強制要求的UDI打標醫(yī)療設(shè)備行業(yè)越來越需要為其產(chǎn)品建立永久識別標記。打標的好處包括防偽、產(chǎn)品可追溯、長期質(zhì)量控制、預(yù)防退貨欺詐以及產(chǎn)品分銷管控。更為重要的是，根據(jù)制定中的 FDA法規(guī)，醫(yī)療設(shè)備打標日益成為美國市場的強制要求。對于可重復(fù)使用的非植入式設(shè)備而言，2018年9月24日是一個關(guān)鍵時間點。在此日期后，“對于要求帶 UDI標記的II類設(shè)備，如果其預(yù)期用途為多次使用且將按照第§801.45條的要求再處理，設(shè)備本身必須帶有永久UDI 標記。”因此，這一規(guī)定涵蓋一次性和可多次使用的不銹鋼工具和設(shè)備，其中“再處理”一詞通常指高壓滅菌。
圖 1. 金屬二維條形碼標記（汽車工業(yè)中常用）。
醫(yī)療設(shè)備常用的不銹鋼合金包括 1.4021、1.4301和1.4305。這些合金鋼表面有一層天然的氧化鉻鈍化層，可防止在反復(fù)高壓滅菌過程中金屬被腐蝕。在設(shè)備制造過程中，加工、打磨、拋光或其他工藝可能破壞該鈍化層。因此，最終產(chǎn)品會使用檸檬酸溶液甚至硝酸溶液重新鈍化，去除表層易腐蝕的（非氧化）鐵顆粒。
對于由這些硬質(zhì)鋼制成的醫(yī)療設(shè)備，難點在于找到一種滿足若干關(guān)鍵標準的打標工藝：首先，標記必須具有較高對比度，這樣才能通過各種不同方法識別。其次，標記必須是永久性的，這意味著標記不能因為正常處理和使用，或因為任何后續(xù)的重新鈍化和反復(fù)高壓滅菌而褪色。再者，標記應(yīng)位于亞表層，這樣不會產(chǎn)生表面凹凸，避免在使用過程中藏匿污染物或引起皮膚刺激/ 發(fā)炎。另外，標記應(yīng)適用于形狀起伏的表面，而且打標工藝本身不應(yīng)需要額外的鈍化處理。最后，整個工藝應(yīng)為具有成本效益的自動化工藝。在本白皮書中，我們將介紹基于皮秒激光器的工藝和一系列全功能打標工具，最終滿足上述各個關(guān)鍵標準。
傳統(tǒng)激光打標的局限性
激光打標并不是一種新想法，幾十年來，它已被用于制作各種類型的標記，目前已應(yīng)用到大量行業(yè)中。根據(jù)涉及材料的不同，二氧化碳 (CO2) 激光器、固態(tài)納秒（稱為 DPSS）激光器和連續(xù)光纖激光器都被不斷地使用到打標應(yīng)用中。這些不同的激光打標應(yīng)用會導(dǎo)致材料塊體內(nèi)部發(fā)生變化、表面顏色改變，或讓表面產(chǎn)生凹凸變化（如刻痕）或宏觀的紋理變化。其中部分工藝廣泛用于醫(yī)療市場的其他板塊，例如制藥。
對于不銹鋼醫(yī)療設(shè)備而言，這些現(xiàn)有激光工藝存在的問題是，它們都通過光熱工藝形成標記。簡單來說，高度聚焦的激光束在極小區(qū)域內(nèi)急劇加熱材料使其溫度升高，從而使其發(fā)生特定類型的改變。例如，CO2激光器為各種基質(zhì)打標實際上是通過熔化并蒸發(fā)材料從而產(chǎn)生表面凹凸來實現(xiàn)的。
人們已經(jīng)對其中部分激光器進行研究，以實現(xiàn)不銹鋼醫(yī)療設(shè)備的“永久”打標，并取得了不同程度的成功。到目前為止，最佳效果是由光纖激光器或DPSS 納秒激光器輸出的近紅外激光形成的黑色標記。這些標記通常具有高對比度。不過，黑色的外觀主要是由于材料表面生產(chǎn)了氧化層，激光脈沖持續(xù)加溫作用于金屬使其與周圍空氣中的氧氣發(fā)生了反應(yīng)。然而這種氧化反應(yīng)會降低表面的抗腐蝕性，導(dǎo)致這類打標必須重新鈍化。但是，鈍化通常導(dǎo)致這類標記褪色。所以對于可多次使用的產(chǎn)品而言，主要局限在于這些氧化標記還會因反復(fù)高壓滅菌而褪色。最終，對比度會降至某些自動讀取器的閾值以下。
