激光以多种方式生产医疗部件，包括连接、标记、切割和增材制造
来自 Innovative Laser Technologies 的自动皮秒管钻孔系统。激光 — 嗯-由于更快的脉冲速度和更低的成本、新的应用以及激光加工与瑞士式加工的结合，医疗器械制造领域的成熟工具正在通过生产更小、更精确和功能更强大的零件不断取得突破。
随着越来越多的塑料被用于医疗设备，激光不仅用于加工透明材料，还用于连接塑料和金属。对质量保证的需求导致激光过程监控发展到可以处理越来越小的零件和焊缝。
无论是生产聚合物导管和其他管材，金属医疗 t工具或植入式设备，激光加工执行其他制造方法无法实现或效率低下的功能。
定制系统提高标准
定制激光系统专家Innovative Laser Technologies (ILT) 于 6 月被光纤激光巨头 IPG Photonics Corp.（马萨诸塞州牛津市）收购，于 1998 年在明尼阿波利斯开业，美敦力是其第一个客户。从那以后，它已经成长为生产各种独特的微加工系统。
ILT 生产“标准激光系统、定制设计、定制工具、定制软件和应用程序，并结合对医疗设备行业很重要的过程控制， ”销售经理 Jim Jacklen 说。 ILT 在制造导管和其他导丝组件以及起搏器和除颤器等气密植入式设备的系统方面拥有丰富的经验。 ILT 系统还使用 IPG 光纤激光器加工镍钛诺、钛、不锈钢和其他金属
在其功能中，ILT 的机器可以在 0.003 英寸（0.076 毫米）到 0.020 英寸（0.508 毫米）的聚合物中创建特征。 “在某些情况下，我们只是 [切割] 一层聚合物。在某些情况下，孔必须穿过聚合物外层，然后是将组件固定在一起的金属编织层中间层，然后是另一个内部聚合物层。”
ILT 机器还可以在下面创建特征0.003″，包括玻璃上的开口。 “在某些情况下，放置在零件上的某些特征所需的精度在 5 µm 以下。”
组件更小的趋势很明显，并且正在塑造高精度激光系统的新领域。 “我们正在转向更多基于花岗岩的平台和空气轴承平台，在这些平台上，运动系统的精度可以降低到一微米或一微米以下，”他说。随着运动和光束传输设备的运行，“有一些我每个系统元素都存在误差。”
如果光束路径较长，“光束有时会稍微偏移。它很微小，但如果光束路径足够长并且光束路径中有足够的元件，就会导致零件不准确。”所有误差都必须包含在总体误差预算中。
ILT 的部分功能是通过重复测试光束位置并将新数据输入系统来对运动系统和振镜扫描仪进行二次校准。在某些情况下，环境必须控制在 ±1 华氏度以最大限度地减少热效应。
添加剂的进步
提供定制和功能为了生产复杂的零件，基于激光的增材制造作为一项技术不断成熟，更新的多光束系统生产针对患者的植入物。
例如，Trumpf Inc.（康涅狄格州法明顿）展示了多光束版本的其紧凑型 TruPrint 1000 3D 打印机在今年’s 国际牙科展在科隆和 6 月在慕尼黑的激光世界光子学展上再次亮相。使用一对 200 瓦的激光器，这种粉末床系统可以在大约一半的时间内多生产多达 80% 的零件。该系统生产的零件直径最大为 100 毫米，高度最大为 100 毫米。
超快革命
快速而精确，皮秒和飞秒级超短脉冲激光器在医疗设备制造中变得不可或缺。
Amada Miyachi America（加利福尼亚州蒙罗维亚）的先进技术。 “我们正在做很多其他激光或技术难以做到的塑料和塑料-金属组合，”包括导管应用、钻孔和材料去除。
