生物医学设备将加工过程驱动到新的低点

“医疗加工”的定义可能缺乏精确精度，但广泛的刷子制造部门确实为超越植入装置和骨螺钉的生产提供机会。生物技术是一个例子 - 它是一个蓬勃发展的行业细分。然而，在许多情况下，最新的生物医学设备共同的异国材料和微米级特征在于物理铣削和钻井的加工挑战往往不能超越。一种非传统的加工过程，其已经过有效和可重复 - 并且在某些情况下唯一的机器选择生物医学零件的方法 - 是紫外（UV）激光加工。

这种低功耗，短波长激光系统通常由医疗OEM和激光合同商店使用，以产生棘手的生物医学组件。According to Bill Kallgren, sales manager for J.P. Sercel Associates (JPSA), these laser systems have yet to find a home in what might be considered a "typical" medical contract machine shop, occupying floor space alongside Swiss-type lathes, machining centers or grinding machines. Often the reason for this isn't because those shops lack the cleanliness or environmental control capability (clean room conditions are often required for biomedical processing requirements, not for UV laser machining), but rather it is because of the lack of knowledge in the metalworking community about this particular laser machining process. Those in metalworking circles are more likely to be familiar with high-power CO2 or YAG laser systems used for cutting thin or thick metal sheet.

JPSA位于新罕布什尔州的霍利斯，专门从事激光加工系统，该系统使用紫外线激光脉动ZAP，以玻璃，氮化硅，石英，聚合物，陶瓷和蓝宝石等材料的小功能。公司不仅设计和建立激光系统，而且其研发应用部门目前拥有13个UV激光系统，可作为合同店铺。该商店为医疗，电子和半导体领域供应各种客户。

毫无疑问，有进取的医疗合同商店寻找一种扩大其能力和客户群的方法，而UV激光加工可以是合并到生物医学市场的车辆。在这项技术上阐明了光线，以及如何在JPSA的商店应用，这对这些商店和其他可能考虑替代加工方法的制造商有价值。

新设备，新挑战

生物医学设备经常在蜂窝水平上起作用，这意味着它们的组件的孔，通道和其他特征可能是微量的。JPSA机器通常在1微米和几百微米之间的孔径范围。毫不奇怪地，孔径和相对特征位置公差也在微米范围内。虽然材料厚度通常不能超过2mm，但是孔宽比（孔长度与直径的比率）通常非常高。

加工过程中产生的热量是生物医学材料的敌人，尤其是那些由聚合物和特氟隆制成的材料。这就是为什么物理铣削不能切割这些材料的原因之一。因为材料容易变色、熔化和燃烧，任何加工操作都不能将大量的热量传递到零件中。UV激光加工实际上是一个无热的过程，所以材料不太可能发生损坏。

激光类型

UV激光通过称为照片消融的过程清除材料。连续，高重复激光脉冲去除微小，控制量的材料。少量烧蚀材料蒸发为血浆的羽流。取决于所处理的材料，可以产生有毒气体，这需要有效的气体收集和洗涤器系统，例如活性炭罐。

JPSA采用两种类型的紫外激光系统-准分子和二极管泵浦固体(DPSS)。简单地说，这两种激光器的区别归结为光束直径(或激光光斑大小)。准分子激光器产生的光斑比DPSS大。准分子激光相对较大的光束直径可能不适合非常小的孔和特征，但这种激光光斑大小可以用掩膜来塑造，只允许选择的光束部分影响零件表面(用激光术语来说，这个过程被称为近场成像)。掩模是根据要加工的特征来加工的，并且可以同时加工多个特征。在打孔方面，这种同时加工多个孔确保非常准确的孔对孔定位。JPSA用钼制造自己的面具，用于短期工作或原型。对于需要长时间使用的大批量工作，将使用一种更耐用，但更贵的铬在石英上的口罩。

准分子激光器在产生盲孔方面非常有效。由于具有很高的脉冲对脉冲的稳定性，准分子激光器可以产生深度和宽度精确到±3微米的盲孔或微通道(在某些情况下，亚微米精度是可能的)。例如，这种精确的深度控制也使得准分子激光只在针的一侧产生孔和椭圆形。深度控制将允许激光在一个针头侧壁上切割孔，而不会损坏对面侧壁上的金属。它还可以选择性地去除材料，比如从涂层导管中剥离一部分塑料，而不损伤下面的金属。

因为像氟这样的有毒气体是准分子激光气体配方的一部分，因此需要一个有效的气体处理协议。出于安全考虑，这些气体储存在远离激光系统的适当通风和受监控的气体柜，就像JPSA的设施一样。

另一方面，DPSS激光器提供了非常高的重复率，通常更低的运营成本。与准分子激光器不同，DPSS激光将光源聚焦到非常小的光斑尺寸。即，结合DPSS激光器以更高的脉冲频率运行（与准分子400 Hz相比50,000Hz）的事实，使DPSS激光器更加有效地通过速度快速切割（如划线或切割图案）。由DPSS激光加工的特征的拐角半径将等于激光光斑半径，这可以小至2.5微米。对于需要更清晰角的应用，通常将使用屏蔽准分子激光器。

激光类型、波长和能量密度的选择很大程度上取决于材料、特征形状和零件厚度。一般来说，较短的波长(如准分子激光可达到157纳米波长的波长)对透明材料和特氟隆基材料最有效;较长的波长更适合陶瓷、金属和某些聚合物。

议题问题

毛刺是几乎每个物理空洞过程的问题。在UV激光加工期间创建的“毛刺”可能无法用指甲感受，但仍可能影响生物医学设备的性能。在激光加工期间，将其转化为等离子体并从表面喷射的材料迅速冷却回到固体中。如果没有由这些激光系统共用的真空源收集，则该材料可以围绕被加工的特征的周边重铸。例如，重铸材料对于25微米直径的孔来说，高大的微米可能是显着的。可以将保护涂层施加到目标材料上以限制这种重铸效果。或者，可以通过二次电极抛光或化学处理除去重铸材料。

大多数由激光加工的大多数功能都存在锥度。对于典型的激光加工过程，锥角将测量4度半角至15度半角。通过使用管理激光能量密度的复杂方法可以生产零锥孔，并且连续改变光束的焦点（基本上追逐孔），但这是非常耗时的，从而产生非常昂贵的。

准确夹具

JPSA花费大量时间开发准确的夹具，特别是对于重复或大批量工作。目的是创造一个托盘部件固定装置，其保持多个部件，使得一旦固定装置对准，所有装载部件与机器对齐。托盘固定装置还允许有效地利用劳动力。虽然激光器处理部件，但操作员可以加载另一个夹具。对于非常大批量的工作，JPSA使用自动部件处理系统来加载和卸载零件托盘。

因为部分污染是具有许多生物医学零件的大问题，所以固定装置可以用Teflon涂覆。一些医疗客户迄今为止指定特定类型的手套操作员必须在处理零件时穿（例如无胶乳或无粉手套）。对于其他客户来说，这不是一个很大的问题，因为部件将经过某种类型的过程清洁清除污染物。“与客户的质量控制部门密切合作很重要，以便遵循正确的处理程序，”Kallgren先生说。

做你的家庭作业

与任何新技术的集成，有一个学习曲线与UV激光加工系统。在了解更多关于这个加工过程，最好花时间与目前使用激光的商店交谈，以找出在这个交替加工过程中涉及什么，以水平激光学习曲线。