激光技術(shù)的最新進(jìn)步為精密機(jī)加工注入了更強(qiáng)的能力，既杜絕了熱效應(yīng)，又最大程度減少了后處理。
毫秒級(jí)（ms）光纖激光器多年來(lái)一直成功應(yīng)用于醫(yī)療設(shè)備應(yīng)用，例如注射管和支架的切割。盡管精密而快速，但這種加工方法的不利之處在于部件切割之后總是需要執(zhí)行一系列的后處理，顯著增加了部件成本，并增加了這些精巧機(jī)械部件受損的風(fēng)險(xiǎn)。
近年來(lái)，超短飛秒（fs）級(jí)激光器技術(shù)已得到引入，這種激光器所生成的激光脈沖不會(huì)在部件上留下熱效應(yīng)指紋。這些碟式飛秒激光器提供了短于400fs的激光脈沖和卓越的光束質(zhì)量，并且具備足夠的峰值功率，足以實(shí)現(xiàn)極高質(zhì)量的冷燒蝕切割工藝，無(wú)需采用熔融噴射工藝。由此執(zhí)行的切割加工只需要最少量的后處理，而且更細(xì)的光束更可以加工出非常精巧的細(xì)部。
這種工藝在生產(chǎn)醫(yī)療設(shè)備時(shí)效果特別出色，如導(dǎo)管、心瓣膜和醫(yī)用支架，并可用于玻璃切割和標(biāo)識(shí)制作應(yīng)用，還可用于牙科植入物陶瓷材料的3D結(jié)構(gòu)制造。但是，也許最有潛力的應(yīng)用在于一種新類(lèi)型的生物吸收型材料，即能夠在受控時(shí)間長(zhǎng)度內(nèi)在身體內(nèi)安全地置留并隨后吸收的聚合物材料，目前這些材料正處于開(kāi)發(fā)當(dāng)中，將用于替代傳統(tǒng)聚合物或金屬部件。
過(guò)去，飛秒級(jí)激光器一直被認(rèn)為加工速度過(guò)慢，無(wú)法執(zhí)行商業(yè)上可行的加工作業(yè)。最近的研究評(píng)估了每個(gè)部件的切割用時(shí)和后處理步驟，證明了在許多個(gè)案當(dāng)中，碟式飛秒級(jí)激光器的投資回報(bào)期少于12個(gè)月，特別當(dāng)用于加工高價(jià)值部件時(shí)。飛秒級(jí)激光器的潛力在很大程度上有賴(lài)于系統(tǒng)平臺(tái)，因此Jenoptik和MiyachiAmerica正在聯(lián)手開(kāi)發(fā)臺(tái)階平臺(tái)和掃描頭平臺(tái)，這兩種平臺(tái)設(shè)計(jì)用于達(dá)到微處理所要求的質(zhì)量和精密度水平。
圖１此圖對(duì)比了采用毫秒級(jí)激光器與飛秒級(jí)激光器的加工結(jié)果
飛秒級(jí)激光基本特點(diǎn)
飛秒級(jí)光脈沖屬于超短脈沖（USP）。1fs＝10-15s，作為校準(zhǔn)點(diǎn)，1個(gè)300fs的脈沖等于僅90μm的物理脈沖長(zhǎng)度。由于不像納秒級(jí)（ns）脈沖那樣的熱加工過(guò)程，USP具有眾多優(yōu)點(diǎn)：沒(méi)有熱沖擊、沒(méi)有沖擊波、無(wú)微裂紋、無(wú)熔融效應(yīng)、無(wú)表面損傷、無(wú)殘屑、無(wú)材料噴射、無(wú)重鑄層。
飛秒級(jí)激光器技術(shù)并非新鮮技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于科研機(jī)構(gòu)和研究中心30多年了。但是，可在商業(yè)上應(yīng)用的飛秒級(jí)激光技術(shù)，需要具備能夠在工業(yè)環(huán)境下以全天無(wú)休24/7式工作的能力，而這種技術(shù)才出現(xiàn)了只不過(guò)7年左右。飛秒級(jí)激光器最近用于晶圓切片和蝕刻P1、P2、P3級(jí)太陽(yáng)能電源板，或用于在電池板上制造供電極使用的溝槽，而如今這種激光器掀起了一波新加工能力的浪潮，有眾多醫(yī)療設(shè)備將成為這種加工方式的優(yōu)良適用者，特別是考慮到這種工藝在加工部件方面所存在高成本時(shí)。
除了能夠盡量減少后處理而帶來(lái)的投資回報(bào)合理性之外，飛秒級(jí)碟式激光器還可以形成一些獨(dú)有特色，而這些特色是之前因?yàn)橘|(zhì)量顧慮而不可能實(shí)現(xiàn)的，特別是在聚合物加工領(lǐng)域。圖2所示為納秒級(jí)355nm激光源與1030nm飛秒級(jí)激光源在加工聚丙烯時(shí)的對(duì)比。碟式飛秒級(jí)激光加工孔在外觀(guān)上呈現(xiàn)出極少的錐度，孔周?chē)耆珱](méi)有熔融和熱效應(yīng)變形現(xiàn)象。這種能力可以幫助產(chǎn)品提升在設(shè)計(jì)上的自由度，無(wú)需或極少需要在制造工藝方面做出妥協(xié)，只需盡力加強(qiáng)功能。