Tsugami S206 与 Tsugami Automation 400LS 激光Cutting System 和 Tr-Mist，将六轴瑞士加工与激光切割结合在一台机器上金属管和支架的飞秒切割是另一个增长领域，他指出。“光纤激光技术可以在底部边缘去除毛刺必须通过后处理去除的切口。使用飞秒激光，您不会得到毛刺；对于精密零件，这是一个真正的好处。如果您的管子壁厚较大，去毛刺相对简单。但是，对于壁厚小于 0.01″ (250 µm) 的管子，这是有问题的，因为零件可能会损坏，或者零件尺寸会受到影响。使用飞秒激光时，所有这些后处理难题都会消失，只需要清洁零件使用超声波浴。”
超快激光器的价格越来越低，有些价格在 100,000 美元左右。高端合同制造商 PhotoMachining（新罕布什尔州佩勒姆）的创始人 Ron Schaeffer 说，事实上，6 月的激光光子学世界的展览空间充斥着超快系统。
“即使你问我三个几年前，这些激光器的状态如何，我会说发展迅速，主要是关于更高的功率和每美元产生的光子数量，”他说。 “这些激光器的技术正变得相当成熟，因此人们不是根据这种激光器的某些新奇的功能来购买，而是根据规格表和交付价格进行购买。”
虽然他的许多医疗客户对纳秒级处理的质量感到满意，但由于它们变得更具成本效益，一些人正在转向质量更好的 pico 和 femto。
选择性激光蚀刻
小说一超快激光器的应用是德国公司 LightFab 的选择性激光蚀刻 (SLE)。它特别适用于生产用于体液诊断测试的微流体装置。该技术由位于德国亚琛的弗劳恩霍夫激光技术研究所 (ILT) 开发。 LightFab 正在将该工艺商业化，在美国的代表是 PhotoMachining。
SLE 使用飞秒激光来曝光透明材料，例如玻璃。 “激光击中工件的每个地方，都会改变内部分子结构，”Schaeffer 解释道。 “然后你把它放在一大桶酸或一些腐蚀性物质中。”激光接触的材料溶解。 “它本质上是反向 3D 打印。”
传统上，微流体设备是通过将两块材料构造成彼此的镜像，然后将它们夹在一起以在材料内创建流动模式来制造的。系统性红斑狼疮Schaeffer 说：“允许您在大部分材料内部进行所有激光加工，因此不存在对准问题。”
激光接触的材料区域在进行碱浴处理时， “蚀刻速度比未曝光区域快 1000 到 10,000 倍，”他解释道。制造第一件通常需要多次迭代，但后续部件的可重复性很高。
通过 SLE 生产的“芯片实验室”设备向临床医生指示癌症或有害细菌的存在，甚至是糖尿病或高血压
作为开发 SLE 的一部分，LightFab 还创建了专门的光束扫描硬件。 Schaeffer 说，美国有一个这样的系统，在大约两打潜在客户的询问后，初步协议和测试正在进行中。
用于钝化电阻的激光打标
因为不锈钢钢制医疗工具在高压灭菌器中经过严格的反复灭菌，赋予它们身份Amada 的 Shannon 说，符合 FDA 规定并在超高温下抗腐蚀的标记需要只有激光才能实现。
医疗器械领域，”他解释道。 “你对零件进行激光标记，然后对它们进行钝化处理，去除表面的铁颗粒，使它们不会生锈。但是这样做，您最终会去除激光标记。我们已经提出了一些策略来避免这种情况。”
医疗工具中使用的不锈钢范围，包括 304、316、17-4 和 17-7，需要各种激光源，如纳秒光纤或紫外线和皮秒红外线——以及对其热输入参数的理解。 “不存在适用于每个零件和标记的通用标记解决方案，”Shannon 在 2016 年的一篇文章中写道。为工作选择合适的激光器意味着要考虑考虑使用的材料、所需的表面光洁度以及制作标记的速度。
激光加入传统加工
GF Machining Solutions、Marubeni Citizen-Cincom 和 Tsugami/Rem 等公司，以瑞士机械加工和其他微制造方法而闻名，已开始将激光添加到他们的产品组合中。
例如，Tsugami/Rem Sales LLC（康涅狄格州温莎）在 2014 年推出了 S206 LaserSwiss，作为一种- 用于生产小型管状医疗部件的系统设置。该系统用于“更极端的微型组件和复杂的零件几何形状，”中西部地区销售经理 Stefan Brusky 说。
