光纖激光器技術的不斷進步以及將它們集成到緊湊、節(jié)省空間的光束傳輸系統(tǒng)中，正在使聚合物的打標和焊接在醫(yī)療設備領域開拓出更廣泛的應用。醫(yī)療設備制造商在他們的制造工廠中采用下一代激光工藝時，或是在升級或更換現(xiàn)有激光加工工藝時，會考慮激光打標和激光焊接系統(tǒng)的占地面積。因為許多醫(yī)療器械都是在潔凈室廠房中生產(chǎn)的，相比于傳統(tǒng)的制造工廠，潔凈室的建造和維護相對高昂，因此節(jié)省空間非常重要。
醫(yī)療設備制造商正在越來越多地評估和部署355nm脈沖紫外（UV）光纖激光器，用于廣泛的聚合物打標；同時他們也在采用2μm連續(xù)波（CW）摻銩光纖激光器，用于透明聚合物與透明聚合物之間、以及某些聚合物與金屬之間的焊接應用。
聚合物的激光打標
傳統(tǒng)的聚合物打標主要使用紅外（IR）激光器，或是近紅外（1μm）激光器，或是遠紅外（LWIR；10μm）激光器。由于成本相對較低且可靠性高，這些類型的激光器（包括1μm光纖激光器和二極管泵浦的固體激光器和10μm的CO2激光器）一般是通過一種被稱為碳化的熱化學激光工藝，在聚合物材料上產(chǎn)生黑色或灰色的標記。碳化激光打標過程通常會產(chǎn)生大量的激光煙塵和其他碎片，需要設計良好的激光排煙裝置，以產(chǎn)生可接受的打標效果。這種打標方式通常需要后序的清潔處理，以去除粘附在聚合物表面的煙塵顆粒。
CO2激光器也經(jīng)常被用在不同的激光打標工藝中，這種工藝通常被稱為激光起泡效應，從而在硬塑料上形成凸起的標記。在這種工藝中，激光束加熱材料表面，并在表面附近被加熱的材料中產(chǎn)生氣泡，進而形成一個凸起和固化的光標記，其與周圍無標記的材料之間形成良好的對比度。這種長波長的熱激光打標工藝在消費電子設備、汽車零部件、包裝等各種工業(yè)生產(chǎn)中被廣泛采用。
相比于傳統(tǒng)的紅外聚合物打標工藝，聚合物的紫外激光打標是一種光化學打標工藝，其取決于這些紫外激光器比傳統(tǒng)的近紅外和遠紅外打標激光器所具有的更高光子能量。入射的聚焦紫外激光，會在非常接近表面的一個深度區(qū)域內被材料吸收，從而能在一個高效的“冷”打標工藝中，產(chǎn)生高對比度的標記。這種“冷”打標工藝的一大優(yōu)點是：以最小的相鄰區(qū)域變色或最小的熱影響區(qū)，形成直觀清晰的字符和圖案。這種標記一般是在表面下形成的，加工過程對部件的光潔度和/或外部美觀度沒有任何影響。
上個世紀90年代末，采用三硼酸鋰（LBO）作為倍頻晶體的三倍頻調Q二極管泵浦釹激光器的發(fā)展，進一步促進了聚合物材料的紫外打標應用的增加，紫外激光器開始取代聚合物打標市場中的準分子激光器和紅外激光器。紫外激光器展示了它們在不使用添加劑的情況下，在廣泛的聚合物上打標的能力，這些聚合物包括聚碳酸酯（PC）、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）、硅樹脂、高密度聚乙烯（HDPE）、聚醚醚酮（PEEK）。
高分子醫(yī)療器械的紫外激光打標
最近光纖激光器技術的快速進步，已經(jīng)實現(xiàn)了高可靠性的脈沖紫外光纖激光器，它們具有非常緊湊的結構，并能以高脈沖重復頻率（>100kHz）和短納秒脈寬，提供合適的單脈沖能量用于聚合物的有效打標。[1]脈沖光纖激光器眾所周知的優(yōu)點包括：卓越的可靠性和較低的綜合運行成本，這使其能在許多細分市場中取代傳統(tǒng)的燈泵和二極管泵浦的調Q固體激光器?，F(xiàn)在這些優(yōu)點正在促使光纖激光器在紫外激光打標機中被快速采用，包括面向醫(yī)療設備市場的聚合物打標。將脈沖紫外光纖激光器與具有紫外f-theta掃描鏡的振鏡掃描系統(tǒng)相結合，形成易于操作的紫外激光打標系統(tǒng)，為醫(yī)療設備制造商提供了一種適合他們的生產(chǎn)設施的頗具吸引力的、隨時能運用的緊湊打標系統(tǒng)。
