精密激光切割在医疗器械行业应用举例

　　激光熔切（ L a s e r F u s i o nCutting）技术使用一种惰性气体将熔融的金属从切割区域排出；此技术应用于将扁平或管状基础材料切割成形以制造医疗设备，同时可最大程度地减少后期处理。数年来，具备微秒级脉宽的灯泵浦Nd:YAG激光器被用于这些材料加工。光纤激光器更易于系统集成，运行能耗成本更低，光束质量更好，目前正逐步取代传统固体激光器的市场份额。

大多数切割医疗设备的应用中，切割厚度在0.2至1.0毫米。由于医疗设备需要切割的几何形态一般都很复杂，用于医疗设备制造的光纤激光器通常以调制脉冲状态运行。峰值功率水平必须大大超过连续波水平，从而通过更有效地去除材料以便降低余热影响，特别是在横截面更厚的情况下。

　　光纤激光器熔切技术被用于制造诸多不同的医疗产品：

　　● 外科设备（颅锥、手术刀、铣削设备、骨锯）

　　● 试剂盒（胰岛素分配器）

　　● 针头

　　● 种植体（支架、骨连接器）

　　最著名的应用是制造冠状动脉支架，这种支架可由不锈钢、钴铬钼合金或镍钛形状记忆合金等不同材料制成。在这种支架的制造方面，光纤激光器已完全取代了其它固态激光器。在一实例中，连续波调制光纤激光器使用峰值功率，能够将切割厚度可达1.0毫米的镍钛诺（镍钛50），切割质量出色，切割速度高达20毫米/秒。

　　尽管如此，激光熔切部件的原切割质量并不十分适合于直接植入人体，因此需要将切割边缘修圆磨光，并将所有熔化沉淀物去除。对于不锈钢和钴铬管型材质，可以通过超声波轻易地除去内管壁的熔渣和浮渣。但是要去除镍钛形状记忆合金制成的医疗种植体中多余的熔化沉淀物，需要相当多的手工作业，也就会耗费更多的时间，通常会造成减产。精细零部件根本无法进行机械后期处理，如外管直径小于200微米的神经元支架。

　　激光“冷”切割

　　在激光切割过程中避免产生大型熔池的唯一方法是使用一种新型光纤激光器，它可提供超短脉冲。利用小于10皮秒的脉宽，在材料加工中可以减少热影响区和热熔物产生。

　　由于（超短脉冲）单脉冲的去除率较低，只有通过100~1000千赫范围内较高的脉冲重复率来补偿，才可能达到经济适用的切割速度（1~10毫米/秒），从而实现极高程度的脉冲重叠，通常高达99.95%。在此种切割应用中无法通过快速扫描分配脉冲能量。

　　脉冲高度重叠的副作用在于热量容易累积，即使是皮秒范围内的脉冲也会导致医疗设备产生不必要的扭曲变形。为了在生产医疗微型植入物时避免扭曲变形，脉宽必须进一步减少10倍；可以通过减少短脉冲的热熔深度和提高材料去除过程的有效性，使热影响区最小化，最终实现上述要求。
使用各种激光脉宽进行的切管试验结果表明， 当脉宽低于1 皮秒时，切割速度可以加倍。这将减少对于基础材质的热输出，切割时使用500~800飞秒脉冲比使用典型的6~10皮秒激光脉冲，其结果显然更优。

　　当下一代医疗植入物最终获批用于外科植入时，对超短脉冲激光器将有更大的需求。大型医疗设备企业的开发部门正致力于研发生物可吸收材料，即这种材料在植入人体后可以分解，避免血管再次阻塞。此类聚合物材料的热门候选是聚乳酸和聚乙醇酸（PLGA）衍生物，其熔点在170~230℃之间。