随着手术侵入性越来越小，零件越来越小，“我们几乎完全专注于集成飞秒激光，”GF Machining Solutions（伊利诺伊州林肯郡）Microlution 生产线销售和业务开发总监 Onik Bhattacharyya 说。超快激光可产生医学上理想的表面质量和无毛刺边缘无需对工具和植入式设备进行后处理。 Microlution 机器精确到 ±1 µm，具有亚微米可重复性，他说。光束控制设备控制零件特征（如孔或槽）侧壁的锥度。
Bhattacharyya 将 Microlution 系统与电火花线切割机进行比较，他说，虽然这两种工艺都可以生产无毛刺零件，但激光微加工可提供更高的质量和更快的循环时间。虽然电火花线切割让制造商可以堆叠零件，但激光微加工对于通常为圆柱形或圆形的一次性医疗零件来说是更好的选择。一个需要电火花线切割 30 秒才能钻出的孔可以在 5 秒内用激光打孔。
Microlution 的最新成功是生产测量设备、小型手术设备上的末端执行器和用于烧灼心脏的消融导管尖端触发心律失常的细胞。导管需要加工的孔小于人类头发的直径，以调节冲洗盐水溶液通过导管以冷却手术区域。
在 Marubeni Citizen-Cincom Inc.（新泽西州艾伦代尔），“我们将其中一个站点用作铣床螺丝机并安装激光头，”西部地区销售经理 Glen Crews 说。在一个过程中生产零件而不是先冲裁零件然后转移到激光切割机可以消除吞吐量低效和定位错误。 MCC 的激光系统 L2000 使用 400-W IPG 光纤激光器和 10-µm 传输光纤。使用可选的准连续波光学头，可以实现“近乎无限”的几何形状和低至 20 µm 的切口宽度。该系统能够在 92 秒内切割出一个 72 菱形图案的支架，或在 6.04 秒内切割出一个骨刀。
增长领域
激光制造的三个关键领域，相当不错-立足于一般工业制造业，正在医疗领域发生显着变化：
– 焊接：Amada 的 Shannon 表示，随着用于医疗应用的导管和管道的直径不断减小，焊缝尺寸降至约 100 μm 甚至更小，而几年前为 300 或 400 μm。不断扩大的范围可用的激光器“使我们能够进入以前无法焊接的区域，光纤激光器的光斑尺寸要小得多，”Shannon 说。 “对于某些类型的焊接，纳秒光纤激光器可以说是一种更具成本效益的解决方案，因此也打开了更多的大门。”
-塑料：虽然不是新工艺，但塑料焊接已经“由于各种原因导致医疗牵引缓慢”——部分原因是许多部件都是为粘合剂而设计的。 Shannon 预测透明材料的激光加工“在几年内”将稳步上升，这要归功于各种波长激光器的可用性提高，再加上设计工程师正在经历的学习曲线。在目前，使用铥光纤激光器进行透明焊接的理想波长是 1.5–2 µm，他说。
Amada 在连接塑料和金属部件方面取得了成功。该公司还专注于涉及钻孔和材料去除的导管操作。
在 ILT，“我们开始看到越来越多的客户加工聚合物，并转变为微加工，”Jacklen 回忆道。 “客户有软材料——导管类产品——他们需要在其中钻孔或移除材料，或在其中开槽以暴露其他基材。这就是我们进入其他一些激光波长——绿色、紫外线——和超快皮秒和飞秒激光器，以及用于将光束定位在零件上并生成小特征的振镜扫描控制的地方。 IPG 参与了所有这些制度。”
–过程监控：100 µm 直径焊缝的质量保证可能具有挑战性。 “你得到一个非常小的信号并且丢失了很多信号——尤其是在焊接开始时，”Shannon 说。他说，对于可能低于 4 毫秒的较小医疗焊接，不存在现成的过程监控解决方案。
小规模过程监控“确实是目前的圣杯所在.这是我们正在努力的事情；它不一定准备好迎接黄金时段，”Shannon 说。
