激光技术的最新进展为精密加工注入了更强的能力，不仅消除了热效应，而且最大限度地减少了后处理。 　　

　　毫秒级(ms)光纤激光器已成功用于医疗设备应用多年，例如切割注射管和支架。这种加工方式虽然精确快速，但缺点是零件切割后总是需要一系列的后处理，这就显著增加了零件的成本和这些精密机械零件损坏的风险。 　　

　　近年来引入了超短飞秒(fs)激光技术，这种激光器产生的激光脉冲不会在元器件上留下热指纹。这些碟式飞秒激光器提供了短于400fs的激光脉冲，光束质量优异，具有足够的峰值功率，可以实现极高质量的冷烧蚀切割过程，而不需要熔体注射过程。如此执行的切割过程只需要最少量的后处理，并且更细的光束可以处理非常精细的细节。 　　

　　该工艺在医疗设备的生产中特别有效，例如导管、心脏瓣膜和医用支架，并且可用于玻璃切割和识别生产应用，以及用于制造牙科植入物的陶瓷材料的3D结构。然而，最有潜力的应用可能在于一种新型的生物可吸收材料，即可以在控制的时间内安全地留在体内然后被吸收的聚合物材料。目前，这些材料正在开发中，将用于替代传统的聚合物或金属零件。 　　

　　过去，飞秒激光被认为太慢而不能进行商业上可行的加工操作。最近的研究对每个零件的切割时间和后处理步骤进行了评估，并证明在许多情况下，碟式飞秒激光的投资回报不到12个月，尤其是在用于加工高价值零件时。飞秒激光的潜力很大程度上取决于系统平台，因此Jenoptik和Miyachi America正在联合开发步进平台和扫描头平台，旨在达到微加工所需的质量和精度水平。 　　

　　图1该图对比了毫秒激光和飞秒激光的加工结果。 　　

　　飞秒激光的基本特性 　　

　　飞秒光脉冲属于超短脉冲(USP)。1fs=10-15s。作为校准点，一个300fs的脉冲等于只有90m m的物理脉冲长度，USP有很多优点，比如无热冲击、无冲击波、无微裂纹、无熔化效应、无表面损伤、无碎屑、无材料注入、无重铸层，因为它不像纳秒脉冲那样是热加工的。 　　

　　飞秒激光技术并不新鲜。30多年来广泛应用于科研机构和研究中心。但是商用的飞秒激光技术需要在工业环境下24/7工作的能力，这种技术出现也不过七年左右。飞秒激光最近已经用于晶片切片和蚀刻P1、P2、P3太阳能电池板，或者用于制造电池板上电源电极的沟槽。如今，这种激光已经掀起了一波新的加工能力，许多医疗设备将成为这种加工方法的优秀候选人，特别是考虑到这种工艺在加工元件方面的高成本。 　　

　　飞秒激光除了可以最大限度地降低后处理带来的投资回报的合理性，还可以形成一些独特的特性，这些特性是以前因为质量问题而无法实现的，尤其是在聚合物加工领域。图2显示了加工聚丙烯时纳秒355nm激光源和1030nm飞秒激光源之间的比较。碟形飞秒激光加工孔在外观上呈现很小的锥度，孔周围没有熔化和热变形。这种能力可以帮助产品提高设计的自由度，不需要或者很少需要在制造过程中做出妥协，只是尽量强化功能。 　　

　　图2上面的对比照片显示了用355纳米纳秒(NS)激光(左)和1030纳米飞秒激光(右)钻出的孔。 　　

　　投资回报方面的发展考虑 　　

　　飞秒激光在加工金属和塑料材料时可以实现优异的边缘质量，这使得这种激光可以应用于心脏、大脑和眼睛支架(NiTi合金和钴铬合金)、导管、心脏瓣膜和聚合物管。这种近乎冷切割的工艺意味着可以在最薄的材料上切割出非常精细的外观特征，同时保持机械和材料的完整性。即使加工直径最小的镍钛合金管，也不需要在管中进行水冷。 　　

　　提高质量和减少后续加工的前景，一直让飞秒激光技术在理论上成为可能。然而，直到六年前，它在医疗设备中的应用基本上没有商业兴趣，因为与其他技术相比，成本和处理速度较慢。 　　

　　从那时起，包括Jenoptik在内的公司一直在开发ROI计算工具，以证明后期处理的真实成本。此工具可用于考虑综合成本因素，包括激光设备购买、后处理能力、处理时间和操作时间。这些计算证明飞秒激光其实更快，因为它可以减轻许多极其耗时的后处理步骤的负担。 　　

