在外科、整形外科和其他醫(yī)療設(shè)備制造方面，一些傳統(tǒng)的加工技術(shù)—有些甚至有上百年的歷史—仍然有著非常重要的作用。然而，最近在激光源和控制技術(shù)方面的進(jìn)展為醫(yī)療設(shè)備的精密切邊、鉆孔和熱處理打開(kāi)了新的大門(mén)。當(dāng)與其他加工工藝結(jié)合在一起后，設(shè)計(jì)師們?cè)诤饬慨a(chǎn)品的可制造性時(shí)可以找到一種最佳的方式。接下來(lái)將為讀者介紹新技術(shù)與舊技術(shù)是如何聯(lián)手滿足醫(yī)療設(shè)備制造的特殊需要的。

    充滿挑戰(zhàn)的歷史

    1957年，Earl Bakken與明尼蘇達(dá)大學(xué)著名的心臟外科醫(yī)生C. Walton Lillehei一起研發(fā)出使用晶體管節(jié)拍器（transistorized metronome）的便攜式心臟起搏器。這便是全球植入性醫(yī)療器械制造產(chǎn)業(yè)的開(kāi)端。

     自此，正確的設(shè)備功能、生物相容性、可制造性和最終的成本等等問(wèn)題接踵而至。如何讓植入在體內(nèi)的假體發(fā)揮正常功能并且與身體組織和諧共處，這永遠(yuǎn)是一個(gè)挑戰(zhàn)。隨著微加工技術(shù)的進(jìn)步，過(guò)去幾年來(lái)在這方面的設(shè)計(jì)得到提升。選擇合適的材料也使得生物相容性問(wèn)題不那么令人畏懼。

    為了生產(chǎn)出高度一致的可靠的能挽救生命的產(chǎn)品，生產(chǎn)工程師們承受了巨大的壓力，他們?cè)诮y(tǒng)計(jì)過(guò)程控制（SPC）技術(shù)的支持下，想方設(shè)法設(shè)計(jì)出獨(dú)特的解決方案來(lái)確保整個(gè)過(guò)程都處于控制之中，并最終生產(chǎn)出可靠的產(chǎn)品。接下來(lái)就是成本問(wèn)題。如果生產(chǎn)出來(lái)的產(chǎn)品是大部分需要它的人負(fù)擔(dān)不起的，那么這種產(chǎn)品對(duì)于我們的社會(huì)還有什么意義呢？

     對(duì)Earl Bakken來(lái)說(shuō)，不幸的是在他那個(gè)年代并沒(méi)有工業(yè)激光器，而且早期的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中，傳統(tǒng)的材料和工具難以生產(chǎn)出需要的組件。直到二氧化碳和Nd:YAG激光器在材料加工中得到應(yīng)用時(shí)，情況才開(kāi)始迅速變化。20世紀(jì)90年代以前，用于金屬醫(yī)療設(shè)備開(kāi)發(fā)和制造的激光器主要是兩種類(lèi)型：二氧化碳和閃光燈泵浦Nd:YAG激光器。

    在20世紀(jì)90年代中期，改進(jìn)的Nd:YAG激光器開(kāi)始用于材料“冷”去除（燒蝕）和點(diǎn)焊等關(guān)鍵過(guò)程中。技術(shù)要求很高的燒蝕一般使用準(zhǔn)分子激光技術(shù)（光斑尺寸一般為25～50微米，波長(zhǎng)一般為0.2～0.4微米），雖然昂貴，但是極為有效。

      選擇正確的激光器

      以下將介紹如今用于醫(yī)療設(shè)備制造中的材料加工（切割、鉆孔和焊接）的四種激光器，以及如何選擇適合該種加工方式的激光器。

     重要的是要記住：激光器只是激光系統(tǒng)中的一個(gè)組成部分，其作用類(lèi)似于汽車(chē)的引擎。對(duì)于基于激光技術(shù)的制造醫(yī)療設(shè)備的生產(chǎn)體系來(lái)說(shuō)。不僅要考慮激光器，還要考慮到其他的組件，例如運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、過(guò)程傳感器和輔助組件等。

