對“醫學加工”的定義可能缺乏精確的含義，但是，除了輸液器件和骨釘外，粗加工對車間來說同樣也提供了其它的機會。生物技術就是一個示例，它仍是處于萌芽狀態的行業。在許多例子中，與最新生物醫學設備一樣特別的材料和其微米級特征對加工要求提出挑戰，銑削和鉆孔常常無法勝任。 一種已經證明有效且可反復進行的非傳統加工工藝，紫外激光加工工藝，在一些例子中成了加工某些生物醫學部件的唯一手段。 醫療OEM廠商常用這種小功率、短波長激光系統，激光合同制造工廠也用它制造復雜的生物醫學構件，J.P. Sercel Associates (JPSA)銷售經理Bill Kallgren介紹：這些激光系統還需在所謂的“典型”醫療合同設備加工車間中找到自己的位置，它們與瑞士型車床、加工中心或磨床擺放在一起。通常原因不是因為這些車間缺乏凈化或環境控制能力(潔凈室環境通常是生物醫學加工而不是紫外激光加工的要求)，而是因為金屬加工行業缺乏對這種特殊激光加工工藝的知識。金屬加工圈子里的人更熟悉用于切割厚、薄金屬板材的大功率CO2或YAG激光系統。 紫外激光加工可在各種各樣用于生物醫學設備的獨特的 熱敏材料中進行微米級的加工。英國新漢普郡Hollis的JPSA專門研究激光加工系統，其激光加工系統使用紫外激光的脈沖能量加工小尺寸材料，如玻璃、氮化硅、石英、聚合物、陶瓷和藍寶石。該公司不僅設計和制造激光系統，其研發應用部門目前已經擁有13套紫外激光系統，同時也發揮著合同制造工廠的作用。該工廠為醫療、電子和半導體領域的很多客戶提供服務。 無疑，許多有雄心的醫療合同制造工廠在尋找擴大生產能力和客戶群的途徑，紫外激光加工可能是進入醫療市場的一種手段。關注這一技術以及了解它如何在JPSA工廠應用,對于那些正在尋找替代加工方法的工廠和制造商來說是有價值的。 新設備，新挑戰 生物醫學設備通常工作在細胞水平，這意味著它們的構件孔、通道和其它零部件都是極小的。JPSA所加工的孔徑一般在1微米到數百微米之間。孔徑和相關尺寸的公差也在微米級就不奇怪了。盡管材料厚度通常不超過2mm，但孔的深徑比通常相當大。 圖示為聚合物零件中的孔徑僅2微米。加工過程產生的熱量是生物醫學材料的大敵，聚合物和特氟龍材料尤其敏感。這是這些材料不采用物理銑削加工的原因。因為這些材料容易變色、熔化和燃燒，任何加工過程都不得使這些材料產生高熱。紫外激光加工幾乎不發熱，因此，就不會損壞材料。 激光類型 紫外激光以一種稱為光剝離（photo ablation）的工藝切削材料。連續、高速重復的激光脈沖切削微? ⒖煽刂頻牟牧狹俊Ｉ倭咳諢牟牧弦緣壤胱猶逖濤淼男問秸舴⒌簟８荼患庸げ牧系牟煌庸す袒岵卸酒澹餼托枰杏行У鈉迨占拖吹酉低常緇钚蘊脊似鰲PSA使用兩類紫外激光系統，一類是受激準分子，另一類是二極管泵浦固體激光器(DPSSL)。一句話，兩種激光的區別歸結起來就是光束直徑(或激光光斑大小)不同。受激準分子激光的光斑比DPSS的大。盡管受激準分子激光相對大些的激光束直徑似乎不適合加工很小的孔和構件，但這種光斑可用掩膜改變形狀和大小，只允許通過的光對被加工件表面產生作用(用激光的術語，這種工藝叫近場成像)。掩膜的形狀是根據被加工構件而定的，一次可以加工多個構件。在鉆孔時，這種一次加工多個孔的工藝可保證各孔之間位置的精確性。JPSA用鉬制作掩膜，用于短期需要或做原型加工。批量生產時，掩膜是要長期使用的，就需要用更耐用、更昂貴的石英覆鉻的掩膜。 JPSA與美國麻省理工學院合作創造一種用于藥物治療研究的新型肝臟芯片生物反應器。 這種、聚酰亞胺器件采用受激準分子激光系統加工。每個300平方微米的平 板上有25個穿透的孔，共20平方微米，這些孔使得該器件可以模擬血流。