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激光技术为制造商带来光明的前景
Bob Michaels

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适用于多种医疗器械应用领域的无微粒、精确激光设备自50年前研制出激光以来，激光技术一直是科学和工业领域的中流砥柱。激光技术最初被视为是能形成更亮的光源、强化军事装备和改善通讯的工具，随后逐渐被引入现代制造业——包括医疗器械制造领域——因为它提供了一种精确且清洁的切割、加工和焊接方法。激光技术通过控制基底高能光束的输出，熔化、烧蚀或蒸发材料，形成高质量的表面处理效果。尽管激光在医疗器械制造行业中的应用不及更传统的加工技术，但它具有诸多切实的优势：它们能形成比打孔更清洁的边缘处理效果；无需使用昂贵的工具即可制成复杂的组件；具有比其它加工方法更快的速度以及能够处理各种材料。因此，在医疗器械制造领域，激光技术很有可能能够引领又一个50年——甚至更长时间。激光焊接 Leister Technologies LLC（美国伊利诺斯州，Itasca；www.leisterlaser.com）是一家专业生产高功率二极管激光器系统的公司，该公司开发出的激光发生设备可形成点状、线状和多种定制形状的激光。公司的激光系统具有无触点、无振动和无应力的特点，可用来焊接塑料材料，能够实现定域化能量应用。公司还提供多种激光传输方法，以满足塑料焊接应用的需求，包括轮廓、同步、掩模和径向技术。 Leister总经理Jerry Zybko评论说：“在塑料接合应用中，我们采用了基于二极管的激光系统，由于它是固态的，因此无需使用任何附件。换句话说，即无需采用Nd:YAG 激光技术中所需的CO2激光管或灯。”二极管激光器可提供808- 或 940-nm波长，以满足不同反应波长的聚合物的应用要求。基于上述原因，公司将二极管激光器整合至其透射红外光塑料激光焊接平台中。 “我们的系统处理的塑料包括两层：一个透明层和一个吸收层。激光穿过透明层并被下面的吸收层吸收，您可以在激光吸收的交界面产生热量。”Zybko说道。 Leister的Novolas激光设备利用专利的掩膜技术，可用于微流体器械的制造，激光焊接除微流体通道本身外基材的所有表面。利用镀铬玻璃掩膜，将特定部位的铬去除，使激光穿过，从而确定理想的焊接区域。含有注塑微流体通道的平顶组件和底部组件位于掩膜的下方，并施以钳夹力。光线通过层叠结构，掩膜可以防止光线到达微流体通道。“因此，可用激光来密封组件，留下微流体通道。该技术适用于微流体塑料片结构，可形成各种焊接形状，且不会产生震动或微粒积聚污染即可实现理想的接合。”Zybko说道。据Zybko称，激光焊接除在微流体领域发挥了突出作用外，还在导管与导管的接合操作领域取得了进展。Leister的Novolas WC-C激光机器利用一种被称为径向焊接的技术完成上述过程。在该技术中，诸如阀门之类的部件插入圆形抛光金属内的塑料管中，金属的内径为圆锥形。当上述设备发出的激光到达塑料部件，管的轮廓周围可实现同步焊接。“激光不会发生旋转或移动，而呈圆环形发射，并借助衍射光学元件达到小角度。当其触及抛光圆锥时，它可以直接垂直折射至导管与导管的接合部位。”Zybko解释说。激光技术在上述领域的应用变得越来越经济，但基于激光的产品一般仍需要采用x-y设备进行精确的移动控制。此外，在使用上述设备时，操作人员必须采取激光屏蔽措施，这增加了操作的成本。 Zybko补充道，尽管如此，激光加工与其它技术相比仍具有诸多优势。例如，它不会产生微粒、污染或闪光，且焊接完全可以在部件内部完成，防止了多余材料的喷溅。相反，当采用30 KHz超声进行部件焊接时，其产生的震动会造成聚合物一定程度的分解并形成微粒，这些微粒必须采用真空吸出或洗出——特别是对于微流体器械。“采用激光，我们就可以利用玻璃夹住塑料。我们不会移动、转动、震动或采用超声上下移动材料。这样加工后的部件十分干净，且不会对容积产生影响。如果您需要100-pl的空间，您就可以在部件组装和焊接完成后实现。”