超快激光器正在推动医疗设备制造的最先进技术

自从引入医疗制造以来，激光已成为设备原始设备制造商制造方法的中坚力量。它们通常用于增材制造和减材（例如钻孔、切割和烧蚀）制造、材料连接、打标和表面处理。基于激光的制造技术使制造的效率、精度、质量和过程控制发生了翻天覆地的变化。

许多设备原始设备制造商现在将超快激光技术视为满足其制造需求的下一个领域。为什么会这样？

图为Aerotech AGV5D五轴激光微加工进动扫描仪。

要回答这个问题，重要的是要了解超快激光器的定义。一般来说，激光器有两种主要的工作模式：连续波 （CW） 和脉冲。

顾名思义，连续波激光器以恒定的输出运行。脉冲激光器以恒定的间隔间歇性地输出激光能量，称为脉冲宽度或脉冲持续时间（有关这些工作模式的视觉参考，请参见图 1）。超快激光器代表了脉冲激光技术的一部分，其中激光脉冲持续时间仅为飞秒（10-15），时间极短。

图 1：这些图表显示了连续波激光器和脉冲激光器之间的操作差异。

由于这种极短的脉冲持续时间，超快激光器可以为零件提供比连续激光器或其他脉冲激光器更高的峰值功率。这实现了关键的差异化激光工艺能力，进而实现了新的制造方法。以下小节概述了超快激光器为医疗设备制造商带来的优势。

非热激光加工

连续激光器和脉冲激光器可以切割或加工材料，但超快激光器以强大而独特的方式做到这一点。超快激光器的高峰值功率能力允许材料从固体蒸发到等离子体，而从脉冲到周围材料的热传递很少或没有。这通常被称为无热激光加工或冷烧蚀。

无热激光加工对于医疗器械制造非常有利，因为它可以加工薄或热敏材料，如聚合物和特种合金（包括镍钛合金），而不会在加工区域周围引入热影响区 （HAZ）。无干扰区是激光加工的常见后果，可导致零件变形甚至过早的机械故障。

与连续或更长脉冲持续时间的激光器相比，这种在不改变对产品性能至关重要的材料特性的情况下加工零件的能力是超快激光器的一个关键优势。

最小化零件后处理

由于在传统的激光切割过程中，使用具有较长脉冲宽度的连续或脉冲激光加热零件，因此通常需要几个后处理步骤来提高零件质量。例如，零件通常需要去毛刺以去除熔渣或锋利的边缘，并需要电解抛光以去除氧化层并提高表面光洁度。图 2 显示了激光切割零件在去毛刺和电解抛光操作之前存在的缺陷。

图 2：激光切割钴铬零件的放大视图显示了需要后处理的小缺陷。通过适当的超快激光工艺改进，可以生产几乎不需要后处理的零件。

这些步骤需要额外的设备和流程，以及随附的控制计划和时间，这些都会影响零件的吞吐量和成本。当通过精细的超快工艺去除材料时，可以避免这些额外的步骤，从而缩短零件加工时间并降低成本。

超快激光器还可以消除与零件涂层相关的步骤。由于超快激光工艺可以操纵材料的微观结构以产生疏水或亲水表面光洁度，因此可以直接对表面进行纹理处理。在这种情况下，不需要额外的步骤来涂覆涂层。

通过简单地更改工艺参数并在激光加工步骤中增加一些循环时间，超快激光可以减少或消除交付成品零件所需的后处理步骤。在这些应用中，需要特别注意控制和激光传输系统，因为在非平面表面上保持最佳激光光斑至关重要。

独特的激光焊接优势

超快激光器还实现了独特的连接方法，这些方法对新型医疗设备设计具有重要意义。通过使用不同的激光工艺控制和技术（例如可调节的突发发射模式），可以连接不同的材料，如陶瓷和金属或极细的金属箔。

然而，这些工艺的工艺控制窗口要小得多，激光沿表面的运动在实现高质量的焊接接头方面起着重要作用。触发时对激光器位置的控制不当或激光器沿该路径的脉冲控制不当会导致焊接强度和可靠性不一致。

开始

从消除二次加工到实现新的切割或连接技术，超快激光技术有可能在医疗器械制造方面做出重大改进。尽管超快技术需要更高的资本投资，但成本节约的潜力是显着的。

由于这些优势需要对激光工艺进行重大改进以优化正确的参数，因此必须拥有一套工具，以便进行适当的实验设计。

应使用彻底的验证和确认测试策略来跟踪零件性能标准，以跟踪已知的激光加工参数。大多数现代运动控制器都提供对激光和运动控制参数的直接控制，使制造商能够快速轻松地进行迭代以找到最佳工艺。

在评估控制解决方案时，关键是要与了解这种相互依赖关系的供应商合作，并有助于调整这些技术以最好地实现您的制造目标。