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紫外激光使加工尺寸更小

紫外激光使加工尺寸更小 2011： 对“医学加工”的定义可能缺乏精确的含义，但是，除了输液器件和骨钉外，粗加工对车间来说同样也提供了其它的机会。生物技术就是一个示例，它仍是处于萌芽状态的行业。在许多例子中，与最新生物医学设备一样特别的材料和其微米级特征对加工要求提出挑战，铣削和钻孔常常无法胜任。 一种已经证明有效且可反复进行的非传统加工工艺，紫外激光加工工艺，在一些例子中成了加工某些生物医学部件的唯一手段。 医疗OEM厂商常用这种小功率、短波长激光系统，激光合同制造工厂也用它制造复杂的生物医学构件，J.P. Sercel Associates (JPSA)销售经理Bill Kallgren介绍：这些激光系统还需在所谓的“典型”医疗合同设备加工车间中找到自己的位置，它们与瑞士型车床、加工中心或磨床摆放在一起。通常原因不是因为这些车间缺乏净化或环境控制能力(洁净室环境通常是生物医学加工而不是紫外激光加工的要求)，而是因为金属加工行业缺乏对这种特殊激光加工工艺的知识。金属加工圈子里的人更熟悉用于切割厚、薄金属板材的大功率CO2或YAG激光系统。

紫外激光加工可在各种各样用于生物医学设备的独特的热敏材料中进行微米级的加工。

英国新汉普郡Hollis的JPSA专门研究激光加工系统，其激光加工系统使用紫外激光的脉冲能量加工小尺寸材料，如玻璃、氮化硅、石英、聚合物、陶瓷和蓝宝石。该公司不仅设计和制造激光系统，其研发应用部门目前已经拥有13套紫外激光系统，同时也发挥着合同制造工厂的作用。该工厂为医疗、电子和半导体领域的很多客户提供服务。 无疑，许多有雄心的医疗合同制造工厂在寻找扩大生产能力和客户群的途径，紫外激光加工可能是进入医疗市场的一种手段。关注这一技术以及了解它如何在JPSA工厂应用,对于那些正在寻找替代加工方法的工厂和制造商来说是有价值的。新设备，新挑战 生物医学设备通常工作在细胞水平，这意味着它们的构件孔、通道和其它零部件都是极小的。JPSA所加工的孔径一般在1微米到数百微米之间。孔径和相关尺寸的公差也在微米级就不奇怪了。尽管材料厚度通常不超过2mm，但孔的深径比通常相当大。

图示为聚合物零件中的孔径仅2微米。

加工过程产生的热量是生物医学材料的大敌，聚合物和特氟龙材料尤其敏感。这是这些材料不采用物理铣削加工的原因。因为这些材料容易变色、熔化和燃烧，任何加工过程都不得使这些材料产生高热。紫外激光加工几乎不发热，因此，就不会损坏材料。 激光类型 紫外激光以一种称为光剥离（photo ablation）的工艺切削材料。连续、高速重复的激光脉冲切削微小、可控制的材料量。少量融化的材料以等离子体烟雾的形式蒸发掉。根据被加工材料的不同，加工过程会产生有毒气体，这就需要进行有效的气体收集和洗涤系统，例如活性碳过滤器。

JPSA使用两类紫外激光系统，一类是受激准分子，另一类是二极管泵浦固体激光器(DPSSL)。一句话，两种激光的区别归结起来就是光束直径(或激光光斑大小)不同。受激准分子激光的光斑比DPSS的大。尽管受激准分子激光相对大些的激光束直径似乎不适合加工很小的孔和构件，但这种光斑可用掩膜改变形状和大小，只允许通过的光对被加工件表面产生作用(用激光的术语，这种工艺叫近场成像)。掩膜的形状是根据被加工构件而定的，一次可以加工多个构件。在钻孔时，这种一次加工多个孔的工艺可保证各孔之间位置的精确性。JPSA用钼制作掩膜，用于短期需要或做原型加工。批量生产时，掩膜是要长期使用的，就需要用更耐用、更昂贵的石英覆铬的掩膜。

JPSA与美国麻省理工学院合作创造一种用于药物治疗研究的新型肝脏芯片生物反应器。这种、聚酰亚胺器件采用受激准分子激光系统加工。每个300平方微米的平板上有25个穿透的孔，共20平方微米，这些孔使得该器件可以模拟血流。

