在外科、整形外科和其他醫(yī)療設備制造方面，一些傳統(tǒng)的加工技術—有些甚至有上百年的歷史—仍然有著非常重要的作用。然而，最近在激光源和控制技術方面的進展為醫(yī)療設備的精密切邊、鉆孔和熱處理打開了新的大門。當與其他加工工藝結合在一起后，設計師們在衡量產品的可制造性時可以找到一種最佳的方式。接下來將為讀者介紹新技術與舊技術是如何聯手滿足醫(yī)療設備制造的特殊需要的。

    充滿挑戰(zhàn)的歷史

    1957年，Earl Bakken與明尼蘇達大學著名的心臟外科醫(yī)生C. Walton Lillehei一起研發(fā)出使用晶體管節(jié)拍器（transistorized metronome）的便攜式心臟起搏器。這便是全球植入性醫(yī)療器械制造產業(yè)的開端。

     自此，正確的設備功能、生物相容性、可制造性和最終的成本等等問題接踵而至。如何讓植入在體內的假體發(fā)揮正常功能并且與身體組織和諧共處，這永遠是一個挑戰(zhàn)。隨著微加工技術的進步，過去幾年來在這方面的設計得到提升。選擇合適的材料也使得生物相容性問題不那么令人畏懼。

    為了生產出高度一致的可靠的能挽救生命的產品，生產工程師們承受了巨大的壓力，他們在統(tǒng)計過程控制（SPC）技術的支持下，想方設法設計出獨特的解決方案來確保整個過程都處于控制之中，并最終生產出可靠的產品。接下來就是成本問題。如果生產出來的產品是大部分需要它的人負擔不起的，那么這種產品對于我們的社會還有什么意義呢？

     對Earl Bakken來說，不幸的是在他那個年代并沒有工業(yè)激光器，而且早期的設計和生產中，傳統(tǒng)的材料和工具難以生產出需要的組件。直到二氧化碳和Nd:YAG激光器在材料加工中得到應用時，情況才開始迅速變化。20世紀90年代以前，用于金屬醫(yī)療設備開發(fā)和制造的激光器主要是兩種類型：二氧化碳和閃光燈泵浦Nd:YAG激光器。

    在20世紀90年代中期，改進的Nd:YAG激光器開始用于材料“冷”去除（燒蝕）和點焊等關鍵過程中。技術要求很高的燒蝕一般使用準分子激光技術（光斑尺寸一般為25～50微米，波長一般為0.2～0.4微米），雖然昂貴，但是極為有效。

      選擇正確的激光器

      以下將介紹如今用于醫(yī)療設備制造中的材料加工（切割、鉆孔和焊接）的四種激光器，以及如何選擇適合該種加工方式的激光器。

     重要的是要記?。杭す馄髦皇羌す庀到y(tǒng)中的一個組成部分，其作用類似于汽車的引擎。對于基于激光技術的制造醫(yī)療設備的生產體系來說。不僅要考慮激光器，還要考慮到其他的組件，例如運動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、過程傳感器和輔助組件等。

     我們首先簡要地討論以下四種激光器：CO2、脈沖Nd:YAG、Yb光纖和超短脈沖激光器，以及三種在醫(yī)療設備制造中常見的材料加工方式：切割、鉆孔和焊接。

     CO2激光器：CO2激光器是以CO2氣體作為工作物質的氣體激光器，放電管里面充以CO2氣體和其他輔助氣體（主要是氦氣和氮氣，一般還有少量的氫或氙氣）。這是有記載的最早用于制造業(yè)的激光器類型之一，最早應用于該工業(yè)的記載是1966年用于它的切割和焊接。它的波長為10.6微米附近的遠紅外波段(IR)。

    Nd:YAG激光器：這種激光起初是由一個或多個高強度氙燈來激發(fā)摻釹釔鋁石榴石晶體；后來采用激光二極管來激發(fā)。其波長是在1.06微米的近紅外波段。目前使用的Nd:YAG激光器主要是脈沖類型；CW版本很大程度上被光纖激光器取代。

