飞秒激光器进行医疗器械制造切割的优势
作者：武汉新特光电技术有限公司
来源：Coherent高意激光
时间：2023-04-24
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光纤激光器成本相对较低，功率可扩展，并且可靠性高，多年来一直在医疗器械制造行业的切割和钻孔应用中占据主导地位。飞秒激光器在切割质量方面具有很大优势，但长期以来，它们只争得很小的市场份额。然而，如图所示，Coherent管材切割系统的销售数据表明，这种情况突然间发生了极为快速的转变。我们来看看，与光纤激光器相比，是什么推动了飞秒激光器市场份额的急剧增长。
图1.基于光纤激光器和飞秒激光器的Coherent管材切割系统的相对系统收入
使用飞秒(fs)激光器进行材料加工具有多项独特优势，这一点早已为大众所熟知。对于像光纤激光器这样的传统激光器，其大部分材料相互作用是光热作用，这就会产生热影响区 (HAZ)。在精密应用中，这限制了可以在不熔化的情况下干净加工的零件的最小尺寸，可能导致不可接受的功能或外观损坏，并且通常还需要进行机械后处理工作（例如，去毛刺、手动抛光或铰孔）。相比之下，飞秒激光器提供的脉冲可以短几个数量级，并且峰值功率高很多，可在热量传导给零件之前使材料瞬时蒸发。这种切割精度更高且温度相对更低，可以产生更小的零件而没有重铸碎屑，因此不需要研磨或抛光。此外，这种方法几乎适用于任何材料，包括聚合物/金属涂层等混合材料的零件（见图）。图2.飞秒激光器几乎可以切割任何具有出色边缘质量且无重铸材料的材料。市场对于具有更小、更薄壁组分和更多切割细节的医疗器械（例如外周支架、海波管、微创工具等）的需求不断增长，这极大地推动了飞秒激光加工近期市场份额的增加。我们看到，对于配置为如上图所示的管材切割几何形状的设备来说，其需求情况尤其如此。此外，使用更具挑战性和更昂贵的材料也是重要的推动因素。镁生物可吸收支架就是一个例子，在光纤激光加工后进行后处理可能会将其产量降低50%，而飞秒激光切割则不需要进行后处理。其他行业（例如，显示器/电子器件）也在逐步采用这项技术，这就带来了额外的市场需求，从而进一步推动了激光器制造商开发先进的飞秒激光系统和机器。事实上，飞秒激光器在性能、经济性和可靠性方面已经达到了一个全新的成熟度。功率是一个特别重要的性能参数，因为它直接决定了生产量。Coherent的Monaco系列就属于新一代飞秒激光器，在销售图表涵盖的时间范围内，其最大功率已从不到20 W连续提高至60 W以上。大多数飞秒激光器的每瓦特成本最近也有所下降。因此，这些激光器不仅可以帮助提高产量，还可以降低单个零件的成本。早期的Monaco型号已经在要求严苛的全天候生产环境中应用了数年时间，突显了飞秒激光器具有更高的可靠性，进而有助于降低总体拥有成本。再加上消除机械后处理步骤所实现的成本节省，这对于一些精密切割任务来说，可谓非常经济实惠。诚然，大多数医疗器械制造商想要的并不仅仅是一台激光器，而是一套完整的激光系统。实现这一愿景的最后一步便是先进的飞秒激光器的上市。飞秒激光器可以实现精简的自动化部件处理和监测，同时还配有易于使用的软件，不需要大量培训或专业知识即可上手。这让用户可以灵活地在小批量的不同设备之间快速切换，或在无人值守的情况下长时间运行大容量组件。Coherent的StarCut Tube系列机器就是一个例子，其结合了全新的操作软件：Coherent的FrameWork激光软件。归根结底：是选择光纤激光器还是飞秒激光器，抑或二者都选？
如今，对于医疗器械制造行业的任何人来说，购买新机器的一大难题就是要在飞秒激光器和光纤激光器之中作出抉择。光纤激光器还有一项主要优势，即能够实现更快切割和切割较厚的部件，因为它具有更高的可用功率。然而，对于较薄的部件，由于需要降低重复频率并避免累积热损伤，功率和速度优势往往会大打折扣。所以，归根结底，选择哪种激光器最合适实际上取决于具体的应用场景。正因为此，对于切割医疗器械所用的全新激光器，现在既可以选择飞秒激光器，也可以选择光纤激光器，甚至还可以混合使用这两种激光器。有了后一种选项，用户可以在这两种激光器之间无缝切换，即使在单个作业中也是如此，因为有些情况下使用光纤激光器进行切割可能比使用飞秒激光器更经济（反之亦然）。
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