受激准分子激光用于打盲孔是非常有效的。由于脉冲间稳定性很高，用受激准分子激光打盲孔或开凿微米级槽，其深度和宽度的精度为±3微米(某些时候可以达到亚微米精度)。这种精确的深度控制还使得受激准分子激光可以在针的一侧打孔或做椭圆形。采用深度控制方法，即使采用激光在针的一侧打孔，也不会影响针的另一侧。也可以用于去除选定的物质，例如，从涂层导管上去除指定部分的塑料，但不损坏塑料下面的金属。 由于受激准分子激光的气体组成之一是氟，而氟是有毒气体，因而需要有效的气体处理协议。因为安全原因，这些气体是储存在激光系统外良好通风的地方，受监控的气体箱放在工厂外，JPSA的设备就是这样的。 另一方面，DPSS激光有很高的重复率和作为其特色的低操作成本。不像受激准分子激光，DPSS激光可以把激光直径聚焦成很小。小光斑与高脉冲频率(DPSS为50,000 Hz，受激准分子激光为400 Hz)结合在一起，使得DPSS激光在快速切削(切片或切割)工艺方面的效率更高。用DPSS激光加工的构件转角半径大小相当于光斑直径，最小达2.5微米。在对转角加工要求较高的应用中，通常用带掩膜的受激准分子激光。

圆柱形氧化铝构件上的槽是用单个钻台钻出来的，而紫外激光则对30微米宽的槽进行“车削加工”

激光类型、波长和能量密度的选择主要取决于材料、构件形状和零件厚度。通常，较短的波长(例如一些受激准分子激光波长短到157纳米)用于清除某些物质和基于特氟龙的物质时效果很好，而较长的波长更适合于陶瓷、金属和某些聚合体。 打孔问题 毛剌几乎是每一种制孔工艺都会遇到的问题。“毛剌”是紫外激光加工过程产生的，尽管手指甲感觉不到，但它还是会影响生物医学设备的性能。在激光加工过程中，转变成等离子并从表面去除掉的材料会快速冷却成固态。如果没有被这些激光系统的抽真空设备收集起来，这些物质会在被加工构件的四周冷凝下来。冷凝下来的物质只有几微米高，但对于25微米直径的孔来说是不小的。我们可以在被加工物件上加一个保护性涂层来限制这种冷凝效应。换句话说，冷凝物质可以用二次电抛光或化学处理的方式去除掉。 几乎任何激光加工的构件都存在锥形。对于典型的激光加工工艺，锥角在4度半角到15度半角之间。0度孔可用复杂的方法加工出来，这种复杂的方法需要管理激光能量密度和连续改变光束的聚焦点(本质上就是把焦点调整到孔内)，但是这种办法很费时，因而成本很高。

如图所示，生产用紫外激光系统的大小相当于一个小型垂直加工中心。必须对激光加工工艺的副产品有毒气体进行适当的处理。

精确定位 JPSA花了大量时间开发精确定位，特别是对重复性的大量工作。其目标是创造一种零件承载平台，该零件承载平台上放了许多零件，保证零件承载平台一旦对齐，上面所有的零件都与机器对齐。平台定位还可提高劳动效率。在激光加工零件时，操作人员可以为另一个零件承载平台摆放待加工零件。在大批量生产时，JPSA用自动零件输送装置在零件承载平台上摆放或取走零件。 对于许多生物医学零件来说，零件的污染是一个大问题，承载平台可以涂覆一层特氟龙。一些用户竟然要求操作人员在处理零件时要戴上特殊类型的手套(例如无乳胶或无粉末手套)。对于其它客户，这就不是大问题了，因为这些零件还要经历一些后期处理，以便清除污染。 “与客户的质量控制部门密切配合，保证正确的后续处理过程是很重要的。” Kallgren先生说。 做家庭作业 随着新技术的集成，紫外激光加工系统的学习需要一定的时间。要深入了解这种加工工艺，最好的办法是花些时间与目前正在使用这种激光加工技术的工厂聊聊，了解这种可供选择的加工工艺的内容，从而减少学习时间。(end)

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