皮秒激光打標
皮秒激光器的脈沖寬度非常短：1皮秒等于 10-12 秒。這會產(chǎn)生兩種結(jié)果。第一，脈沖寬度通常小于熱量流出激光相互作用區(qū)域的時間（即使在金屬中），因此與納秒激光器相比，可顯著降低周邊熱效應(yīng)。借助皮秒激光器，可將更高比例的總激光功率用于去除材料，而不是產(chǎn)生不需要的熱量。第二，由于皮秒激光器的脈沖寬度比納秒激光器小一千倍，因此它的峰值功率與平均功率之比約高出一千倍。
這種高峰值功率能夠讓激光和基質(zhì)之間產(chǎn)生獨特的相互作用（包括多光子吸收效應(yīng)），從而在一個溫度相對較低的過程中直接使材料霧化，而不是將材料加熱到沸騰使其蒸發(fā)。在汽車行業(yè)，皮秒激光器可以直接在金屬部件上打2D 條形碼（見圖 1），至關(guān)重要的是條形碼不會在使用過程中褪色。類似方法在平板電腦和其他便攜手持電子設(shè)備的鋁制外殼上產(chǎn)生了極佳效果。最近，皮秒激光器已被用于藍寶石晶片的打標。眾所周知，藍寶石晶片是一種不容易打標的堅硬材料，在高亮度LED 生產(chǎn)中會用到。
由于不銹鋼醫(yī)療設(shè)備的打標在使用長脈沖激光時存在諸多局限，激光工具制造商和醫(yī)療設(shè)備行業(yè)的一些先行者最近都已開始研究使用皮秒激光器實現(xiàn)這一目的。
圖 2. 使用 Coherent Rapid NX 皮秒激光器在1.4301 合金鋼上打黑色標記的幾個示例。
Coherent | Rofin 一直在為優(yōu)化 Rapid NX 皮秒激光器的不銹鋼打標性能而不懈努力。這款激光器平均功率7W、脈沖寬度<15ps，脈沖重復(fù)頻率最高可達1MHz。圖 2 顯示了這款激光器在 1.4301合金鋼上打標的典型效果。乍一看，這些標記與納秒激光器產(chǎn)生的黑色標記類似，但實際結(jié)構(gòu)存在巨大差異。納秒激光器在鋼材料上打標時，黑色標記主要源于表層和亞表層的成分變化，即產(chǎn)生一種黑色氧化材料。對于皮秒激光器鋼材料打標而言，產(chǎn)生高對比度黑色標記的主要因素不是材料成分的明顯改變，而更像是亞表層納米結(jié)構(gòu)的變化，這種變化可以有效地捕獲和吸收光。
抑制反射的微結(jié)構(gòu)表面并不是全新事物。多年來，軍方使用金屬表面的微結(jié)構(gòu)來吸收射頻信號從而實現(xiàn)飛行器的隱形（躲避雷達）功能。許多昆蟲也在更小尺寸上使用這種微結(jié)構(gòu)表面捕獲可見光，這也是軍工產(chǎn)品經(jīng)常被稱為“蛾眼”的原因。目前我們正在委托第三方學(xué)術(shù)機構(gòu)對皮秒激光器產(chǎn)生的納米結(jié)構(gòu)進行徹底研究，更細致的了解可以進一步改善打標工藝。
與產(chǎn)生標記的原理相比，更為重要的是和納秒激光器相比，皮秒激光器的黑色標記在性能方面的顯著差異。首先，我們的試驗表明，在反復(fù)高壓滅菌過程中，這些標記具有天然抗腐蝕（銹蝕）性能，不需要采取任何重新鈍化措施來防銹。其次，鈍化或高壓滅菌都不會導(dǎo)致這些標記嚴重褪色。這可以延長重復(fù)使用設(shè)備的壽命，降低購置成本。它還可以簡化醫(yī)療設(shè)備的制造工藝并降低總成本，因為它不限制執(zhí)行打標和鈍化工藝的時間和順序。最后，與納秒激光器標記相比，皮秒激光器標記更持久、使用限制更少。
激光器的發(fā)展
