高效光纤激光器为医疗器械制造领域带来创新

来源:荣格国际工业激光商情

发布时间:2019年8月28日下午 10:08:44

光纤激光器技术的不断进步以及将它们集成到紧凑、节省空间的光束传输系统中,正在使聚合物的打标和焊接在医疗设备领域开拓出更广泛的应用。医疗设备制造商在他们的制造工厂中采用下一代激光工艺时,或是在升级或更换现有激光加工工艺时,会考虑激光打标和激光焊接系统的占地面积。因为许多医疗器械都是在洁净室厂房中生产的,相比于传统的制造工厂,洁净室的建造和维护相对高昂,因此节省空间非常重要。
 
医疗设备制造商正在越来越多地评估和部署355nm脉冲紫外(UV)光纤激光器,用于广泛的聚合物打标;同时他们也在采用2μm连续波(CW)掺铥光纤激光器,用于透明聚合物与透明聚合物之间、以及某些聚合物与金属之间的焊接应用。
 
聚合物的激光打标
 
传统的聚合物打标主要使用红外(IR)激光器,或是近红外(1µm)激光器,或是远红外(LWIR;10µm)激光器。由于成本相对较低且可靠性高,这些类型的激光器(包括1µm光纤激光器和二极管泵浦的固体激光器和10µm的CO2激光器)一般是通过一种被称为碳化的热化学激光工艺,在聚合物材料上产生黑色或灰色的标记。碳化激光打标过程通常会产生大量的激光烟尘和其他碎片,需要设计良好的激光排烟装置,以产生可接受的打标效果。这种打标方式通常需要后序的清洁处理,以去除粘附在聚合物表面的烟尘颗粒。
 
 
CO2激光器也经常被用在不同的激光打标工艺中,这种工艺通常被称为激光起泡效应,从而在硬塑料上形成凸起的标记。在这种工艺中,激光束加热材料表面,并在表面附近被加热的材料中产生气泡,进而形成一个凸起和固化的光标记,其与周围无标记的材料之间形成良好的对比度。这种长波长的热激光打标工艺在消费电子设备、汽车零部件、包装等各种工业生产中被广泛采用。
 
相比于传统的红外聚合物打标工艺,聚合物的紫外激光打标是一种光化学打标工艺,其取决于这些紫外激光器比传统的近红外和远红外打标激光器所具有的更高光子能量。入射的聚焦紫外激光,会在非常接近表面的一个深度区域内被材料吸收,从而能在一个高效的“冷”打标工艺中,产生高对比度的标记。这种“冷”打标工艺的一大优点是:以最小的相邻区域变色或最小的热影响区,形成直观清晰的字符和图案。这种标记一般是在表面下形成的,加工过程对部件的光洁度和/或外部美观度没有任何影响。
 
上个世纪90年代末,采用三硼酸锂(LBO)作为倍频晶体的三倍频调Q二极管泵浦钕激光器的发展,进一步促进了聚合物材料的紫外打标应用的增加,紫外激光器开始取代聚合物打标市场中的准分子激光器和红外激光器。紫外激光器展示了它们在不使用添加剂的情况下,在广泛的聚合物上打标的能力,这些聚合物包括聚碳酸酯(PC)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、硅树脂、高密度聚乙烯(HDPE)、聚醚醚酮(PEEK)。
 
高分子医疗器械的紫外激光打标
 
最近光纤激光器技术的快速进步,已经实现了高可靠性的脉冲紫外光纤激光器,它们具有非常紧凑的结构,并能以高脉冲重复频率(>100kHz)和短纳秒脉宽,提供合适的单脉冲能量用于聚合物的有效打标。[1]脉冲光纤激光器众所周知的优点包括:卓越的可靠性和较低的综合运行成本,这使其能在许多细分市场中取代传统的灯泵和二极管泵浦的调Q固体激光器。现在这些优点正在促使光纤激光器在紫外激光打标机中被快速采用,包括面向医疗设备市场的聚合物打标。将脉冲紫外光纤激光器与具有紫外f-theta扫描镜的振镜扫描系统相结合,形成易于操作的紫外激光打标系统,为医疗设备制造商提供了一种适合他们的生产设施的颇具吸引力的、随时能运用的紧凑打标系统。
 
IPG公司的紫外激光打标产品(见图1)就是上述趋势的一个例子,其具有一台连接到光学扫描头的激光器。光学扫描头的尺寸为407mm×149mm×127mm。标准配置产生3W的平均输出功率,脉宽1.5ns,脉冲输出频率(10-300)kHz,波长355nm。光学扫描头具有12mm的通光孔径和<0.1ms的跟踪延迟。当配备焦距(FL)170mm的扫描镜时,到工件的工作距离为216mm,扫描面积为105mm×105mm,标称聚焦光斑尺寸直径为17μm(1/e2测量)。还可以提供焦距为110mm和250mm的扫描镜选项。
 
图 1:IPG 公司的紫外光纤激光打标系统,具有一台连接到光学扫描头的激光器。
 
图2中给出了使用IPG公司的紫外激光打标系统产生的2D条形码打标的光学显微图像(20X放大),这是医疗器械制造中使用的ABS材料的高质量打标。紫外打标使用能量10μJ的激光输出,输出频率200kHz(2W)、打标速度1000mm/s,产生浅黑色标记。使用类似的激光工艺参数,也可以在ABS/PC医用管上获得非常相似的打标质量。
 
图 2:利用 紫外光纤激光在 ABS 上打标的实例。
 
图3中显示了在Lexan材料(聚碳酸酯树脂热塑性塑料)上产生的深灰色字母数字和2D条形码标记的显微图像(20X放大)。打标过程的参数设置为脉冲频率60kHz(0.6W),脉冲能量10µJ,打标速度250mm/s。
 
图 3:利用铥光纤激 光器焊接聚合物
 
最近报道了使用2μm铥光纤激光器焊接聚合物与金属、焊接聚合物与聚合物的一些优势。[2-4]波长1064~1070nm的掺镱光纤激光器,已用于将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场合,用以改善被焊接的一种或两种聚合物的吸收情况。
 
2μm光纤激光器的输出光,能直接被许多聚合物吸收,实现透明聚合物与透明聚合物之间、以及其他颜色聚合物之间的有效焊接。由于焊接两侧的加热更加均匀,所以对夹具的要求相对宽松。使用铥光纤激光器焊接,通常是将激光输出光束耦合到振镜扫描激光工作站中,工作站中具有专门针对2μm连续输出功率(功率范围通常在50~200W)的光学元件。焊缝宽度通常在0.1~0.5mm的范围内。
 
利用铥光纤激光器进行聚合物焊接的一个重要新兴应用是医疗器械的连接。很多聚合物材料都能使用2μm激光实现成功焊接,包括HDPE、LDPE、聚乙烯、聚碳酸酯、环烯烃共聚物(COC)和聚氨酯,如Tecothane(一种热塑性聚氨酯)。这些聚合物被广泛应用于微流体装置、导管、通用管、医院材料和短期植入物。
 
最近的搭接焊接聚合物样品的剪切试验,显示了与原始的未焊接材料的剪切强度相当的破坏载荷(见图4)。
 
图 4:0.02 英寸厚的透明聚合物 Tecothane 的搭接焊拉力测试。
 
光纤激光器技术的进步继续推动新应用的涌现。紫外脉冲光纤激光器和2μm铥光纤激光器,正在增加光纤激光器在聚合物医疗设备制造中的使用量,并推动了新的应用和光束传输技术在这个市场领域的发展。
 
参考文献
 
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.

 

 

作者:Brian Baird,IPG 公司高级应用工程经理

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