激光切割技术 | 解决医疗器械特种材料的加工难题

引言

医疗器械制造中使用的特种金属往往脆弱或易碎、难以加工或者材料成本高昂，激光切割可成功克服这些挑战。

大多数医疗器械，特别是可重复使用的医疗器械都是由某种类型的不锈钢制成的。针对这些不锈钢的激光切割技术已广为人知并得到广泛应用。采用纳秒脉冲的光纤激光器是制造不锈钢产品的主要选择，因为这些激光器能够提供更快的速度和更高的吞吐量。 飞秒 (fs) 激光器仅用于切割非常薄的海波管、具有精致细节的部件，或者需要此类激光器提供的卓越边缘质量的应用场合。

切割医疗器械制造 (MDM) 中使用的其他“小众”金属通常会带来一些不同的挑战，但激光切割的多功能性几乎总能提供出色的解决方案。让我们来看看激光切割如何/为什么能够应用于三种完全不同的金属类型：镁、镍钛合金和铂（以及金）

镁支架的飞秒激光切割

仅在美国，每年就有超过 200 万个支架被植入患者体内。激光切割，特别是飞秒激光切割，是制造这些支架的理想选择，因为它可以轻松提供所需的边缘质量，极大限度减少对机械和/或化学后处理的需求。同样重要的是，完全集成的自动化机器简化了管状坯料的 3D 切割。这些机器支持湿式切割，这有助于确保在切割非常细的管材时，后壁不会遭受热损伤。

由于支架部位有时会重新形成斑块和造成血管阻塞，导致再狭窄问题，近年来，可解决该问题的生物可吸收支架的应用越来越广泛。最早的生物可吸收支架是用聚乳酸 (PLLA) 等有机物制成的。最初使用的是绿光皮秒激光，但结果并不理想，因此，飞秒激光很快得到采用，并成为事实上的标准。之后科研人员开发出可吸收金属（镁）支架作为另一种替代材料。镁的热特性意味着光纤激光加工会产生一个不寻常的问题，即切割表面会产生小金属液滴。这些液滴需要通过机械清洁法去除。但这有可能损坏许多支架设计中所需的细支柱；这种后处理可能会导致成品率只有 50%。因此，飞秒激光再次成为标准切割技术。

镍钛合金的光纤激光切割

镍钛合金或“记忆金属”具有超弹性和形状记忆等特殊性质。这些特性使其具有一定的优越性，通常可以用于包括 TAVR 在内的一些不同的可植入器械和手术中。台湾高雄的里特材料科技公司 (NIT) 是一家卓越的镍钛记忆合金线供应商，也是医疗器械等应用领域成品部件的合同制造商。他们也是台湾地区唯一的镍钛合金制造公司。

目前，其大多数镍钛合金管状产品的直径都在 3-6 mm 范围内。然而，他们已经开始生产直径小至 0.56 mm 的镍钛合金管。里特材料的副总经理陈怡安表示：“里特材料正在努力让客户相信镍钛合金是一种适用于许多应用场合的优质材料，我们非常了解这种新材料，因此可以提供卓越成效。我们敢这样说，主要是因为我们有能力交付具有卓越精度和边缘质量的零件。”当里特材料将激光切割技术引入公司内部时，他们发现光纤激光切割可以同时为他们提供很好的吞吐量和边缘质量。切割精度是选择具有高稳定性和可重复性机器时需要考虑的问题，这就是他们选择带有花岗岩切割底座的 StarCut Tube 的原因。

图1：今天，许多支架是通过切割可吸收聚合物制成的，能够解决再狭窄问题。

铂的侵蚀切割

在当今的大多数医疗器械制造应用中，理想的激光切割方法通常不外乎光纤激光切割和飞秒激光切割。但少数制造商改为使用一种称为“侵蚀切割”的新工艺。ES Precision（英国 Kingston Bagpuize）是采用这种方法的先行者。该公司将这种技术用作飞秒激光切割的低成本替代，用于制造包括医疗和生物技术应用以及燃料电池中使用的铂基部件在内的产品。创始人兼董事 Andy May 表示：“传统的纳秒激光切割方法不适用于薄零件，因为周围产生的热量过多，而且无法支撑仅数克重的微小结构。侵蚀切割可以避免这些问题。”

图2： 镍钛合金因其特殊的特性（超弹性和形状记忆）而越来越多地应用于植入体。图片由 NIT Co. Ltd. 提供

侵蚀切割利用的是通常用于打标的快速振镜扫描技术。事实上，ES Precision 最初使用的是配备 20 瓦光纤激光器的相干公司 PowerLine F20，这是一套较常用于完成打标/内雕操作的系统。May解释说，“侵蚀切割不是只用一通聚焦激光进行切割，而是至少包括数十，有时甚至数千通重复激光，每次烧蚀几微米的材料。但是得益于高速振镜，几分钟内就能够完成高达数千通操作。”他补充说，这种独特的工艺实际上适用于几乎任何金属以及其他更坚硬的材料（如陶瓷）。

来源：Coherent