過去，皮秒標記在其他應(yīng)用領(lǐng)域中經(jīng)常被統(tǒng)稱為“高價值”標記，這是因為皮秒激光器及其配套工具的成本和復(fù)雜程度非常高，只有高價值產(chǎn)品才值得使用。這種狀況已經(jīng)發(fā)生改變。為了迎合市場對皮秒激光器打標日漸濃厚的興趣，激光器制造商使用先進材料和方法開發(fā)了新一代產(chǎn)品，價格比之前更低。Rapid NX 是這種轉(zhuǎn)變的一個典型代表（見圖 3）。這款激光器成本更低，組件更可靠（例如相干公司先進的長壽命半導(dǎo)體泵源），而且它的模塊化結(jié)構(gòu)可以輕松實現(xiàn)現(xiàn)場服務(wù)，從而進一步降低運營成本。皮秒激光器更快的工藝速度也有助于降低打標成本；每個脈沖都會引起材料轉(zhuǎn)化從而直接提高標記對比度。而納秒激光器需要多個脈沖建立熱效應(yīng)。
圖 3.Rapid NX 是下一代皮秒激光器，是不銹鋼設(shè)備打標的理想之選。
而且Rapid NX 還是世界上第一款工業(yè)級皮秒激光器，完全按照經(jīng)驗證的HALT/HASS 設(shè)計、工程和質(zhì)量控制(QC) 做法打造而成。HALT 是高加速壽命測試的縮寫，在許多行業(yè)被用于識別和消除產(chǎn)品設(shè)計中的內(nèi)在缺陷。HASS是高加速應(yīng)力篩選的縮寫，用于在出廠前全面測試產(chǎn)品，并找到由于裝配、工藝等原因造成的任何缺陷。HALT/HASS 遠遠超出“振動和烘烤”的測試范疇，相干公司很榮幸成為首家投資專用現(xiàn)場 HALT/HASS 測試設(shè)備的激光器制造商（見圖 4）。
圖 4. HALT/HASS 裝置的核心是一個由計算機控制的大型測試箱，在這里可以對定制的，同步的溫度和振動極端循環(huán)序列進行編程。
整套優(yōu)化解決方案
在激光打標和其他應(yīng)用領(lǐng)域出現(xiàn)的另一個趨勢，客戶對集成度的要求越來越高。如今設(shè)備制造商不僅僅提供激光器，而且普遍會提供一個完整的激光打標系統(tǒng)，包括激光器、光束傳輸鏡片、掃描鏡片和系統(tǒng)計算機。隨著弧面的打標需求不斷增長，這一系統(tǒng)通常還包括鏡片、自動聚焦傳感器和相應(yīng)軟件。作為替代選擇，越來越多的設(shè)備制造商開始采購整套打標工作站，包括用于實現(xiàn)全自動化工藝的零件搬運和定位部件。產(chǎn)生特定打標效果的工作站及其工藝知識的需求規(guī)模雖然小但增長很快，客戶會預(yù)先確定打標產(chǎn)量并據(jù)此采購。
隨著近期收購羅芬公司，相干公司的能力全面提升，可提供各種集成度的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。例如，新的 Combiline Rapid NX 系統(tǒng)結(jié)合了行業(yè)領(lǐng)先的 Rofin Combiline 工作站平臺（已被多種應(yīng)用驗證過）和先進的 Coherent Rapid NX皮秒激光器。這是對“共求領(lǐng)先與創(chuàng)新”這一并購后企業(yè)理念的良好詮釋。
總結(jié)
不銹鋼醫(yī)療部件的打標是目前最具挑戰(zhàn)性的打標應(yīng)用之一，因為不僅對于標記的精密性有嚴格要求，同時還要求不得改變其材料的性質(zhì)（即抗腐蝕性）。隨著皮秒激光器在其它打標應(yīng)用領(lǐng)域得到充分的成功驗證，我們也準備好為醫(yī)療領(lǐng)域提供最佳的打標方案，并且不斷地提高其可靠性、易用性和性價比。
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