圖２以上對(duì)比照片顯示了采用一個(gè)355nm納秒級(jí)（NS）激光器（左）和一個(gè)1030nm飛秒級(jí)碟式激光器（右）所鉆成的孔
投資回報(bào)方面的開(kāi)發(fā)考慮
采用飛秒級(jí)激光器對(duì)金屬和塑料材料加工可以達(dá)成優(yōu)秀的邊緣質(zhì)量，使得這種激光器可以出色地應(yīng)用于心臟、大腦和眼睛支架（鎳鈦合金和鈷鉻合金兩種材質(zhì)）、導(dǎo)管、心臟瓣膜和聚合物管子。這種幾乎為冷切割的工藝意味著，可以在最輕薄的材料上切割出非常精細(xì)的外表特征尺寸，同時(shí)保持機(jī)械和材料上的完整性。即使用于加工最小直徑的鎳鈦合金管也無(wú)需管內(nèi)水冷。
質(zhì)量改進(jìn)以及減少后續(xù)加工的前景一直以來(lái)都讓飛秒級(jí)激光器技術(shù)在理論上處于可能的地位，但是直至6年前，對(duì)于其在醫(yī)療設(shè)備方面的應(yīng)用仍然基本不存在商業(yè)的興趣，因?yàn)轭檻]到與其他技術(shù)相比的費(fèi)用和緩慢加工速度。
而包括Jenoptik在內(nèi)的公司從那時(shí)起一直在開(kāi)發(fā)投資回報(bào)率計(jì)算工具，以證明后處理的真實(shí)成本。這個(gè)工具可以用于考慮綜合成本要素，包括激光設(shè)備購(gòu)買(mǎi)、后處理能力、加工用時(shí)和操作用時(shí)。這些計(jì)算證明了飛秒級(jí)激光器事實(shí)上速度更快，因?yàn)檫@種激光器可以減輕多項(xiàng)極為耗時(shí)后處理步驟的負(fù)擔(dān)。
圖3左圖所示為3個(gè)Nitinol支架，右圖所示為一個(gè)100mm厚Nitinol支架的放大圖。
邊緣表現(xiàn)出與材料表面相同的光潔度
以通用型冠狀動(dòng)脈支架為例，這種支架是頭一個(gè)采用光纖激光器制造的設(shè)備。首先，這個(gè)部件必須進(jìn)行機(jī)加工，然后使用機(jī)械工具進(jìn)行修磨，或進(jìn)行內(nèi)部清理，最終磨光毛刺。隨后，必須執(zhí)行一項(xiàng)化學(xué)蝕刻工序以清理邊緣周?chē)缓髨?zhí)行電解拋光工序。這些步驟不僅耗時(shí)長(zhǎng)久，而且還有可能造成部件易碎和變形，并能夠產(chǎn)生微裂紋。良品率處于70%的范圍內(nèi)，這意味著有相當(dāng)多份額的最終產(chǎn)品成為損失。相比之下，飛秒級(jí)激光器屬于干式加工，不向部件導(dǎo)入水或熱量。工序數(shù)量得到了極大幅度的削減，部件接受加工，隨后執(zhí)行一項(xiàng)電化學(xué)工序讓邊緣變圓。部件的完整性得到了改進(jìn)，消除了多項(xiàng)耗時(shí)長(zhǎng)的工序，良品率可以接近95%。
飛秒級(jí)激光器還能加工采用新型生物吸收型聚合物的醫(yī)療產(chǎn)品。這種聚合物可以安全植入體內(nèi)并控制時(shí)間長(zhǎng)度，隨后吸收，并且不會(huì)造成有害或不利的交互作用?？缮镂招途酆衔铮ㄒ卜Q(chēng)為Aspirants）為傳統(tǒng)聚合物或金屬部件提供了替代材料，并在設(shè)計(jì)上能夠滿(mǎn)足精密的降解速度要求和其他規(guī)格要求。
可生物吸收型材料可以加工成可用于支架的任意形狀。但是，這種材料的加工方式必須正確，且不得引入熱量。如果不能達(dá)到上述要求，就會(huì)導(dǎo)致材料內(nèi)出現(xiàn)晶化現(xiàn)象，這種現(xiàn)象會(huì)使材料的結(jié)構(gòu)降級(jí)，影響其使用期限和以正確速度緩釋藥物的能力。而且，由于可生物吸收型材料會(huì)溶解，所以無(wú)法像絕大多數(shù)塑料一樣接受清潔，而且也不能接觸任何液體溶劑，這也是飛秒級(jí)激光器技術(shù)是一種更適合這種材料的原因。
