對(duì)“醫(yī)學(xué)加工”的定義可能缺乏精確的含義，但是，除了輸液器件和骨釘外，粗加工對(duì)車間來(lái)說(shuō)同樣也提供了其它的機(jī)會(huì)。生物技術(shù)就是一個(gè)示例，它仍是處于萌芽狀態(tài)的行業(yè)。在許多例子中，與最新生物醫(yī)學(xué)設(shè)備一樣特別的材料和其微米級(jí)特征對(duì)加工要求提出挑戰(zhàn)，銑削和鉆孔常常無(wú)法勝任。 一種已經(jīng)證明有效且可反復(fù)進(jìn)行的非傳統(tǒng)加工工藝，紫外激光加工工藝，在一些例子中成了加工某些生物醫(yī)學(xué)部件的唯一手段。

醫(yī)療OEM廠商常用這種小功率、短波長(zhǎng)激光系統(tǒng)，激光合同制造工廠也用它制造復(fù)雜的生物醫(yī)學(xué)構(gòu)件，J.P. Sercel Associates (JPSA)銷售經(jīng)理Bill Kallgren介紹：這些激光系統(tǒng)還需在所謂的“典型”醫(yī)療合同設(shè)備加工車間中找到自己的位置，它們與瑞士型車床、加工中心或磨床擺放在一起。通常原因不是因?yàn)檫@些車間缺乏凈化或環(huán)境控制能力(潔凈室環(huán)境通常是生物醫(yī)學(xué)加工而不是紫外激光加工的要求)，而是因?yàn)榻饘偌庸ば袠I(yè)缺乏對(duì)這種特殊激光加工工藝的知識(shí)。金屬加工圈子里的人更熟悉用于切割厚、薄金屬板材的大功率CO2或YAG激光系統(tǒng)。

紫外激光加工可在各種各樣用于生物醫(yī)學(xué)設(shè)備的獨(dú)特的
熱敏材料中進(jìn)行微米級(jí)的加工。

英國(guó)新漢普郡Hollis的JPSA專門研究激光加工系統(tǒng)，其激光加工系統(tǒng)使用紫外激光的脈沖能量加工小尺寸材料，如玻璃、氮化硅、石英、聚合物、陶瓷和藍(lán)寶石。該公司不僅設(shè)計(jì)和制造激光系統(tǒng)，其研發(fā)應(yīng)用部門目前已經(jīng)擁有13套紫外激光系統(tǒng)，同時(shí)也發(fā)揮著合同制造工廠的作用。該工廠為醫(yī)療、電子和半導(dǎo)體領(lǐng)域的很多客戶提供服務(wù)。

無(wú)疑，許多有雄心的醫(yī)療合同制造工廠在尋找擴(kuò)大生產(chǎn)能力和客戶群的途徑，紫外激光加工可能是進(jìn)入醫(yī)療市場(chǎng)的一種手段。關(guān)注這一技術(shù)以及了解它如何在JPSA工廠應(yīng)用,對(duì)于那些正在尋找替代加工方法的工廠和制造商來(lái)說(shuō)是有價(jià)值的。

新設(shè)備，新挑戰(zhàn)

生物醫(yī)學(xué)設(shè)備通常工作在細(xì)胞水平，這意味著它們的構(gòu)件孔、通道和其它零部件都是極小的。JPSA所加工的孔徑一般在1微米到數(shù)百微米之間。孔徑和相關(guān)尺寸的公差也在微米級(jí)就不奇怪了。盡管材料厚度通常不超過(guò)2mm，但孔的深徑比通常相當(dāng)大。

圖示為聚合物零件中的孔徑僅2微米。

加工過(guò)程產(chǎn)生的熱量是生物醫(yī)學(xué)材料的大敵，聚合物和特氟龍材料尤其敏感。這是這些材料不采用物理銑削加工的原因。因?yàn)檫@些材料容易變色、熔化和燃燒，任何加工過(guò)程都不得使這些材料產(chǎn)生高熱。紫外激光加工幾乎不發(fā)熱，因此，就不會(huì)損壞材料。

激光類型

紫外激光以一種稱為光剝離（photo ablation）的工藝切削材料。連續(xù)、高速重復(fù)的激光脈沖切削微小、可控制的材料量。少量融化的材料以等離子體煙霧的形式蒸發(fā)掉。根據(jù)被加工材料的不同，加工過(guò)程會(huì)產(chǎn)生有毒氣體，這就需要進(jìn)行有效的氣體收集和洗滌系統(tǒng)，例如活性碳過(guò)濾器。