    光纖激光器：向光纖中摻雜Yb(鐿)離子使之激活，使用二極管激發(fā)。雖然有其他選擇，但在材料加工的高功率應用中Yb被認為是最具成本效益的。這種激光器的波長也是在1.07微米的近紅外波段。光纖激光器按輸出激光特性分為連續(xù)光纖激光器和脈沖光纖激光器。

     超短脈沖激光器： 一般定義為固體脈沖激光器產生的脈沖寬度在皮秒（10-12秒）至飛秒（10-15秒）量級。這些激光器通常有一個基本的波長。基本頻率是在1.06微米的近紅外波段，通常可翻一倍、兩倍或三倍至可見光或紫外波長。使用更短的波長來加工有很多好處，例如當需要比基本波長能實現的尺寸更小的激光光束時。這種類型的激光器的共同特點是能產生質量非常高的激光光束，高頻率且脈沖極短，通常在kHz至MHz之間。

     從制造商的報告中可以清楚地看到，對于制造醫(yī)療設備所使用的一般材料，CO2和Yb光纖激光器這兩種類型都可以勝任切割和焊接各種薄和厚的材料的工作。超短脈沖激光器最好是用于切割和鉆孔那些要求熱影響區(qū)（HAZ）很小或者沒有的薄的材料，或者是對完成的部件進行后處理。

    同樣，雖然近期的進展使我們的目光轉向高峰值功率光纖激光器，但是脈沖Nd: YAG激光器仍然是唯一一個可以鉆高厚徑比孔的激光器。有許多研究都看好這種類型的激光器在鉆孔方面的應用。如果現在要求鉆高厚徑比孔，那么唯一的選擇就是脈沖Nd:YAG激光器。它可以實現各種切割和切邊的應用，但是速度比其他類型的激光器所能實現的速度要低。它可以應用于一些自體焊接，但是使用填充材料的焊接則超出了標準的脈沖Nd:YAG激光器的能力。

    為切割和焊接的組合來選擇激光器是一個相對容易的工作，而為鉆孔和切割的組合或者鉆孔和焊接的組合甚至是這三種的組合來選擇激光器則要困難得多。稍有不慎，整個激光系統(tǒng)則不能給出一個令人滿意的解決方案來同時滿足三種加工方式的要求。

    切割

    激光切割時，聚焦的激光束在工件的表面被吸收后可以將材料熔化。與此同時，用與激光束同軸的氣體來提供機械能量（在某些情況下是化學能量）來移除被激光熔化的材料。在很多材料上可以用激光實現“清潔切割”，并且借助于一些惰性氣體，如氮氣、氬氣或氦氣，來保證切口表面不會發(fā)生化學反應，相對來說也沒有毛刺和碎片，熱影響區(qū)（HAZ）也小。后者取決于激光參數、運動系統(tǒng)和工件的形狀。超短皮秒(ps)和飛秒(fs)脈沖激光器通常不需要這些氣體來協(xié)助，因為材料被移除的同時會被汽化和/或升華，有時被稱為“冷燒蝕”。這種低能量、短脈沖持續(xù)時間和高重復率的結合，使得工件吸收的熱量很小。最終的結果就是切割的邊緣很小，而且?guī)缀鯖]有熱影響區(qū)（HAZ）。

     鉆孔

     沖擊打孔：激光束聚焦到直徑大約等于所需的孔的直徑大小，并且聚焦到固定的材料表面，一系列的激光脈沖通過熔化材料來去除它，直到形成一個洞。一種連續(xù)鉆孔的方法被稱為飛行鉆孔（drill on-the-fly，縮寫為DoF），它是在沖擊打孔的基礎上，通過將組件以特定的速度旋轉來達到以特定的排列來鉆孔的目的。即，在特定排列的孔洞位置處施以單一的激光脈沖，然后在隨后的組件旋轉過程中，額外的激光脈沖會繼續(xù)被施加到每個孔洞的位置，直到形成所需要的孔。

