適用于多種醫療器械應用領域的無微粒、精確激光設備 自50年前研制出激光以來，激光技術一直是科學和工業領域的中流砥柱。激光技術最初被視為是能形成更亮的光源、強化軍事裝備和改善通訊的工具，隨后逐漸被引入現代制造業——包括醫療器械制造領域——因為它提供了一種精確且清潔的切割、加工和焊接方法。 激光技術通過控制基底高能光束的輸出，熔化、燒蝕或蒸發材料，形成高質量的表面處理效果。盡管激光在醫療器械制造行業中的應用不及更傳統的加工技術，但它具有諸多切實的優勢：它們能形成比打孔更清潔的邊緣處理效果；無需使用昂貴的工具即可制成復雜的組件；具有比其它加工方法更快的速度以及能夠處理各種材料。因此，在醫療器械制造領域，激光技術很有可能能夠引領又一個50年——甚至更長時間。 激光焊接 Leister Technologies LLC（美國伊利諾斯州，Itasca；www.leisterlaser.com）是一家專業生產高功率二極管激光器系統的公司，該公司開發出的激光發生設備可形成點狀、線狀和多種定制形狀的激光。公司的激光系統具有無觸點、無振動和無應力的特點，可用來焊接塑料材料，能夠實現定域化能量應用。公司還提供多種激光傳輸方法，以滿足塑料焊接應用的需求，包括輪廓、同步、掩模和徑向技術。 Leister總經理Jerry Zybko評論說：“在塑料接合應用中，我們采用了基于二極管的激光系統，由于它是固態的，因此無需使用任何附件。換句話說，即無需采用Nd:YAG 激光技術中所需的CO2激光管或燈。”二極管激光器可提供808- 或 940-nm波長，以滿足不同反應波長的聚合物的應用要求。基于上述原因，公司將二極管激光器整合至其透射紅外光塑料激光焊接平臺中。 “我們的系統處理的塑料包括兩層：一個透明層和一個吸收層。激光穿過透明層并被下面的吸收層吸收，您可以在激光吸收的交界面產生熱量。”Zybko說道。 Leister的Novolas激光設備利用專利的掩膜技術，可用于微流體器械的制造，激光焊接除微流體通道本身外基材的所有表面。利用鍍鉻玻璃掩膜，將特定部位的鉻去除，使激光穿過，從而確定理想的焊接區域。含有注塑微流體通道的平頂組件和底部組件位于掩膜的下方，并施以鉗夾力。光線通過層疊結構，掩膜可以防止光線到達微流體通道。“因此，可用激光來密封組件，留下微流體通道。該技術適用于微流體塑料片結構，可形成各種焊接形狀，且不會產生震動或微粒積聚污染即可實現理想的接合。”Zybko說道。 據Zybko稱，激光焊接除在微流體領域發揮了突出作用外，還在導管與導管的接合操作領域取得了進展。Leister的Novolas WC-C激光機器利用一種被稱為徑向焊接的技術完成上述過程。在該技術中，諸如閥門之類的部件插入圓形拋光金屬內的塑料管中，金屬的內徑為圓錐形。當上述設備發出的激光到達塑料部件，管的輪廓周圍可實現同步焊接。“激光不會發生旋轉或移動，而呈圓環形發射，并借助衍射光學元件達到小角度。當其觸及拋光圓錐時，它可以直接垂直折射至導管與導管的接合部位。”Zybko解釋說。 激光技術在上述領域的應用變得越來越經濟，但基于激光的產品一般仍需要采用x-y設備進行精確的移動控制。此外，在使用上述設備時，操作人員必須采取激光屏蔽措施，這增加了操作的成本。 Zybko補充道，盡管如此，激光加工與其它技術相比仍具有諸多優勢。例如，它不會產生微粒、污染或閃光，且焊接完全可以在部件內部完成，防止了多余材料的噴濺。相反，當采用30 KHz超聲進行部件焊接時，其產生的震動會造成聚合物一定程度的分解并形成微粒，這些微粒必須采用真空吸出或洗出——特別是對于微流體器械。“采用激光，我們就可以利用玻璃夾住塑料。我們不會移動、轉動、震動或采用超聲上下移動材料。這樣加工后的部件十分干凈，且不會對容積產生影響。如果您需要100-pl的空間，您就可以在部件組裝和焊接完成后實現。”Zybko說。 