適用于多種醫(yī)療器械應(yīng)用領(lǐng)域的無(wú)微粒、精確激光設(shè)備 自50年前研制出激光以來(lái)，激光技術(shù)一直是科學(xué)和工業(yè)領(lǐng)域的中流砥柱。激光技術(shù)最初被視為是能形成更亮的光源、強(qiáng)化軍事裝備和改善通訊的工具，隨后逐漸被引入現(xiàn)代制造業(yè)——包括醫(yī)療器械制造領(lǐng)域——因?yàn)樗峁┝艘环N精確且清潔的切割、加工和焊接方法。 激光技術(shù)通過(guò)控制基底高能光束的輸出，熔化、燒蝕或蒸發(fā)材料，形成高質(zhì)量的表面處理效果。盡管激光在醫(yī)療器械制造行業(yè)中的應(yīng)用不及更傳統(tǒng)的加工技術(shù)，但它具有諸多切實(shí)的優(yōu)勢(shì)：它們能形成比打孔更清潔的邊緣處理效果；無(wú)需使用昂貴的工具即可制成復(fù)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(yī)療器械制造領(lǐng)域，激光技術(shù)很有可能能夠引領(lǐng)又一個(gè)50年——甚至更長(zhǎng)時(shí)間。 激光焊接 Leister Technologies LLC（美國(guó)伊利諾斯州，Itasca；www.leisterlaser.com）是一家專業(yè)生產(chǎn)高功率二極管激光器系統(tǒng)的公司，該公司開(kāi)發(fā)出的激光發(fā)生設(shè)備可形成點(diǎn)狀、線狀和多種定制形狀的激光。公司的激光系統(tǒng)具有無(wú)觸點(diǎn)、無(wú)振動(dòng)和無(wú)應(yīng)力的特點(diǎn)，可用來(lái)焊接塑料材料，能夠?qū)崿F(xiàn)定域化能量應(yīng)用。公司還提供多種激光傳輸方法，以滿足塑料焊接應(yīng)用的需求，包括輪廓、同步、掩模和徑向技術(shù)。 Leister總經(jīng)理Jerry Zybko評(píng)論說(shuō)：“在塑料接合應(yīng)用中，我們采用了基于二極管的激光系統(tǒng)，由于它是固態(tài)的，因此無(wú)需使用任何附件。換句話說(shuō)，即無(wú)需采用Nd:YAG 激光技術(shù)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(zhǎng)，以滿足不同反應(yīng)波長(zhǎng)的聚合物的應(yīng)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(tái)中。 “我們的系統(tǒng)處理的塑料包括兩層：一個(gè)透明層和一個(gè)吸收層。激光穿過(guò)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(chǎn)生熱量。”Zybko說(shuō)道。 Leister的Novolas激光設(shè)備利用專利的掩膜技術(shù)，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(guò)，從而確定理想的焊接區(qū)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(guò)層疊結(jié)構(gòu)，掩膜可以防止光線到達(dá)微流體通道。“因此，可用激光來(lái)密封組件，留下微流體通道。該技術(shù)適用于微流體塑料片結(jié)構(gòu)，可形成各種焊接形狀，且不會(huì)產(chǎn)生震動(dòng)或微粒積聚污染即可實(shí)現(xiàn)理想的接合。”Zybko說(shuō)道。 據(jù)Zybko稱，激光焊接除在微流體領(lǐng)域發(fā)揮了突出作用外，還在導(dǎo)管與導(dǎo)管的接合操作領(lǐng)域取得了進(jìn)展。Leister的Novolas WC-C激光機(jī)器利用一種被稱為徑向焊接的技術(shù)完成上述過(guò)程。在該技術(shù)中，諸如閥門(mén)之類的部件插入圓形拋光金屬內(nèi)的塑料管中，金屬的內(nèi)徑為圓錐形。當(dāng)上述設(shè)備發(fā)出的激光到達(dá)塑料部件，管的輪廓周圍可實(shí)現(xiàn)同步焊接。“激光不會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)或移動(dòng)，而呈圓環(huán)形發(fā)射，并借助衍射光學(xué)元件達(dá)到小角度。當(dāng)其觸及拋光圓錐時(shí)，它可以直接垂直折射至導(dǎo)管與導(dǎo)管的接合部位。”Zybko解釋說(shuō)。 激光技術(shù)在上述領(lǐng)域的應(yīng)用變得越來(lái)越經(jīng)濟(jì)，但基于激光的產(chǎn)品一般仍需要采用x-y設(shè)備進(jìn)行精確的移動(dòng)控制。此外，在使用上述設(shè)備時(shí)，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(bǔ)充道，盡管如此，激光加工與其它技術(shù)相比仍具有諸多優(yōu)勢(shì)。例如，它不會(huì)產(chǎn)生微粒、污染或閃光，且焊接完全可以在部件內(nèi)部完成，防止了多余材料的噴濺。相反，當(dāng)采用30 KHz超聲進(jìn)行部件焊接時(shí)，其產(chǎn)生的震動(dòng)會(huì)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(duì)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(huì)移動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、震動(dòng)或采用超聲上下移動(dòng)材料。