飛秒激光器進(jìn)行醫(yī)療器械制造切割的優(yōu)勢(shì)
作者：武漢新特光電技術(shù)有限公司
來源：Coherent高意激光
時(shí)間：2023-04-24
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光纖激光器成本相對(duì)較低，功率可擴(kuò)展，并且可靠性高，多年來一直在醫(yī)療器械制造行業(yè)的切割和鉆孔應(yīng)用中占據(jù)主導(dǎo)地位。飛秒激光器在切割質(zhì)量方面具有很大優(yōu)勢(shì)，但長(zhǎng)期以來，它們只爭(zhēng)得很小的市場(chǎng)份額。然而，如圖所示，Coherent管材切割系統(tǒng)的銷售數(shù)據(jù)表明，這種情況突然間發(fā)生了極為快速的轉(zhuǎn)變。我們來看看，與光纖激光器相比，是什么推動(dòng)了飛秒激光器市場(chǎng)份額的急劇增長(zhǎng)。
圖1.基于光纖激光器和飛秒激光器的Coherent管材切割系統(tǒng)的相對(duì)系統(tǒng)收入
實(shí)現(xiàn)更出色、更精細(xì)的切割
使用飛秒(fs)激光器進(jìn)行材料加工具有多項(xiàng)獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，這一點(diǎn)早已為大眾所熟知。對(duì)于像光纖激光器這樣的傳統(tǒng)激光器，其大部分材料相互作用是光熱作用，這就會(huì)產(chǎn)生熱影響區(qū) (HAZ)。在精密應(yīng)用中，這限制了可以在不熔化的情況下干凈加工的零件的最小尺寸，可能導(dǎo)致不可接受的功能或外觀損壞，并且通常還需要進(jìn)行機(jī)械后處理工作（例如，去毛刺、手動(dòng)拋光或鉸孔）。相比之下，飛秒激光器提供的脈沖可以短幾個(gè)數(shù)量級(jí)，并且峰值功率高很多，可在熱量傳導(dǎo)給零件之前使材料瞬時(shí)蒸發(fā)。這種切割精度更高且溫度相對(duì)更低，可以產(chǎn)生更小的零件而沒有重鑄碎屑，因此不需要研磨或拋光。此外，這種方法幾乎適用于任何材料，包括聚合物/金屬涂層等混合材料的零件（見圖）。圖2.飛秒激光器幾乎可以切割任何具有出色邊緣質(zhì)量且無重鑄材料的材料。具有更精細(xì)細(xì)節(jié)的小型化設(shè)備（如框架）
市場(chǎng)對(duì)于具有更小、更薄壁組分和更多切割細(xì)節(jié)的醫(yī)療器械（例如外周支架、海波管、微創(chuàng)工具等）的需求不斷增長(zhǎng)，這極大地推動(dòng)了飛秒激光加工近期市場(chǎng)份額的增加。我們看到，對(duì)于配置為如上圖所示的管材切割幾何形狀的設(shè)備來說，其需求情況尤其如此。此外，使用更具挑戰(zhàn)性和更昂貴的材料也是重要的推動(dòng)因素。鎂生物可吸收支架就是一個(gè)例子，在光纖激光加工后進(jìn)行后處理可能會(huì)將其產(chǎn)量降低50%，而飛秒激光切割則不需要進(jìn)行后處理。其他行業(yè)（例如，顯示器/電子器件）也在逐步采用這項(xiàng)技術(shù)，這就帶來了額外的市場(chǎng)需求，從而進(jìn)一步推動(dòng)了激光器制造商開發(fā)先進(jìn)的飛秒激光系統(tǒng)和機(jī)器。事實(shí)上，飛秒激光器在性能、經(jīng)濟(jì)性和可靠性方面已經(jīng)達(dá)到了一個(gè)全新的成熟度。功率是一個(gè)特別重要的性能參數(shù)，因?yàn)樗苯記Q定了生產(chǎn)量。Coherent的Monaco系列就屬于新一代飛秒激光器，在銷售圖表涵蓋的時(shí)間范圍內(nèi)，其最大功率已從不到20 W連續(xù)提高至60 W以上。大多數(shù)飛秒激光器的每瓦特成本最近也有所下降。因此，這些激光器不僅可以幫助提高產(chǎn)量，還可以降低單個(gè)零件的成本。早期的Monaco型號(hào)已經(jīng)在要求嚴(yán)苛的全天候生產(chǎn)環(huán)境中應(yīng)用了數(shù)年時(shí)間，突顯了飛秒激光器具有更高的可靠性，進(jìn)而有助于降低總體擁有成本。再加上消除機(jī)械后處理步驟所實(shí)現(xiàn)的成本節(jié)省，這對(duì)于一些精密切割任務(wù)來說，可謂非常經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。誠(chéng)然，大多數(shù)醫(yī)療器械制造商想要的并不僅僅是一臺(tái)激光器，而是一套完整的激光系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)這一愿景的最后一步便是先進(jìn)的飛秒激光器的上市。飛秒激光器可以實(shí)現(xiàn)精簡(jiǎn)的自動(dòng)化部件處理和監(jiān)測(cè)，同時(shí)還配有易于使用的軟件，不需要大量培訓(xùn)或?qū)I(yè)知識(shí)即可上手。這讓用戶可以靈活地在小批量的不同設(shè)備之間快速切換，或在無人值守的情況下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行大容量組件。Coherent的StarCut Tube系列機(jī)器就是一個(gè)例子，其結(jié)合了全新的操作軟件：Coherent的FrameWork激光軟件。歸根結(jié)底：是選擇光纖激光器還是飛秒激光器，抑或二者都選？
如今，對(duì)于醫(yī)療器械制造行業(yè)的任何人來說，購(gòu)買新機(jī)器的一大難題就是要在飛秒激光器和光纖激光器之中作出抉擇。光纖激光器還有一項(xiàng)主要優(yōu)勢(shì)，即能夠?qū)崿F(xiàn)更快切割和切割較厚的部件，因?yàn)樗哂懈叩目捎霉β?。然而，?duì)于較薄的部件，由于需要降低重復(fù)頻率并避免累積熱損傷，功率和速度優(yōu)勢(shì)往往會(huì)大打折扣。所以，歸根結(jié)底，選擇哪種激光器最合適實(shí)際上取決于具體的應(yīng)用場(chǎng)景。正因?yàn)榇?，?duì)于切割醫(yī)療器械所用的全新激光器，現(xiàn)在既可以選擇飛秒激光器，也可以選擇光纖激光器，甚至還可以混合使用這兩種激光器。有了后一種選項(xiàng)，用戶可以在這兩種激光器之間無縫切換，即使在單個(gè)作業(yè)中也是如此，因?yàn)橛行┣闆r下使用光纖激光器進(jìn)行切割可能比使用飛秒激光器更經(jīng)濟(jì)（反之亦然）。
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