可生物吸收型材料已經(jīng)在歐盟用于冠狀動(dòng)脈支架，盡管目前還未收到美國(guó)食品藥物管理局（FDA）對(duì)其在美國(guó)使用的批準(zhǔn)。這種材料絕大多數(shù)由聚酯構(gòu)成，主要為聚乳酸和聚乙醇酸的均聚物和共聚物。此材料在各種應(yīng)用領(lǐng)域表現(xiàn)出光明的前景，包括已經(jīng)多次置入支架并因而無(wú)法耐受傳統(tǒng)固定支架治療的患者用心血管支架。這種材料目前還用于在插入器官后向身體器官輸送藥物，能以恒定的速率將藥物釋入，且材料最終在預(yù)先制定的時(shí)間內(nèi)溶解。圖4所示為一個(gè)飛秒級(jí)激光器切割可生物降解型支架的示例。
圖4這張放大圖顯示出碟式飛秒級(jí)激光器對(duì)生物吸收型支架的切割效果
經(jīng)過(guò)多年臨床試驗(yàn)，已有數(shù)家企業(yè)正在等待批準(zhǔn)，并已經(jīng)計(jì)劃在美國(guó)市場(chǎng)大力推廣這項(xiàng)創(chuàng)新材料，而且有幾家企業(yè)已經(jīng)具備了使用飛秒級(jí)激光器設(shè)備執(zhí)行所需精密微加工的資格。
飛秒級(jí)激光器和微加工
碟式飛秒級(jí)激光器的工業(yè)級(jí)強(qiáng)健性需要與同等系統(tǒng)搭配使用，達(dá)到醫(yī)療設(shè)備行業(yè)所要求的日?？煽啃?。目前，飛秒級(jí)激光還不能用光纖進(jìn)行傳導(dǎo)，因此，需要使用固定鏡面指向和傳導(dǎo)至對(duì)焦透鏡。因此，想要設(shè)計(jì)一套光束傳導(dǎo)系統(tǒng)，用于4軸式管切割器，能夠執(zhí)行偏軸切割，同時(shí)保持對(duì)中度，這種設(shè)計(jì)存在著難度。光路設(shè)計(jì)必須確保諸如光束擴(kuò)展器和精調(diào)衰減器這樣的關(guān)鍵光學(xué)工具能夠隨著工藝開(kāi)發(fā)的需要而輕松接近。此項(xiàng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求實(shí)現(xiàn)全面的機(jī)械隔離，并在某些情況下，要求環(huán)境溫度穩(wěn)定性，才能提供一套用于確保工藝可重復(fù)性的系統(tǒng)基礎(chǔ)。
Jenoptik與MiyachiAmerica合作開(kāi)發(fā)了這套系統(tǒng)，集成了將飛秒級(jí)激光器推向市場(chǎng)所必需的能力。第一套開(kāi)發(fā)成功的平臺(tái)以Miyachi的Sigma管切割器為基礎(chǔ)。
設(shè)計(jì)精密微加工系統(tǒng)可能表面看來(lái)只與使用了多少花崗石材料有關(guān)。拼成設(shè)計(jì)拼圖的其他關(guān)鍵片包括了確定如何對(duì)精細(xì)部件和材料進(jìn)行重復(fù)定位或夾裝、實(shí)施系統(tǒng)內(nèi)部件檢驗(yàn)以及集成實(shí)時(shí)光束診斷能力。
光束由反射鏡反射直接通過(guò)系統(tǒng)，所以保持光學(xué)對(duì)準(zhǔn)度有著重要意義。但這只是第一步而已。確保光束特性和功率等級(jí)得到保持要求使用光學(xué)診斷工具，而這些工具必須在線(xiàn)工作并且不會(huì)侵入通路，還要能夠提供實(shí)時(shí)信息。工具通常直接安裝在激光器之后，而光束通路上的最后一個(gè)精調(diào)鏡將為激光束或光學(xué)光束通路排除偏差。在線(xiàn)和非侵入式的方式能夠?qū)崿F(xiàn)加工過(guò)程中數(shù)據(jù)采集，并可以做出時(shí)間和日期戳記，形成制造數(shù)據(jù)的組成部分。
光明的未來(lái)
飛秒級(jí)碟式激光器提供了同類(lèi)當(dāng)中獨(dú)特的加工能力，光束質(zhì)量?jī)?yōu)異，峰值功率高。為了最大提升生產(chǎn)加工能力，這種激光器必須集成到一套能夠?qū)崿F(xiàn)高品質(zhì)和可重復(fù)加工的系統(tǒng)當(dāng)中。這樣一套已經(jīng)上市多年的基礎(chǔ)堅(jiān)實(shí)的飛秒級(jí)激光器產(chǎn)品，與具備內(nèi)部部件加工能力的經(jīng)驗(yàn)豐富的微系統(tǒng)提供商相結(jié)合，就形成了一種配合緊密的合作伙伴，將為高價(jià)值醫(yī)療產(chǎn)品開(kāi)發(fā)出理想的生產(chǎn)系統(tǒng)解決方案。
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