在過去的幾年中，我們發(fā)現(xiàn)超短脈沖（USP）激光已經(jīng)越來越多地被用于醫(yī)療器械的制造，從支架和導(dǎo)管到剝線和球囊紋理化，到處都可以見到USP激光的身影。

上述所提及的精密醫(yī)療器械，其所需的質(zhì)量和尺寸精度水平與USP激光器非常吻合，USP激光器在塑料，以及金屬和塑料組合材料的鉆孔、切割、打磨、紋理加工以及機(jī)械加工方面表現(xiàn)出色。

作為擁有自己的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室的獨(dú)立激光集成商，AmadaMiyachiAmerica公司在測(cè)試中篩選出了最適合醫(yī)療器械加工的激光器，AmadaMiyachiAmerica已經(jīng)對(duì)用于聚合物加工上的USP激光器進(jìn)行了測(cè)試，并希望分享我們的一些發(fā)現(xiàn)和成功建議。

聚合物加工的關(guān)鍵激光參數(shù)

在實(shí)驗(yàn)過程中，我們發(fā)現(xiàn)，對(duì)于醫(yī)療器械的聚合物處理而言，最重要的考慮因素是脈沖寬度，脈沖能量和頻率以及波長(zhǎng)。這些因素將很大程度上的影響最后獲得的加工成果，所以要十分注意。

脈寬

在實(shí)驗(yàn)中，我們使用了相同的脈沖寬度可調(diào)的激光器，分別對(duì)300飛秒（fs）到10皮秒（ps）的脈沖寬度進(jìn)行了測(cè)試，在我們可控范圍內(nèi)讓所有其他光束參數(shù)都盡可能相等，從而讓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更加客觀真實(shí)。圖1顯示了使用不同脈沖持續(xù)時(shí)間的加工通道的橫截面，并顯示了加工通道深度。第一排是氟化乙烯丙烯（FEP）材料，第二排是聚四氟乙烯（PTFE）。

圖 1 使用不同脈沖持續(xù)時(shí)間的加工通道的橫截面

測(cè)試表明，基于材料去除率，飛秒脈沖持續(xù)時(shí)間是最佳選擇。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)較短的飛秒脈寬始終能夠提供出色的加工質(zhì)量，因?yàn)槭褂蔑w秒加工的材料去除過程是純升華去除過程，屬于一種冷加工。由于冷加工不涉及熔化，因此不會(huì)存在頂部或底部側(cè)面出現(xiàn)毛刺的問題，并且使用飛秒激光可以更精確地控制和適應(yīng)加工尺寸。而相比飛秒激光而言較長(zhǎng)的皮秒脈沖寬度，盡管也能提供不錯(cuò)的質(zhì)量，但加工成品中出現(xiàn)了毛刺效果，這表明在實(shí)驗(yàn)過程中某些材料受熱熔化。

脈沖能量和頻率

在實(shí)驗(yàn)過程中，我們不禁自問：“究竟是使用較低頻率的較高脈沖能量比較好，還是使用較高頻率的較低脈沖能量比較好？”為了得到明確的答案，我們?cè)?0W的恒定平均功率和290飛秒的脈沖寬度下測(cè)試了三種脈沖能量水平。

圖2中顯示了三種脈沖能量/頻率組合的FEP塑料多道劃線的數(shù)據(jù)。左圖顯示了通過次數(shù)的劃線深度，右圖顯示了通過次數(shù)的劃線的體積清除率。我們發(fā)現(xiàn)，使用40mJ/500kHz的低能量/高頻率到大約0.5mm的深度時(shí)，多道劃線的深度和體積去除效果都更好。

圖 2 三種脈沖能量 / 頻率組合的 FEP塑料多道劃線的數(shù)據(jù)

當(dāng)劃痕的較窄寬度超出此0.5mm的范圍時(shí)，則可能會(huì)阻止能量到達(dá)更深的位置。使用200mJ的較高脈沖能量后，則開始能夠產(chǎn)生更寬的劃線，較寬的脈寬能讓激光能量進(jìn)入劃線的底部更深的部分，并能隨著更多的能量通過率來以線性速率繼續(xù)增加劃線深度。

