飞秒激光加工在医疗器械工业中的应用

微秒（MS）光纤激光器已成功使用医学的设备应用，如Hypo管和支架切割多年。虽然精确且快速，但这种方法的下端一直是零件在切割后需要多个后处理操作，从而大大增加部分成本并增加对机械精致零件损坏的风险。

近年来，超短飞秒（fs）激光技术的发展，产生了在零件上没有热指纹的脉冲。这些基于圆盘的飞秒激光器提供了亚400-fs脉冲和出色的光束质量，以及峰值功率，使一个极高质量的冷烧蚀切割过程而不是熔体喷射过程。因此，所产生的切割需要最少的后处理，较小的梁尺寸允许加工非常精细的细节。

该工艺特别适用于医疗器械，如导管、心脏瓣膜、医用和玻璃切割和标记应用支架，以及牙科植入物陶瓷材料的三维结构。但是，最有趣的潜在用途可能是一种新型的生物可吸收材料聚合物，在吸收之前，它们安全地留在体内，在吸收之前，可以在控制的时间内保持在体内，而这种聚合物是作为传统聚合物或金属成分的替代品开发的。

在过去，FS激光被认为对于商业上可行的操作被认为太慢。最近的研究评估了每个部分的切割时间和后处理步骤，表明磁盘飞秒激光的投资回报率在许多情况下少于12个月，特别是对于高价值分量。因为FS激光器的潜力大量依赖于系统平台，杰诺皮克和宫池美国正在共同开发阶段和扫描头平台，以达到微处理所需的质量和精度水平。

飞秒基础

飞秒光脉冲是超短脉冲。一个fs等于10-15秒，作为一个校准点，一个300 fs的脉冲等于一个物理长度只有90微米的脉冲。由于没有纳秒（ns）脉冲那样的热处理，USPs有许多优点：

• 无热冲击，材料无热张力，材料特性无变化
• 没有冲击波 - 没有结构性变化
• 无微裂纹光滑加工表面
• 没有熔融作用，没有结构变化
• 没有表面损坏 - 没有返工或后处理
• 无碎屑无需清洗
• 没有喷射材料清洁表面
• 没有重复层光滑的边缘

图1说明了与诸如fs激光器等超短脉冲激光器相比，使用长脉冲激光的应用程序所受到的这些影响。

Femtosecond激光技术不是新的;它已广泛用于制度和研究中心30多年。但是，只有全天候7年的资格，可以持续在工业环境中的商业准备的FS技术。最初用于P1，P2，P3太阳能电池板的晶圆切割和划线，在电极面板上，FS激光器现在推进了新的加工能力，许多医疗设备是优秀的候选者，特别是鉴于高成本组件加工。

除了最小化后处理的ROI理由之外，FS盘激光器还可以产生以前不可能的独特功能，特别是质量问题，特别是在聚合物加工。图2显示了纳秒355-nm源和1030nm fs盘激光源处理聚丙烯的比较。盘FS孔的外观显示孔周围的锥度，没有熔化或热效应变形。这种功能使产品设计自由能够最大限度地提高到制造过程中几乎没有妥协的功能。

ROI开发考虑因素

飞秒激光对金属和塑料的边缘质量使其非常适合加工心脏、大脑和眼睛支架（镍钛合金和钴铬合金）、导管、心脏瓣膜和聚合物管。几乎是冷切割工艺意味着非常精细的特征尺寸可以切割成最薄的材料，同时仍然保持机械和材料的完整性。即使是最小直径的镍钛合金管也不需要内部水冷。

质量的提高和减少后处理的承诺一直使fs激光技术成为一种理论上的可能性，但直到大约6年前，由于担心与其他技术相比，其费用和速度较慢，其用于医疗设备的商业兴趣几乎没有。

包括jenpitk在内的公司后来开发了一个ROI工具，以说明后处理的真实成本。该工具可用于综合成本的考虑，包括激光设备采购、后处理能力、机器时间和处理时间。计算表明飞秒激光器实际上更快，因为它们可以减轻几个极其耗时的后处理步骤。

