聚合物材料加工为医疗设备制造商带来了独特的挑战。它要求在热敏材料上以极高的精度形成特征，同时仍能保持其化学和机械完整性。
激光已成为医疗器械生产中各种聚合物焊接、切割、钻孔、打标和表面纹理加工不可或缺的工具。激光在聚合物微加工方面具有多种优势，包括可避免机械变形的非接触式加工，以及以微米级精度去除材料的能力。
(A)使用纳秒激光加工的聚碳酸酯盲盘边缘出现过度熔化。
(B)使用超快激光加工的聚碳酸酯盲盘边缘几乎没有熔化现象。
聚合物加工最常用的两种技术是纳秒脉冲 激光器和超快脉冲激光器（也称为超短激光器）。虽然超快激光器可提供无与伦比的质量，但成本较高，加工速度较慢。
相比之下，纳秒激光能以更经济的价格提供更高速的加工。但它们往往会产生较大的热影响区（HAZ），难以达到相同的精度水平。
这意味着制造商必须选择合适的激光器，以最大限度地提高特定聚合物加工任务的质量、产量和成本效益。在此，我们将学习如何做到这一点。
聚合物加工挑战
聚合物是现代医疗设备的基本材料，因为它们兼具理想的机械性能、耐化学性和生物相容性。 - 而且成本效益高。此外，它们的物理特性可以通过工程设计来优化，以满足特定用途的需要。
但这些特性也使高精度制造变得复杂。以下是最广泛应用于医疗设备的聚合物所带来的一些挑战。
PEEK 和 PTFE（聚四氟乙烯）： 这些材料具有耐化学性和热稳定性，但很难加工干净。尤其是聚四氟乙烯，由于其惰性和吸光性，可抵挡大多数激光波长。
聚乙烯和聚氨酯： 聚乙烯和聚氨酯对热敏感，长时间暴露在激光能量下容易熔化、烧焦或变形。
Pebax® ： Pebax® 和类似材料被广泛用于柔性管材，但易受热影响，导致拉伸和变形，使微细加工任务复杂化。
Kapton®（聚酰亚胺）： Kapton® 和其他聚酰亚胺可用于多层/柔性电路。激光切割可用于制造无毛刺的边缘，以防止脱膜或电介质损坏，但粘合剂夹层会增加烧焦的风险。
无论使用哪种聚合物，激光加工的首要问题都是最大限度地减少热影响区（HAZ）、避免碎屑和烟雾，以及确保边缘清洁以保证设备性能可靠。
激光与聚合物的相互作用
优化结果的关键在于使激光参数与材料特性相匹配。而不同材料的特性差异很大。
第一步是了解激光与这些材料相互作用的基本物理原理。激光与材料的相互作用主要由功率、脉冲持续时间、波长和材料吸收特性决定。与金属、半导体或陶瓷相比，聚合物的这些相互作用有很大不同。
纳秒（十亿分之一秒）脉冲持续时间的激光能在足够长的时间内传递能量，使热量扩散到周围材料中。这对金属来说是可以接受的，因为金属的自由电子使其能够轻易地传导和散热而不受损害。
然而，聚合物缺乏这些自由电子，是不良的热导体。在长时间加热的情况下，它们容易降解、熔化或变色。因此，纳秒脉冲会导致边缘熔化和回流，从而产生毛刺、碎屑和更宽的热影响区。
超快激光器产生的脉冲持续时间在皮秒（万亿分之一秒）或飞秒（四万亿分之一秒）范围内。其能量的引入速度极快，材料在热量传入部件之前就已电离并喷射出来。这就是所谓的 "冷烧蚀 "过程。
由于超快激光能使材料汽化或光解离而不是熔化，因此能显著降低热影响。因此，加工出的特征精度高，边缘整齐，污染极少。
选择合适的激光器
为特定应用选择合适的激光技术需要在质量、速度和成本之间取得平衡。纳秒激光器通常是制造商的默认选择，目的是最大限度地提高产量和降低设备成本。由于这些激光器会产生更多热量，因此更适合聚乙烯和聚氨酯等热敏性较低的聚合物。