除了上述發(fā)現(xiàn)以外，我們還發(fā)現(xiàn)了：使用較高的脈沖能量會(huì)增加焦點(diǎn)的加工深度，所以沿著聚焦軸的零件位置進(jìn)行公差增加是十分必要的，因?yàn)檫^程不合規(guī)格的最常見問題是：如何保持焦點(diǎn)相對(duì)于零件的位置。

波長(zhǎng)

我們的波長(zhǎng)測(cè)試考慮了兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：對(duì)于相同的光學(xué)參數(shù)設(shè)置，較長(zhǎng)的波長(zhǎng)使用了較高的平均功率和脈沖能量，較短的波長(zhǎng)則使用了較小的光斑大小。這意味著幾乎不可能建立絕對(duì)的只關(guān)于波長(zhǎng)與波長(zhǎng)之間比較的測(cè)試。

因此，我們關(guān)心的點(diǎn)在于：哪種波長(zhǎng)（紅外、綠光或紫外）才是去除率、質(zhì)量和加工范圍的最佳解決方案？于是，我們著手在三個(gè)波長(zhǎng)之間進(jìn)行了一個(gè)完完全全的最佳處理性能測(cè)試，從而給Pebax?（一種阿科瑪公司的剛性的聚酰胺嵌段和軟聚醚嵌段組成的嵌段共聚物產(chǎn)品，多用于心臟外科導(dǎo)管制造）帶來“良好”的質(zhì)量特征。

圖3 去除率與質(zhì)量之間的關(guān)系有利于綠光和紫外波長(zhǎng)

圖3顯示了我們的結(jié)果，它清楚地表明了去除率與質(zhì)量之間的關(guān)系有利于綠光和紫外波長(zhǎng)。圖中橫截面顯示的流明中的特征是紫外波長(zhǎng)的結(jié)果。我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)我們?cè)谑褂幂^高的紅外波長(zhǎng)脈沖能量/平均功率時(shí)，紅外波長(zhǎng)脈沖的能量往往會(huì)使材料過熱，而并沒有讓去除率增加。在比較之中，我們沒有發(fā)現(xiàn)綠光和紫外的在去除率方面有很大的不同，但是紫外波長(zhǎng)確實(shí)顯示出更好的特征表面光潔度和更少的碎屑。

我們最初認(rèn)為，飛秒脈沖通過有效地用光子雪崩把材料拍打成順帶，從而有效地讓所有材料的吸收同一化，這個(gè)過程而與波長(zhǎng)無關(guān)。然而在實(shí)驗(yàn)中我們發(fā)現(xiàn)，對(duì)于聚合物而言則不是這樣！

使用綠光或紫外波長(zhǎng)還可以最大程度地提高處理焦點(diǎn)深度，正如我們上文已經(jīng)提到過的那樣，這是維持生產(chǎn)過程的關(guān)鍵因素。

與飛秒激光一起加工聚合物

我們的測(cè)試表明，飛秒激光顯然是聚合物加工可選范圍內(nèi)的正確工具。為了提高表面去除速率，我們傾向于使用40-100mJ的中程脈沖能量和200-500kHz之間的較高頻率。同樣地，我們發(fā)現(xiàn)使用較短的綠光和紫外線波長(zhǎng)具有明顯的優(yōu)勢(shì)：表面去除率和表面光潔度頗高，加工窗口大。

當(dāng)然，每種應(yīng)用都是不同的，并且總是會(huì)有預(yù)算限制等因素會(huì)影響設(shè)備企業(yè)對(duì)激光器的選擇。所以，我們建議，在投入生產(chǎn)之前需要確保進(jìn)行足夠的測(cè)試，從而確保能夠針對(duì)特定過程和生產(chǎn)要求找到最佳激光光源選擇。