Used for manufacturing microfluidic devices, Leister’s Novolas laser equipment relies on mask technology, in which the laser welds all the surfaces of a substrate except for the microfluidic channels themselves.激光微加工 “激光微加工適用于聚合物及采用其它技術難以進行微加工操作的材料的清潔切割、鉆孔和成型，”JPSA（新罕布什爾州，Manchester；www.jpsalaser.com）銷售經理Bill Kallgren說道。公司的紫外線技術利用光切除過程——激光器發出的紫外線引起的揮發作用——形成等離子體羽輝，去除極為精細且定量的材料。據Kallgren稱，其結果可以獲得干凈的孔、通道或零件。 公司除提供二極管泵浦固體激光器、激光微加工設備及紫外線和真空紫外線激光光束傳輸系統外，還可提供各種激光系統，包括IX-3000 ChromAblate，這是一款可實現微米級加工的紫外準分子激光系統，其公差達亞微米級。其典型的應用領域包括支架、導管、微流體設備、芯片實驗室生物傳感器、噴嘴和微電機系統。Kallgren指出，JPSA的機器可以處理各種材料，包括聚合物、陶瓷、玻璃、金屬和其它材料。 JPSA’s UV excimer laser systems can create micron-scale features with submicron tolerances.由于激光技術可以形成鮮明的輪廓、光滑的壁、透明光亮的表面及其它復雜的特性，因此它有助于許多復雜的醫療器械的生產。Kallgren評論說：“諸如微流體設計等醫療器械制造領域通常需要加工復雜的孔、錐體、通道或取樣室。這些可能是微型特征，但同時需要達到統一和穩定的大? Ｗ賢庾擠腫蛹す饃璞縛梢約庸こ齦叢憂銥芍馗吹募負渦巫礎！? 盡管目標是形成復雜的幾何形狀，但不同的應用領域需要不同的定制設備。“我們的標準系統是高級工程設備，但它們采用了模塊化的設計，因此我可以根據客戶的要求對設備進行增減，”Kallgren解釋說。例如，用于簡單加工的系統可能帶有X-Y-θ平臺，如果還需要調焦，則可能帶有z-θ平臺。從另一方面來說，客戶可能需要卷帶式平臺和視覺對準設備進行自動化的大批量生產。 在準分子激光系統中，可能需要附加的運動軸來執行自動掩膜更改功能，用以選擇不同的圖像并將其投射于目標上。協調相對運動使得系統可以掃描光束范圍內的掩膜，在有些特定的情況下可以同時掃描下面的部件。“簡單的說，系統可以只進行四軸運動，也可以進行16軸運動，具體取決于客戶的做法，”Kallgren說道。 Kallgren說道，展望未來，波長和熱學控制是需要特別注意的地方。“客戶不再切割金屬支架，他們更多的關注于新型材料，如生物可吸收材料。問題在于，很多這種材料對熱敏感。”例如，通常采用YAG、CO2或連續式激光器進行支架切割，這些技術形成熱影響區，會對新材料制成的支架造成損傷。但據Kallgren稱，普通紫外激光器盡管具有較高的光子能和帶隙，但仍非理想選擇。 Kallgren說：“我們期待脈沖寬度成為提升質量的另一種調節方式。脈沖寬度較短，則光線與材料接觸的時間更短，制造工藝較冷。”基于此目標，公司探索皮秒或飛秒激光波長的脈沖范圍的二極管泵浦固體或準分子激光器的應用。Kallgren補充說，這些技術能實現多光子吸收且在目標基材上產生的熱量較小，因此是一種清潔、高分辨率、高保真度的微加工方法。 Leister Technologies公司的Zybko稱，激光器產生的熱量尚有疑問，激光技術也可以形成較小的熱影響區，因為它可以只熔化和粘合需要的塑料。因此，如果微流體器械中的一個通道中已含有試劑或液體，則激光器產生的熱量將不會對其造成影響。