     我們首先簡(jiǎn)要地討論以下四種激光器：CO2、脈沖Nd:YAG、Yb光纖和超短脈沖激光器，以及三種在醫(yī)療設(shè)備制造中常見(jiàn)的材料加工方式：切割、鉆孔和焊接。

     CO2激光器：CO2激光器是以CO2氣體作為工作物質(zhì)的氣體激光器，放電管里面充以CO2氣體和其他輔助氣體（主要是氦氣和氮?dú)猓话氵€有少量的氫或氙氣）。這是有記載的最早用于制造業(yè)的激光器類(lèi)型之一，最早應(yīng)用于該工業(yè)的記載是1966年用于它的切割和焊接。它的波長(zhǎng)為10.6微米附近的遠(yuǎn)紅外波段(IR)。

    Nd:YAG激光器：這種激光起初是由一個(gè)或多個(gè)高強(qiáng)度氙燈來(lái)激發(fā)摻釹釔鋁石榴石晶體；后來(lái)采用激光二極管來(lái)激發(fā)。其波長(zhǎng)是在1.06微米的近紅外波段。目前使用的Nd:YAG激光器主要是脈沖類(lèi)型；CW版本很大程度上被光纖激光器取代。

    光纖激光器：向光纖中摻雜Yb(鐿)離子使之激活，使用二極管激發(fā)。雖然有其他選擇，但在材料加工的高功率應(yīng)用中Yb被認(rèn)為是最具成本效益的。這種激光器的波長(zhǎng)也是在1.07微米的近紅外波段。光纖激光器按輸出激光特性分為連續(xù)光纖激光器和脈沖光纖激光器。

     超短脈沖激光器： 一般定義為固體脈沖激光器產(chǎn)生的脈沖寬度在皮秒（10-12秒）至飛秒（10-15秒）量級(jí)。這些激光器通常有一個(gè)基本的波長(zhǎng)?；绢l率是在1.06微米的近紅外波段，通?？煞槐?、兩倍或三倍至可見(jiàn)光或紫外波長(zhǎng)。使用更短的波長(zhǎng)來(lái)加工有很多好處，例如當(dāng)需要比基本波長(zhǎng)能實(shí)現(xiàn)的尺寸更小的激光光束時(shí)。這種類(lèi)型的激光器的共同特點(diǎn)是能產(chǎn)生質(zhì)量非常高的激光光束，高頻率且脈沖極短，通常在kHz至MHz之間。

     從制造商的報(bào)告中可以清楚地看到，對(duì)于制造醫(yī)療設(shè)備所使用的一般材料，CO2和Yb光纖激光器這兩種類(lèi)型都可以勝任切割和焊接各種薄和厚的材料的工作。超短脈沖激光器最好是用于切割和鉆孔那些要求熱影響區(qū)（HAZ）很小或者沒(méi)有的薄的材料，或者是對(duì)完成的部件進(jìn)行后處理。

    同樣，雖然近期的進(jìn)展使我們的目光轉(zhuǎn)向高峰值功率光纖激光器，但是脈沖Nd: YAG激光器仍然是唯一一個(gè)可以鉆高厚徑比孔的激光器。有許多研究都看好這種類(lèi)型的激光器在鉆孔方面的應(yīng)用。如果現(xiàn)在要求鉆高厚徑比孔，那么唯一的選擇就是脈沖Nd:YAG激光器。它可以實(shí)現(xiàn)各種切割和切邊的應(yīng)用，但是速度比其他類(lèi)型的激光器所能實(shí)現(xiàn)的速度要低。它可以應(yīng)用于一些自體焊接，但是使用填充材料的焊接則超出了標(biāo)準(zhǔn)的脈沖Nd:YAG激光器的能力。

