對(duì)“醫(yī)學(xué)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(duì)車間來說同樣也提供了其它的機(jī)會(huì)。生物技術(shù)就是一個(gè)示例，它仍是處于萌芽狀態(tài)的行業(yè)。在許多例子中，與最新生物醫(yī)學(xué)設(shè)備一樣特別的材料和其微米級(jí)特征對(duì)加工要求提出挑戰(zhàn)，銑削和鉆孔常常無法勝任。 一種已經(jīng)證明有效且可反復(fù)進(jìn)行的非傳統(tǒng)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(yī)學(xué)部件的唯一手段。 醫(yī)療OEM廠商常用這種小功率、短波長激光系統(tǒng)，激光合同制造工廠也用它制造復(fù)雜的生物醫(yī)學(xué)構(gòu)件，J.P. Sercel Associates (JPSA)銷售經(jīng)理Bill Kallgren介紹：這些激光系統(tǒng)還需在所謂的“典型”醫(yī)療合同設(shè)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?yàn)檫@些車間缺乏凈化或環(huán)境控制能力(潔凈室環(huán)境通常是生物醫(yī)學(xué)加工而不是紫外激光加工的要求)，而是因?yàn)榻饘偌庸ば袠I(yè)缺乏對(duì)這種特殊激光加工工藝的知識(shí)。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(tǒng)。 紫外激光加工可在各種各樣用于生物醫(yī)學(xué)設(shè)備的獨(dú)特的 熱敏材料中進(jìn)行微米級(jí)的加工。英國新漢普郡Hollis的JPSA專門研究激光加工系統(tǒng)，其激光加工系統(tǒng)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(lán)寶石。該公司不僅設(shè)計(jì)和制造激光系統(tǒng)，其研發(fā)應(yīng)用部門目前已經(jīng)擁有13套紫外激光系統(tǒng)，同時(shí)也發(fā)揮著合同制造工廠的作用。該工廠為醫(yī)療、電子和半導(dǎo)體領(lǐng)域的很多客戶提供服務(wù)。 無疑，許多有雄心的醫(yī)療合同制造工廠在尋找擴(kuò)大生產(chǎn)能力和客戶群的途徑，紫外激光加工可能是進(jìn)入醫(yī)療市場的一種手段。關(guān)注這一技術(shù)以及了解它如何在JPSA工廠應(yīng)用,對(duì)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(jià)值的。 新設(shè)備，新挑戰(zhàn) 生物醫(yī)學(xué)設(shè)備通常工作在細(xì)胞水平，這意味著它們的構(gòu)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(shù)百微米之間。孔徑和相關(guān)尺寸的公差也在微米級(jí)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(dāng)大。 圖示為聚合物零件中的孔徑僅2微米。加工過程產(chǎn)生的熱量是生物醫(yī)學(xué)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?yàn)檫@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(chǎn)生高熱。紫外激光加工幾乎不發(fā)熱，因此，就不會(huì)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(xù)、高速重復(fù)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(yùn)脊似鰲PSA使用兩類紫外激光系統(tǒng)，一類是受激準(zhǔn)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(qū)別歸結(jié)起來就是光束直徑(或激光光斑大小)不同。受激準(zhǔn)分子激光的光斑比DPSS的大。盡管受激準(zhǔn)分子激光相對(duì)大些的激光束直徑似乎不適合加工很小的孔和構(gòu)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(duì)被加工件表面產(chǎn)生作用(用激光的術(shù)語，這種工藝叫近場成像)。掩膜的形狀是根據(jù)被加工構(gòu)件而定的，一次可以加工多個(gè)構(gòu)件。在鉆孔時(shí)，這種一次加工多個(gè)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(chǎn)時(shí)，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(xué)院合作創(chuàng)造一種用于藥物治療研究的新型肝臟芯片生物反應(yīng)器。 這種、聚酰亞胺器件采用受激準(zhǔn)分子激光系統(tǒng)加工。每個(gè)300平方微米的平 板上有25個(gè)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(zhǔn)分子激光用于打盲孔是非常有效的。