　　图3左图显示了三个镍钛诺支架，右图显示了100毫米厚的镍钛诺支架的放大图。 　　

以通用型冠状动脉支架为例，这种支架是头一个采用光纤激光器制造的设备。首先，这个部件必须进行机加工，然后使用机械工具进行修磨，或进行内部清理，最终磨光毛刺。随后，必须执行一项化学蚀刻工序以清理边缘周围，然后执行电解抛光工序。这些步骤不仅耗时长久，而且还有可能造成部件易碎和变形，并能够产生裂纹。良品率处于70%的范围内，这意味着有相当多份额的最终产品成为损失。相比之下，飞秒级激光器属于干式加工，不向部件导入水或热量。工序数量得到了极大幅度的削减，部件接受加工，随后执行一项电化学工序让边缘变圆。部件的完整性得到了改进，消除了多项耗时长的工序，良品率可以接近95%。

飞秒级激光器还能加工采用新型生物吸收型聚合物的医疗产品。这种聚合物可以安全植入体内并控制时间长度，随后吸收，并且不会造成有害或不利的交互作用。可生物吸收型聚合物（也称为Aspirants）为传统聚合物或金属部件提供了替代材料，并在设计上能够满足精密的降解速度要求和其他规格要求。

可生物吸收型材料可以加工成可用于支架的任意形状。但是，这种材料的加工方式必须正确，且不得引入热量。如果不能达到上述要求，就会导致材料内出现晶化现象，这种现象会使材料的结构降级，影响其使用期限和以正确速度缓释药物的能力。而且，由于可生物吸收型材料会溶解，所以无法像绝大多数塑料一样接受清洁，而且也不能接触任何液体溶剂，这也是飞秒级激光器技术是一种更适合这种材料的原因。

可生物吸收型材料已经在欧盟用于冠状动脉支架，尽管目前还未收到美国食品药物管理局（FDA）对其在美国使用的批准。这种材料绝大多数由聚酯构成，主要为聚乳酸和聚乙醇酸的均聚物和共聚物。此材料在各种应用领域表现出光明的前景，包括已经多次置入支架并因而无法耐受传统固定支架治疗的患者用心血管支架。这种材料目前还用于在插入器官后向身体器官输送药物，能以恒定的速率将药物释入，且材料最终在预先制定的时间内溶解。图4所示为一个飞秒级激光器切割可生物降解型支架的示例。

图4 这张放大图显示出碟式飞秒级激光器对生物吸收型支架的切割效果

经过多年临床试验，已有数家企业正在等待批准，并已经计划在美国市场大力推广这项创新材料，而且有几家企业已经具备了使用飞秒级激光器设备执行所需精密微加工的资格。

飞秒级激光器和微加工

碟式飞秒级激光器的工业级强健性需要与同等系统搭配使用，达到医疗设备行业所要求的日常可靠性。目前，飞秒级激光还不能用光纤进行传导，因此，需要使用固定镜面指向和传导至对焦透镜。因此，想要设计一套光束传导系统，用于4轴式光束切割器，能够执行偏轴切割，同时保持对中度，这种设计存在着难度。光路设计必须确保诸如光束扩展器和精调衰减器这样的关键光学工具能够随着工艺开发的需要而轻松接近。此项系统设计要求实现全面的机械隔离，并在某些情况下，要求环境温度稳定性，才能提供一套用于确保工艺可重复性的系统基础。

Jenoptik与Miyachi America合作开发了这套系统，集成了将飞秒级激光器推向市场所必需的能力。第一套开发成功的平台以Miyachi的Sigma管切割器为基础。

设计精密微加工系统可能表面看来只与使用了多少花岗石材料有关。拼成设计拼图的其他关键片包括了确定如何对精细部件和材料进行重复定位或夹装、实施系统内部件检验以及集成实时光束诊断能力。

光束由反射镜反射直接通过系统，所以保持光学对准度有着重要意义。但这只是第一步而已。确保光束特性和功率等级得到保持要求使用光学诊断工具，而这些工具必须在线工作并且不会侵入通路，还要能够提供实时信息。工具通常直接安装在激光器之后，而光束通路上的最后一个精调镜将为激光束或光学光束通路排除偏差。在线和非侵入式的方式能够实现加工过程中数据采集，并可以做出时间和日期戳记，形成制造数据的组成部分。

图5 这台Miyachi Sigma切管器（机盖卸下）采用了一个Jenoptik激光器执行飞秒级支架和注射管切割

光明的未来

飞秒级碟式激光器提供了同类当中独特的加工能力，光束质量优异，峰值功率高。为了最大提升生产加工能力，这种激光器必须集成到一套能够实现高品质和可重复加工的系统当中。这样一套已经上市8年多的基础坚实的飞秒级激光器产品，与具备内部部件加工能力的经验丰富的微系统提供商相结合，就形成了一种配合紧密的合作伙伴，将为高价值医疗产品开发出理想的生产系统解决方案。

作者：Stephen Hypsh