     沖擊打孔和飛行鉆孔主要建立在每秒鐘數十個脈沖的高脈沖能量上。每一脈沖都會熔化并蒸發(fā)一部分材料，同時在熔體腔內形成高壓（在蒸發(fā)過程中，孔眼中的材料體積急劇膨脹，產生了很大的壓力）。這導致被去除的熔化的材料會形成融熔體。融熔體的大小取決于具體的激光參數和材料的化學組分。

     旋切打孔：激光束聚焦到比所需的孔的直徑還小的直徑大小。材料在所需的孔的中心位置被打出一個較小的初始孔，然后激光器在工件上方幾個越來越大的環(huán)形軌道中移動，將初始孔擴大，直到形成所需直徑大小的孔。

      燒蝕：用超短脈沖激光器逐步燒蝕材料直到形成孔。激光的焦點直徑一般比較小，和所需的孔徑有關。激光光束一般通過精密的光束導向技術傳遞至工件（光柵式掃描），速度相對較高，直到形成所需要的形狀，或者是圓形或螺旋狀直到形成圓形的孔。材料被逐步去除直到達到所需的深度或者是形成孔洞。這里不需要輔助氣體。這種方法的優(yōu)點是速度高，但是激光脈沖的低能量使得該方法不適用于薄的材料或者是淺層燒蝕。

     旋切打孔在質量（圓度、錐度、熱影響區(qū)）和產出量（每秒鉆孔的數量）方面都有很好的表現。使用飛行鉆孔和燒蝕的方法，鉆孔速度可以超過每秒100孔。不過，實際的速度還取決于深度、直徑和所要求的質量。一般來說，高質量的光束—毫秒級脈沖Nd:YAG激光器—在長時間地使用過程中已經證明了它在醫(yī)療設備組件制造過程中的鉆孔方面可以很好地平衡產出量和精密度。

    焊接

    激光焊接可分為兩類：

    自體激光焊接：不同的材料在沒有添加額外的材料時融合在一起。這種形式的激光焊接需要高水平的夾具，運動系統(tǒng)和接合預備的精確性也要高。在整個焊接過程中，非常關鍵的一點就是保證焊接的材料控制在所要求的焊點上。材料的任何變化都可能會導致焊縫不合要求甚至是整個焊接的失敗。

    助焊劑焊接：將材料添加到焊縫處，通常以金屬絲或粉末的形式。在添加時，結合處的裝配要求更有彈性，即便是不完美的裝配也可能得到合乎要求的焊縫。在結合處加入金屬絲或粉末為整個焊接帶來了一個額外的控制變量，我們在選擇這種方法之前需要慎重考慮。

     激光焊接經常需要使用惰性氣體來防止氧化。惰性氣體的配送取決于焊接的材料和結合處的配置，包括簡單的同軸或偏軸噴嘴，用來在特定區(qū)域產生一團惰性氣體來進入固定裝置或臨界點，這一過程是由運動系統(tǒng)控制器來控制的。

    小結

     在任何醫(yī)療設備制造的應用中，激光源的選擇現在更為容易，同時也更復雜(出現了更多的新的選擇）。生產工程師和管理層不應只依賴于過去的經驗、舊的信息和結論，至少得是五年之內的。

焊接仍然是激光在醫(yī)療設備制造中最大的應用市場之一。這些應用的范圍很廣，從心臟起搏器和蓄電池組件，到外科設備裝配和非金屬導管組件。隨著醫(yī)療設備在設計上的日新月異，激光系統(tǒng)也通過尺寸大小的減少、光束傳導的創(chuàng)新、性能的提升和靈活性的增加來緊隨前者的腳步，大大擴展了在醫(yī)療設備制造中的各種加工方法上的應用。

用一種激光系統(tǒng)來進行切割和鉆孔，往往是現在許多制造商的第一選擇，這是因為它的尺寸更小、可以定制化的設計以及完成質量的改善。這將會繼續(xù)擴大光纖激光器的應用以及促使激光器本身的價格下降。

設計師在面對挑戰(zhàn)時總是努力尋找新的解決方案，這就是促使新的應用層出不窮的重要動力。

                                                                                                                                                             作者：Mark  Barry