計(jì)、執(zhí)行和服務(wù)方面提供差異化的結(jié)果。我們僅使用激光切割來生產(chǎn)我們?cè)趦?nèi)部使用的部件，以制造高價(jià)值的“困難”組件，這已成為我們的專長(zhǎng)和聲譽(yù)；我們不提供激光切割作為合同服務(wù)。我們發(fā)現(xiàn)使用USP激光器完成大多數(shù)激光切割能達(dá)到最佳結(jié)果，幾年來，我們一直使用配備有該激光器的StarCut Tube。由于我們產(chǎn)品在市場(chǎng)上具有強(qiáng)烈需求，因此我們每天實(shí)行兩次（有時(shí)是三次）8小時(shí)輪班制，并且在2019年，我們需要收購另一臺(tái)StarCut Tube來支持這一增長(zhǎng)。但這次我們決定采用一種新的混合模式，其帶有USP飛秒激光器以及光纖激光器。我們還將其與StarFeed加載器/卸載器進(jìn)行配對(duì)，這樣我們便可進(jìn)行完全自動(dòng)化切割-操作員僅需向進(jìn)料器加載空白試管，并啟動(dòng)該產(chǎn)品的軟件操作程序。

圖3.采用摩納哥飛秒激光器對(duì)此類柔性不銹鋼輸送管（顯示在鉛筆橡皮擦旁邊）進(jìn)行切割。

Witham補(bǔ)充稱，雖然其偶爾會(huì)使用機(jī)器進(jìn)行平切，但95%以上的時(shí)間是用于為其可操縱導(dǎo)管組件（即海波管、線圈和螺旋）創(chuàng)建或修改圓柱形產(chǎn)品，包括切割成型尖端和切割孔。此類組件最終用于動(dòng)脈瘤修復(fù)和血凝塊清除等手術(shù)。需在各種金屬上使用激光切割機(jī)，其中包括不銹鋼、純金、鉑和鎳鈦諾。

圖4.Motion Dynamics也廣泛使用激光焊接。上圖中，已將線圈焊接知激光切割管上。

激光選擇？Witham解釋稱，優(yōu)秀的邊緣質(zhì)量和最小化的切口其大多數(shù)組件的關(guān)鍵，因此其最初更偏向使用USP激光器。此外，此類激光器能切割該公司使用的所有材料，包括在其某些產(chǎn)品中用作不透輻射標(biāo)記的微小金成分。但其補(bǔ)充稱，新的混合選項(xiàng)包括光纖激光器以及USP，使其在優(yōu)化速度/邊緣質(zhì)量問題上更具靈活性。“毫無疑問，此類光纖激光器可提供更快的速度，”其稱。“但由于我們特殊的應(yīng)用重點(diǎn)，這通常意味著需進(jìn)行某種類型的后處理，例如化學(xué)和超聲波清洗或電子拋光。因此，混合機(jī)器允許我們選擇整體過程-單獨(dú)的USP或光纖激光和后處理-為每個(gè)組件的最佳選擇。其可使我們能夠探索混合加工相同部件的可能性，特別是在涉及較大直徑和壁厚的情況下：即首先使用光纖激光器進(jìn)行快速切割，然后使用飛秒激光器進(jìn)行精細(xì)切割。其預(yù)計(jì)USP激光器將是其首選，由于盡管其遇到的壁厚在1-20000之間，但其大多數(shù)激光切割涉及壁厚在4000到6000之間的不銹鋼管。

綜上所述，激光切割以及鉆孔為制造各種醫(yī)療器械的關(guān)鍵工序。如今，由于核心激光技術(shù)的進(jìn)步以及為滿足該行業(yè)特殊需求而配置的高度優(yōu)化的機(jī)器，此類工藝比以往任何時(shí)候更易于使用，并產(chǎn)生更好的效果。