IPG公司的紫外激光打標產(chǎn)品（見圖1）就是上述趨勢的一個例子，其具有一臺連接到光學掃描頭的激光器。光學掃描頭的尺寸為407mm×149mm×127mm。標準配置產(chǎn)生3W的平均輸出功率，脈寬1.5ns，脈沖輸出頻率(10-300)kHz，波長355nm。光學掃描頭具有12mm的通光孔徑和<0.1ms的跟蹤延遲。當配備焦距（FL）170mm的掃描鏡時，到工件的工作距離為216mm，掃描面積為105mm×105mm，標稱聚焦光斑尺寸直徑為17μm（1/e2測量）。還可以提供焦距為110mm和250mm的掃描鏡選項。
圖2中給出了使用IPG公司的紫外激光打標系統(tǒng)產(chǎn)生的2D條形碼打標的光學顯微圖像（20X放大），這是醫(yī)療器械制造中使用的ABS材料的高質量打標。紫外打標使用能量10μJ的激光輸出，輸出頻率200kHz（2W）、打標速度1000mm/s，產(chǎn)生淺黑色標記。使用類似的激光工藝參數(shù)，也可以在ABS/PC醫(yī)用管上獲得非常相似的打標質量。
圖3中顯示了在Lexan材料（聚碳酸酯樹脂熱塑性塑料）上產(chǎn)生的深灰色字母數(shù)字和2D條形碼標記的顯微圖像（20X放大）。打標過程的參數(shù)設置為脈沖頻率60kHz（0.6W），脈沖能量10μJ，打標速度250mm/s。
最近報道了使用2μm銩光纖激光器焊接聚合物與金屬、焊接聚合物與聚合物的一些優(yōu)勢。[2-4]波長1064～1070nm的摻鐿光纖激光器，已用于將透明聚合物焊接到深色聚合物上，或是需要添加特殊材料的焊接場合，用以改善被焊接的一種或兩種聚合物的吸收情況。
2μm光纖激光器的輸出光，能直接被許多聚合物吸收，實現(xiàn)透明聚合物與透明聚合物之間、以及其他顏色聚合物之間的有效焊接。由于焊接兩側的加熱更加均勻，所以對夾具的要求相對寬松。使用銩光纖激光器焊接，通常是將激光輸出光束耦合到振鏡掃描激光工作站中，工作站中具有專門針對2μm連續(xù)輸出功率（功率范圍通常在50~200W）的光學元件。焊縫寬度通常在0.1~0.5mm的范圍內。
利用銩光纖激光器進行聚合物焊接的一個重要新興應用是醫(yī)療器械的連接。很多聚合物材料都能使用2μm激光實現(xiàn)成功焊接，包括HDPE、LDPE、聚乙烯、聚碳酸酯、環(huán)烯烴共聚物（COC）和聚氨酯，如Tecothane（一種熱塑性聚氨酯）。這些聚合物被廣泛應用于微流體裝置、導管、通用管、醫(yī)院材料和短期植入物。
最近的搭接焊接聚合物樣品的剪切試驗，顯示了與原始的未焊接材料的剪切強度相當?shù)钠茐妮d荷（見圖4）。
光纖激光器技術的進步繼續(xù)推動新應用的涌現(xiàn)。紫外脈沖光纖激光器和2μm銩光纖激光器，正在增加光纖激光器在聚合物醫(yī)療設備制造中的使用量，并推動了新的應用和光束傳輸技術在這個市場領域的發(fā)展。
參考文獻
1. B. Baird, “Nanosecond and picosecond laser marking of medical devices,” International Medical Devices Conference and EXPO 2018 Processes for Device Manufacturing.
2. B. Baird, “Welding polymer tubing and welding polymer tubing directly to metals using fiber lasers,” Medical Tubing Conference 2017.
3. V. Kancharla, M. Mendes, M. Grupp, and B. Baird, “Recent advances in fiber laser welding,” Industrial Laser Solutions, 33, 3, 11–16 (May/June 2018).
4. L. Gomez, “Laser welding of medical device polymers,” International Medical Devices Conference and EXPO 2018 Processes for Device Manufacturing.
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