JPSA與美國(guó)麻省理工學(xué)院合作創(chuàng)造一種用于藥物治療研究的新型肝臟芯片生物反應(yīng)器。
這種、聚酰亞胺器件采用受激準(zhǔn)分子激光系統(tǒng)加工。每個(gè)300平方微米的平
板上有25個(gè)穿透的孔，共20平方微米，這些孔使得該器件可以模擬血流。

受激準(zhǔn)分子激光用于打盲孔是非常有效的。由于脈沖間穩(wěn)定性很高，用受激準(zhǔn)分子激光打盲孔或開鑿微米級(jí)槽，其深度和寬度的精度為±3微米(某些時(shí)候可以達(dá)到亞微米精度)。這種精確的深度控制還使得受激準(zhǔn)分子激光可以在針的一側(cè)打孔或做橢圓形。采用深度控制方法，即使采用激光在針的一側(cè)打孔，也不會(huì)影響針的另一側(cè)。也可以用于去除選定的物質(zhì)，例如，從涂層導(dǎo)管上去除指定部分的塑料，但不損壞塑料下面的金屬。 #p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

由于受激準(zhǔn)分子激光的氣體組成之一是氟，而氟是有毒氣體，因而需要有效的氣體處理協(xié)議。因?yàn)榘踩颍@些氣體是儲(chǔ)存在激光系統(tǒng)外良好通風(fēng)的地方，受監(jiān)控的氣體箱放在工廠外，JPSA的設(shè)備就是這樣的。

另一方面，DPSS激光有很高的重復(fù)率和作為其特色的低操作成本。不像受激準(zhǔn)分子激光，DPSS激光可以把激光直徑聚焦成很小。小光斑與高脈沖頻率(DPSS為50,000 Hz，受激準(zhǔn)分子激光為400 Hz)結(jié)合在一起，使得DPSS激光在快速切削(切片或切割)工藝方面的效率更高。用DPSS激光加工的構(gòu)件轉(zhuǎn)角半徑大小相當(dāng)于光斑直徑，最小達(dá)2.5微米。在對(duì)轉(zhuǎn)角加工要求較高的應(yīng)用中，通常用帶掩膜的受激準(zhǔn)分子激光。

圓柱形氧化鋁構(gòu)件上的槽是用單個(gè)鉆臺(tái)鉆出來(lái)
的，而紫外激光則對(duì)30微米寬的槽進(jìn)行“車削加工”

激光類型、波長(zhǎng)和能量密度的選擇主要取決于材料、構(gòu)件形狀和零件厚度。通常，較短的波長(zhǎng)(例如一些受激準(zhǔn)分子激光波長(zhǎng)短到157納米)用于清除某些物質(zhì)和基于特氟龍的物質(zhì)時(shí)效果很好，而較長(zhǎng)的波長(zhǎng)更適合于陶瓷、金屬和某些聚合體。

打孔問(wèn)題

毛剌幾乎是每一種制孔工藝都會(huì)遇到的問(wèn)題。“毛剌”是紫外激光加工過(guò)程產(chǎn)生的，盡管手指甲感覺(jué)不到，但它還是會(huì)影響生物醫(yī)學(xué)設(shè)備的性能。在激光加工過(guò)程中，轉(zhuǎn)變成等離子并從表面去除掉的材料會(huì)快速冷卻成固態(tài)。如果沒(méi)有被這些激光系統(tǒng)的抽真空設(shè)備收集起來(lái)，這些物質(zhì)會(huì)在被加工構(gòu)件的四周冷凝下來(lái)。冷凝下來(lái)的物質(zhì)只有幾微米高，但對(duì)于25微米直徑的孔來(lái)說(shuō)是不小的。我們可以在被加工物件上加一個(gè)保護(hù)性涂層來(lái)限制這種冷凝效應(yīng)。換句話說(shuō)，冷凝物質(zhì)可以用二次電拋光或化學(xué)處理的方式去除掉。

幾乎任何激光加工的構(gòu)件都存在錐形。對(duì)于典型的激光加工工藝，錐角在4度半角到15度半角之間。0度孔可用復(fù)雜的方法加工出來(lái)，這種復(fù)雜的方法需要管理激光能量密度和連續(xù)改變光束的聚焦點(diǎn)(本質(zhì)上就是把焦點(diǎn)調(diào)整到孔內(nèi))，但是這種辦法很費(fèi)時(shí)，因而成本很高。

如圖所示，生產(chǎn)用紫外激光系統(tǒng)的大小相當(dāng)于一個(gè)小型垂直加工中心。
必須對(duì)激光加工工藝的副產(chǎn)品有毒氣體進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚怼?/FONT>