    為切割和焊接的組合來(lái)選擇激光器是一個(gè)相對(duì)容易的工作，而為鉆孔和切割的組合或者鉆孔和焊接的組合甚至是這三種的組合來(lái)選擇激光器則要困難得多。稍有不慎，整個(gè)激光系統(tǒng)則不能給出一個(gè)令人滿意的解決方案來(lái)同時(shí)滿足三種加工方式的要求。

    切割

    激光切割時(shí)，聚焦的激光束在工件的表面被吸收后可以將材料熔化。與此同時(shí)，用與激光束同軸的氣體來(lái)提供機(jī)械能量（在某些情況下是化學(xué)能量）來(lái)移除被激光熔化的材料。在很多材料上可以用激光實(shí)現(xiàn)“清潔切割”，并且借助于一些惰性氣體，如氮?dú)?、氬氣或氦氣，?lái)保證切口表面不會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，相對(duì)來(lái)說(shuō)也沒(méi)有毛刺和碎片，熱影響區(qū)（HAZ）也小。后者取決于激光參數(shù)、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和工件的形狀。超短皮秒(ps)和飛秒(fs)脈沖激光器通常不需要這些氣體來(lái)協(xié)助，因?yàn)椴牧媳灰瞥耐瑫r(shí)會(huì)被汽化和/或升華，有時(shí)被稱(chēng)為“冷燒蝕”。這種低能量、短脈沖持續(xù)時(shí)間和高重復(fù)率的結(jié)合，使得工件吸收的熱量很小。最終的結(jié)果就是切割的邊緣很小，而且?guī)缀鯖](méi)有熱影響區(qū)（HAZ）。

     鉆孔

     沖擊打孔：激光束聚焦到直徑大約等于所需的孔的直徑大小，并且聚焦到固定的材料表面，一系列的激光脈沖通過(guò)熔化材料來(lái)去除它，直到形成一個(gè)洞。一種連續(xù)鉆孔的方法被稱(chēng)為飛行鉆孔（drill on-the-fly，縮寫(xiě)為DoF），它是在沖擊打孔的基礎(chǔ)上，通過(guò)將組件以特定的速度旋轉(zhuǎn)來(lái)達(dá)到以特定的排列來(lái)鉆孔的目的。即，在特定排列的孔洞位置處施以單一的激光脈沖，然后在隨后的組件旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，額外的激光脈沖會(huì)繼續(xù)被施加到每個(gè)孔洞的位置，直到形成所需要的孔。

     沖擊打孔和飛行鉆孔主要建立在每秒鐘數(shù)十個(gè)脈沖的高脈沖能量上。每一脈沖都會(huì)熔化并蒸發(fā)一部分材料，同時(shí)在熔體腔內(nèi)形成高壓（在蒸發(fā)過(guò)程中，孔眼中的材料體積急劇膨脹，產(chǎn)生了很大的壓力）。這導(dǎo)致被去除的熔化的材料會(huì)形成融熔體。融熔體的大小取決于具體的激光參數(shù)和材料的化學(xué)組分。

     旋切打孔：激光束聚焦到比所需的孔的直徑還小的直徑大小。材料在所需的孔的中心位置被打出一個(gè)較小的初始孔，然后激光器在工件上方幾個(gè)越來(lái)越大的環(huán)形軌道中移動(dòng)，將初始孔擴(kuò)大，直到形成所需直徑大小的孔。

      燒蝕：用超短脈沖激光器逐步燒蝕材料直到形成孔。激光的焦點(diǎn)直徑一般比較小，和所需的孔徑有關(guān)。激光光束一般通過(guò)精密的光束導(dǎo)向技術(shù)傳遞至工件（光柵式掃描），速度相對(duì)較高，直到形成所需要的形狀，或者是圓形或螺旋狀直到形成圓形的孔。材料被逐步去除直到達(dá)到所需的深度或者是形成孔洞。這里不需要輔助氣體。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是速度高，但是激光脈沖的低能量使得該方法不適用于薄的材料或者是淺層燒蝕。