這樣加工后的部件十分干凈，且不會(huì)對(duì)容積產(chǎn)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(shí)現(xiàn)。”Zybko說(shuō)。 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(shù)難以進(jìn)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(jīng)理Bill Kallgren說(shuō)道。公司的紫外線技術(shù)利用光切除過(guò)程——激光器發(fā)出的紫外線引起的揮發(fā)作用——形成等離子體羽輝，去除極為精細(xì)且定量的材料。據(jù)Kallgren稱，其結(jié)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(shè)備及紫外線和真空紫外線激光光束傳輸系統(tǒng)外，還可提供各種激光系統(tǒng)，包括IX-3000 ChromAblate，這是一款可實(shí)現(xiàn)微米級(jí)加工的紫外準(zhǔn)分子激光系統(tǒng)，其公差達(dá)亞微米級(jí)。其典型的應(yīng)用領(lǐng)域包括支架、導(dǎo)管、微流體設(shè)備、芯片實(shí)驗(yàn)室生物傳感器、噴嘴和微電機(jī)系統(tǒng)。Kallgren指出，JPSA的機(jī)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(shù)可以形成鮮明的輪廓、光滑的壁、透明光亮的表面及其它復(fù)雜的特性，因此它有助于許多復(fù)雜的醫(yī)療器械的生產(chǎn)。Kallgren評(píng)論說(shuō)：“諸如微流體設(shè)計(jì)等醫(yī)療器械制造領(lǐng)域通常需要加工復(fù)雜的孔、錐體、通道或取樣室。這些可能是微型特征，但同時(shí)需要達(dá)到統(tǒng)一和穩(wěn)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(fù)渦巫礎(chǔ)！? 盡管目標(biāo)是形成復(fù)雜的幾何形狀，但不同的應(yīng)用領(lǐng)域需要不同的定制設(shè)備。“我們的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)是高級(jí)工程設(shè)備，但它們采用了模塊化的設(shè)計(jì)，因此我可以根據(jù)客戶的要求對(duì)設(shè)備進(jìn)行增減，”Kallgren解釋說(shuō)。例如，用于簡(jiǎn)單加工的系統(tǒng)可能帶有X-Y-θ平臺(tái)，如果還需要調(diào)焦，則可能帶有z-θ平臺(tái)。從另一方面來(lái)說(shuō)，客戶可能需要卷帶式平臺(tái)和視覺(jué)對(duì)準(zhǔn)設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)化的大批量生產(chǎn)。 在準(zhǔn)分子激光系統(tǒng)中，可能需要附加的運(yùn)動(dòng)軸來(lái)執(zhí)行自動(dòng)掩膜更改功能，用以選擇不同的圖像并將其投射于目標(biāo)上。協(xié)調(diào)相對(duì)運(yùn)動(dòng)使得系統(tǒng)可以掃描光束范圍內(nèi)的掩膜，在有些特定的情況下可以同時(shí)掃描下面的部件。“簡(jiǎn)單的說(shuō)，系統(tǒng)可以只進(jìn)行四軸運(yùn)動(dòng)，也可以進(jìn)行16軸運(yùn)動(dòng)，具體取決于客戶的做法，”Kallgren說(shuō)道。 Kallgren說(shuō)道，展望未來(lái)，波長(zhǎng)和熱學(xué)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(guān)注于新型材料，如生物可吸收材料。問(wèn)題在于，很多這種材料對(duì)熱敏感。”例如，通常采用YAG、CO2或連續(xù)式激光器進(jìn)行支架切割，這些技術(shù)形成熱影響區(qū)，會(huì)對(duì)新材料制成的支架造成損傷。但據(jù)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(shuō)：“我們期待脈沖寬度成為提升質(zhì)量的另一種調(diào)節(jié)方式。脈沖寬度較短，則光線與材料接觸的時(shí)間更短，制造工藝較冷。”基于此目標(biāo)，公司探索皮秒或飛秒激光波長(zhǎng)的脈沖范圍的二極管泵浦固體或準(zhǔn)分子激光器的應(yīng)用。Kallgren補(bǔ)充說(shuō)，這些技術(shù)能實(shí)現(xiàn)多光子吸收且在目標(biāo)基材上產(chǎn)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(chǎn)生的熱量尚有疑問(wèn)，激光技術(shù)也可以形成較小的熱影響區(qū)，因?yàn)樗梢灾蝗刍驼澈闲枰乃芰稀Ｒ虼耍绻⒘黧w器械中的一個(gè)通道中已含有試劑或液體，則激光器產(chǎn)生的熱量將不會(huì)對(duì)其造成影響。