由于脈沖間穩(wěn)定性很高，用受激準(zhǔn)分子激光打盲孔或開鑿微米級(jí)槽，其深度和寬度的精度為±3微米(某些時(shí)候可以達(dá)到亞微米精度)。這種精確的深度控制還使得受激準(zhǔn)分子激光可以在針的一側(cè)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(cè)打孔，也不會(huì)影響針的另一側(cè)。也可以用于去除選定的物質(zhì)，例如，從涂層導(dǎo)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(zhǔn)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(xié)議。因?yàn)榘踩颍@些氣體是儲(chǔ)存在激光系統(tǒng)外良好通風(fēng)的地方，受監(jiān)控的氣體箱放在工廠外，JPSA的設(shè)備就是這樣的。 另一方面，DPSS激光有很高的重復(fù)率和作為其特色的低操作成本。不像受激準(zhǔn)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(zhǔn)分子激光為400 Hz)結(jié)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(gòu)件轉(zhuǎn)角半徑大小相當(dāng)于光斑直徑，最小達(dá)2.5微米。在對(duì)轉(zhuǎn)角加工要求較高的應(yīng)用中，通常用帶掩膜的受激準(zhǔn)分子激光。 圓柱形氧化鋁構(gòu)件上的槽是用單個(gè)鉆臺(tái)鉆出來 的，而紫外激光則對(duì)30微米寬的槽進(jìn)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(gòu)件形狀和零件厚度。通常，較短的波長(例如一些受激準(zhǔn)分子激光波長短到157納米)用于清除某些物質(zhì)和基于特氟龍的物質(zhì)時(shí)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(huì)遇到的問題。“毛剌”是紫外激光加工過程產(chǎn)生的，盡管手指甲感覺不到，但它還是會(huì)影響生物醫(yī)學(xué)設(shè)備的性能。在激光加工過程中，轉(zhuǎn)變成等離子并從表面去除掉的材料會(huì)快速冷卻成固態(tài)。如果沒有被這些激光系統(tǒng)的抽真空設(shè)備收集起來，這些物質(zhì)會(huì)在被加工構(gòu)件的四周冷凝下來。冷凝下來的物質(zhì)只有幾微米高，但對(duì)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(gè)保護(hù)性涂層來限制這種冷凝效應(yīng)。換句話說，冷凝物質(zhì)可以用二次電拋光或化學(xué)處理的方式去除掉。 幾乎任何激光加工的構(gòu)件都存在錐形。對(duì)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(fù)雜的方法加工出來，這種復(fù)雜的方法需要管理激光能量密度和連續(xù)改變光束的聚焦點(diǎn)(本質(zhì)上就是把焦點(diǎn)調(diào)整到孔內(nèi))，但是這種辦法很費(fèi)時(shí)，因而成本很高。 如圖所示，生產(chǎn)用紫外激光系統(tǒng)的大小相當(dāng)于一個(gè)小型垂直加工中心。 必須對(duì)激光加工工藝的副產(chǎn)品有毒氣體進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚怼＞_定位 JPSA花了大量時(shí)間開發(fā)精確定位，特別是對(duì)重復(fù)性的大量工作。其目標(biāo)是創(chuàng)造一種零件承載平臺(tái)，該零件承載平臺(tái)上放了許多零件，保證零件承載平臺(tái)一旦對(duì)齊，上面所有的零件都與機(jī)器對(duì)齊。平臺(tái)定位還可提高勞動(dòng)效率。在激光加工零件時(shí)，操作人員可以為另一個(gè)零件承載平臺(tái)擺放待加工零件。在大批量生產(chǎn)時(shí)，JPSA用自動(dòng)零件輸送裝置在零件承載平臺(tái)上擺放或取走零件。 對(duì)于許多生物醫(yī)學(xué)零件來說，零件的污染是一個(gè)大問題，承載平臺(tái)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(shí)要戴上特殊類型的手套(例如無乳膠或無粉末手套)。對(duì)于其它客戶，這就不是大問題了，因?yàn)檫@些零件還要經(jīng)歷一些后期處理，以便清除污染。 “與客戶的質(zhì)量控制部門密切配合，保證正確的后續(xù)處理過程是很重要的。” Kallgren先生說。 做家庭作業(yè) 隨著新技術(shù)的集成，紫外激光加工系統(tǒng)的學(xué)習(xí)需要一定的時(shí)間。要深入了解這種加工工藝，最好的辦法是花些時(shí)間與目前正在使用這種激光加工技術(shù)的工廠聊聊，了解這種可供選擇的加工工藝的內(nèi)容，從而減少學(xué)習(xí)時(shí)間。