以通用冠状动脉支架为例，它是最早使用光纤激光器制造的设备之一。首先，零件必须加工，然后打磨，或用机械工具清理内部，最后去毛刺。然后，必须进行化学蚀刻处理，以清理边缘周围，然后进行清洗电解抛光步。这些步骤不仅是耗时的，而且它们也可以使部件变得脆弱并变形，可以产生微裂缝。产量往往是70％的范围，这意味着大量的最终产品损失。相比之下，FS激光器是干格式 - 在该部分中不引入水或热量。步骤数量急剧减少;该部件被加工，然后经历电化学过程以绕边缘。部分的完整性得到改善，消除了几个耗时的步骤，收益率可以更接近95％。

图3显示了用于切割镍钛烯醇支架材料的FS激光的高切削质量。FS激光器的使用防止毛刺，切削刃的轻微粗糙度为电抛光过程提供了良好的前提。在该示例中的去除率为0.25-5mm / sec，并且可以实现高达400微米的材料厚度。

FS激光器还能够从新的生物可吸收聚合物中加工医疗产品，这可以在体内安全地植入体内以进行控制，以在吸收前的长度，而不会引起伤害或不利的相互作用。先进的生物吸收剂（也称为有抽象体）提供传统聚合物或金属部件的替代方案，并且旨在满足精确的降解速率和其他规格。

这种生物可吸收材料可以加工成任何可用于支架的外形。但是，必须正确加工并且不产生热量。如果不这样做，可能会导致材料结晶，从而降低其结构，影响其寿命和以正确速率配药的能力。另外，由于生物可吸收物质溶解，它们不能像大多数塑料一样清洁，也不能用任何液体溶液接触，这也是fs激光是这种材料更好的选择的另一个原因。

生物可吸收材料已在欧盟用于冠状动脉支架，尽管它们尚未获得FDA批准，用于美国，主要由聚酯组成，主要是聚乳酸和聚（乙酸）的均聚物和共聚物，生物可吸收材料在各种用途上都显示出了广阔的应用前景，包括心脏支架，为那些可能已经多次支架并且不能再忍受传统固定支架的患者。该材料还用于将药物插入器官，以一致的速率分配药物，最终在预定时间内溶解，从而将药物送入人体器官。图4显示了一个fs激光切割生物可吸收支架的示例。

经过多年的临床试验，若干公司正在等待批准，并且已经计划新的创新，以便打击美国市场，几个人一直符合FS激光设备的使用，以实现所需的精密微加工。

飞秒激光与微机械加工

圆盘fs激光器的工业稳健性需要与等效系统相匹配，以提供医疗器械行业所需的日常可靠性。fs激光器目前无法光纤传输，因此，通过固定的反射镜定向并传输到聚焦光学元件。因此，为四轴切管机设计一个束流传输系统是一个挑战，它可以在保持对准的同时进行离轴切割。光路设计必须确保扩束器和微调衰减器等关键光学工具能够根据工艺开发的需要方便地使用。该系统设计需要全机械隔离，并且在某些情况下，环境温度稳定性，为工艺重复性提供了系统基础。

Jenoptik与Miyachi America合作开发了将飞秒激光器推向市场所需的系统集成能力。第一个开发的平台是基于宫口的西格玛切管机。

设计精度微加工系统可能看起来只能依赖于使用多少花岗岩。虽然毫无疑问，需要机械僵硬和隔离，但这些因素只是起点。确定如何重复定位或夹紧的零件和材料，实现系统内部检查，并结合实时光束诊断是难题的几个钥匙件。

光束通过反射镜通过系统，因此保持光学对准是非常重要的。但这只是第一步。确保光束轮廓和功率水平得到维持，需要使用光学诊断工具，这些工具必须是在线的和非侵入的，提供实时信息。该工具通常直接安装在激光和光束路径中最后一个转向镜之后，以使偏差与激光或光束路径隔离。在处理过程中，可以将时间和日期标记为制造数据的一部分，因此，保持连续和非侵入性，可以进行数据收集。

光明的未来

飞秒磁盘提供了独特的，一流的处理能力与出色的光束质量和高峰值功率。为了最大限度地提高生产能力，激光器必须集成到一个系统中，以实现高质量和可重复的加工。一个强大的飞秒产品已经在市场上超过8年的经验丰富的微型系统供应商与内部零件处理能力的结合，结果在一个面向开发高价值医疗产品的理想生产系统解决方案的伙伴关系。