     旋切打孔在質(zhì)量（圓度、錐度、熱影響區(qū)）和產(chǎn)出量（每秒鉆孔的數(shù)量）方面都有很好的表現(xiàn)。使用飛行鉆孔和燒蝕的方法，鉆孔速度可以超過(guò)每秒100孔。不過(guò)，實(shí)際的速度還取決于深度、直徑和所要求的質(zhì)量。一般來(lái)說(shuō)，高質(zhì)量的光束—毫秒級(jí)脈沖Nd:YAG激光器—在長(zhǎng)時(shí)間地使用過(guò)程中已經(jīng)證明了它在醫(yī)療設(shè)備組件制造過(guò)程中的鉆孔方面可以很好地平衡產(chǎn)出量和精密度。

    焊接

    激光焊接可分為兩類(lèi)：

    自體激光焊接：不同的材料在沒(méi)有添加額外的材料時(shí)融合在一起。這種形式的激光焊接需要高水平的夾具，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和接合預(yù)備的精確性也要高。在整個(gè)焊接過(guò)程中，非常關(guān)鍵的一點(diǎn)就是保證焊接的材料控制在所要求的焊點(diǎn)上。材料的任何變化都可能會(huì)導(dǎo)致焊縫不合要求甚至是整個(gè)焊接的失敗。

    助焊劑焊接：將材料添加到焊縫處，通常以金屬絲或粉末的形式。在添加時(shí)，結(jié)合處的裝配要求更有彈性，即便是不完美的裝配也可能得到合乎要求的焊縫。在結(jié)合處加入金屬絲或粉末為整個(gè)焊接帶來(lái)了一個(gè)額外的控制變量，我們?cè)谶x擇這種方法之前需要慎重考慮。

     激光焊接經(jīng)常需要使用惰性氣體來(lái)防止氧化。惰性氣體的配送取決于焊接的材料和結(jié)合處的配置，包括簡(jiǎn)單的同軸或偏軸噴嘴，用來(lái)在特定區(qū)域產(chǎn)生一團(tuán)惰性氣體來(lái)進(jìn)入固定裝置或臨界點(diǎn)，這一過(guò)程是由運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)控制器來(lái)控制的。

    小結(jié)

     在任何醫(yī)療設(shè)備制造的應(yīng)用中，激光源的選擇現(xiàn)在更為容易，同時(shí)也更復(fù)雜(出現(xiàn)了更多的新的選擇）。生產(chǎn)工程師和管理層不應(yīng)只依賴于過(guò)去的經(jīng)驗(yàn)、舊的信息和結(jié)論，至少得是五年之內(nèi)的。

焊接仍然是激光在醫(yī)療設(shè)備制造中最大的應(yīng)用市場(chǎng)之一。這些應(yīng)用的范圍很廣，從心臟起搏器和蓄電池組件，到外科設(shè)備裝配和非金屬導(dǎo)管組件。隨著醫(yī)療設(shè)備在設(shè)計(jì)上的日新月異，激光系統(tǒng)也通過(guò)尺寸大小的減少、光束傳導(dǎo)的創(chuàng)新、性能的提升和靈活性的增加來(lái)緊隨前者的腳步，大大擴(kuò)展了在醫(yī)療設(shè)備制造中的各種加工方法上的應(yīng)用。

用一種激光系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行切割和鉆孔，往往是現(xiàn)在許多制造商的第一選擇，這是因?yàn)樗某叽绺?、可以定制化的設(shè)計(jì)以及完成質(zhì)量的改善。這將會(huì)繼續(xù)擴(kuò)大光纖激光器的應(yīng)用以及促使激光器本身的價(jià)格下降。

設(shè)計(jì)師在面對(duì)挑戰(zhàn)時(shí)總是努力尋找新的解決方案，這就是促使新的應(yīng)用層出不窮的重要?jiǎng)恿Α?/p>

                                                                                                                                                             作者：Mark  Barry