受激準分子激光用于打盲孔是非常有效的。由于脈沖間穩定性很高，用受激準分子激光打盲孔或開鑿微米級槽，其深度和寬度的精度為±3微米(某些時候可以達到亞微米精度)。這種精確的深度控制還使得受激準分子激光可以在針的一側打孔或做橢圓形。采用深度控制方法，即使采用激光在針的一側打孔，也不會影響針的另一側。也可以用于去除選定的物質，例如，從涂層導管上去除指定部分的塑料，但不損壞塑料下面的金屬。 由于受激準分子激光的氣體組成之一是氟，而氟是有毒氣體，因而需要有效的氣體處理協議。因為安全原因，這些氣體是儲存在激光系統外良好通風的地方，受監控的氣體箱放在工廠外，JPSA的設備就是這樣的。 另一方面，DPSS激光有很高的重復率和作為其特色的低操作成本。不像受激準分子激光，DPSS激光可以把激光直徑聚焦成很? Ｐ」獍哂敫唄齔迤德?DPSS為50,000 Hz，受激準分子激光為400 Hz)結合在一起，使得DPSS激光在快速切削(切片或切割)工藝方面的效率更高。用DPSS激光加工的構件轉角半徑大小相當于光斑直徑，最小達2.5微米。在對轉角加工要求較高的應用中，通常用帶掩膜的受激準分子激光。 圓柱形氧化鋁構件上的槽是用單個鉆臺鉆出來 的，而紫外激光則對30微米寬的槽進行“車削加工”激光類型、波長和能量密度的選擇主要取決于材料、構件形狀和零件厚度。通常，較短的波長(例如一些受激準分子激光波長短到157納米)用于清除某些物質和基于特氟龍的物質時效果很好，而較長的波長更適合于陶瓷、金屬和某些聚合體。 打孔問題 毛剌幾乎是每一種制孔工藝都會遇到的問題。“毛剌”是紫外激光加工過程產生的，盡管手指甲感覺不到，但它還是會影響生物醫學設備的性能。在激光加工過程中，轉變成等離子并從表面去除掉的材料會快速冷卻成固態。如果沒有被這些激光系統的抽真空設備收集起來，這些物質會在被加工構件的四周冷凝下來。冷凝下來的物質只有幾微米高，但對于25微米直徑的孔來說是不小的。我們可以在被加工物件上加一個保護性涂層來限制這種冷凝效應。換句話說，冷凝物質可以用二次電拋光或化學處理的方式去除掉。 幾乎任何激光加工的構件都存在錐形。對于典型的激光加工工藝，錐角在4度半角到15度半角之間。0度孔可用復雜的方法加工出來，這種復雜的方法需要管理激光能量密度和連續改變光束的聚焦點(本質上就是把焦點調整到孔內)，但是這種辦法很費時，因而成本很高。 如圖所示，生產用紫外激光系統的大小相當于一個小型垂直加工中心。 必須對激光加工工藝的副產品有毒氣體進行適當的處理。精確定位 JPSA花了大量時間開發精確定位，特別是對重復性的大量工作。其目標是創造一種零件承載平臺，該零件承載平臺上放了許多零件，保證零件承載平臺一旦對齊，上面所有的零件都與機器對齊。平臺定位還可提高勞動效率。在激光加工零件時，操作人員可以為另一個零件承載平臺擺放待加工零件。在大批量生產時，JPSA用自動零件輸送裝置在零件承載平臺上擺放或取走零件。 對于許多生物醫學零件來說，零件的污染是一個大問題，承載平臺可以涂覆一層特氟龍。一些用戶竟然要求操作人員在處理零件時要戴上特殊類型的手套(例如無乳膠或無粉末手套)。對于其它客戶，這就不是大問題了，因為這些零件還要經歷一些后期處理，以便清除污染。 “與客戶的質量控制部門密切配合，保證正確的后續處理過程是很重要的。” Kallgren先生說。 做家庭作業 隨著新技術的集成，紫外激光加工系統的學習需要一定的時間。要深入了解這種加工工藝，最好的辦法是花些時間與目前正在使用這種激光加工技術的工廠聊聊，了解這種可供選擇的加工工藝的內容，從而減少學習時間。