Zybko说。（图片） Used for manufacturing microfluidic devices, Leister’s Novolas laser equipment relies on mask technology, in which the laser welds all the surfaces of a substrate except for the microfluidic channels themselves. 激光微加工 “激光微加工适用于聚合物及采用其它技术难以进行微加工操作的材料的清洁切割、钻孔和成型，”JPSA（新罕布什尔州，Manchester；www.jpsalaser.com）销售经理Bill Kallgren说道。公司的紫外线技术利用光切除过程——激光器发出的紫外线引起的挥发作用——形成等离子体羽辉，去除极为精细且定量的材料。据Kallgren称，其结果可以获得干净的孔、通道或零件。公司除提供二极管泵浦固体激光器、激光微加工设备及紫外线和真空紫外线激光光束传输系统外，还可提供各种激光系统，包括IX-3000 ChromAblate，这是一款可实现微米级加工的紫外准分子激光系统，其公差达亚微米级。其典型的应用领域包括支架、导管、微流体设备、芯片实验室生物传感器、喷嘴和微电机系统。Kallgren指出，JPSA的机器可以处理各种材料，包括聚合物、陶瓷、玻璃、金属和其它材料。（图片） JPSA’s UV excimer laser systems can create micron-scale features with submicron tolerances. 由于激光技术可以形成鲜明的轮廓、光滑的壁、透明光亮的表面及其它复杂的特性，因此它有助于许多复杂的医疗器械的生产。Kallgren评论说：“诸如微流体设计等医疗器械制造领域通常需要加工复杂的孔、锥体、通道或取样室。这些可能是微型特征，但同时需要达到统一和稳定的大小。紫外准分子激光设备可以加工出复杂且可重复的几何形状。” 尽管目标是形成复杂的几何形状，但不同的应用领域需要不同的定制设备。“我们的标准系统是高级工程设备，但它们采用了模块化的设计，因此我可以根据客户的要求对设备进行增减，”Kallgren解释说。例如，用于简单加工的系统可能带有X-Y-θ平台，如果还需要调焦，则可能带有z-θ平台。从另一方面来说，客户可能需要卷带式平台和视觉对准设备进行自动化的大批量生产。在准分子激光系统中，可能需要附加的运动轴来执行自动掩膜更改功能，用以选择不同的图像并将其投射于目标上。协调相对运动使得系统可以扫描光束范围内的掩膜，在有些特定的情况下可以同时扫描下面的部件。“简单的说，系统可以只进行四轴运动，也可以进行16轴运动，具体取决于客户的做法，”Kallgren说道。 Kallgren说道，展望未来，波长和热学控制是需要特别注意的地方。“客户不再切割金属支架，他们更多的关注于新型材料，如生物可吸收材料。问题在于，很多这种材料对热敏感。”例如，通常采用YAG、CO2或连续式激光器进行支架切割，这些技术形成热影响区，会对新材料制成的支架造成损伤。但据Kallgren称，普通紫外激光器尽管具有较高的光子能和带隙，但仍非理想选择。 Kallgren说：“我们期待脉冲宽度成为提升质量的另一种调节方式。脉冲宽度较短，则光线与材料接触的时间更短，制造工艺较冷。”基于此目标，公司探索皮秒或飞秒激光波长的脉冲范围的二极管泵浦固体或准分子激光器的应用。Kallgren补充说，这些技术能实现多光子吸收且在目标基材上产生的热量较小，因此是一种清洁、高分辨率、高保真度的微加工方法。 Leister Technologies公司的Zybko称，激光器产生的热量尚有疑问，激光技术也可以形成较小的热影响区，因为它可以只熔化和粘合需要的塑料。因此，如果微流体器械中的一个通道中已含有试剂或液体，则激光器产生的热量将不会对其造成影响。 10/19/2010


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