纳秒激光器还适用于基本打标或切割等任务，在这些任务中，微小的边缘缺陷或适度的热影响区不会影响设备性能。纳秒激光加工速度快、成本低，因此非常适合速度和成本效益高于微米级精度要求的操作。
超快激光器注重精确性和最小的热影响区。对于 PEEK、Teflon 和 PEBAX 等易碎聚合物，它们尤其有用。这些材料在热能作用下容易变形或污染。超快激光可在这些材料上产生干净、锋利的边缘，几乎没有热影响区，碎片也极少，从而减少或消除了后处理的需要。
然而，超快激光器的优势是有代价的。这些工具成本较高，通常吞吐量较低。这可能会限制它们在大批量生产环境中的可行性。此外，随着脉冲持续时间的缩短，这些折衷通常会变得更加明显--皮秒激光器通常比飞秒激光器更具生产力和经济性。
因此，优化聚合物医疗设备激光加工的关键通常在于选择最长的脉冲持续时间，同时还能满足应用质量要求。对于简单的特征和耐热材料，纳秒激光可能就足够了，而且更经济。但在处理高精度特征、具有挑战性的几何形状或热敏感材料时，超快激光器往往是不可或缺的。
制造商通常会采用混合方法，甚至在同一产品或生产线中也是如此。这就需要在敏感度较低的任务中使用纳秒（甚至连续波）激光器，而将超快激光器留给更关键的功能。这种策略可确保产品质量在最重要的地方不受影响，同时还能在更广泛的工作流程中保持成本和生产效率。
典型聚合物医疗器械应用
目前，医疗设备制造商将激光广泛用于关键聚合物应用领域。例如，超快激光器是在多腔导管中钻出精密孔洞或在诊断平台中形成微流体通道的首选。在这些应用中，微米级精度和热洁净度是必须的。超快激光器的冷烧蚀处理也使其成为血管或神经应用设备的理想选择，在这些应用中，小几何形状和光滑边缘是必不可少的。
纳秒激光常用于切割或修整导管轴等部件。在这种情况下，一定程度的热效应是可以容忍的，而速度则至关重要。它们还广泛用于打标。这包括简单的零件 ID、批次代码或非关键塑料外壳上的徽标。
与其他技术相比，激光在 UDI 打标方面更具优势。目前，纳秒紫外激光器是 UDI 打标的行业主力。相对较短的紫外线波长很容易被塑料吸收，在热应力最小的情况下产生清晰、高对比度的标记。这在持久性、可读性和处理速度之间实现了理想的平衡。
对于高价值应用（表面完整性至关重要）中的 UDI 打标，制造商越来越多地使用超快激光器。超快激光能进行 "冷 "烧蚀，打出的标记能经受多次消毒，并保持可扫描性，不会产生碎屑或损坏。
超快激光和纳秒激光在粘合剂粘合或涂层粘合的表面制备方面也有用武之地。对于大面积纹理加工，纳秒激光器可能就足够了。但对于精细或微调表面，超快激光则能在不损坏材料的情况下实现均匀的效果。
开始使用激光解决方案
聚合物是许多创新医疗设备的支柱，但要按照高标准加工聚合物并非易事。激光技术 - 在与应用正确匹配的情况下，激光技术是精确度、可重复性和清洁度的理想组合。通过了解激光与材料相互作用的细微差别，并战略性地部署纳秒激光和超快激光，制造商可以满足不断提高的质量要求，同时在成本意识日益强烈的行业中保持竞争力。
正在探索用于聚合物医疗设备焊接、切割、钻孔、打标或纹理加工的激光解决方案？入门很简单--发送样品给我们、参观我们的全球应用实验室，或者直接告诉我们您的应用。
