logo

飞秒激光加工正在工业应用领域繁荣发展

文/Roland Woelzlein,Thomas Schreiner

飞秒激光器性能的提升和成本的下降,以及医疗设备和其他精密产品对优质切割质量日益增长的需求,将有助于将飞秒激光加工的独特优势从一种有前途的方法转变为一种生产工具。

飞秒激光器 Vs. 光纤激光器

飞秒激光切割正在各种生产环境中迅速成为一种有价值的生产工具。图1中的销售数据证明了这一点;图中显示,2019年至2020年间,飞秒激光产品的销售大幅增长,甚至超过了光纤激光器。为什么会出现这种情况呢?

图1:相干公司基于光纤激光器和飞秒激光器的管切割机的收入情况。

有四个主要因素促成了从长脉冲(如光纤)激光加工向飞秒激光加工的转变:

飞秒激光加工的边缘质量优越;

飞秒系统总体成本的提高已经达到了经济临界点;

对只能用飞秒激光切割或切割得更好的器件的需求不断增长;

更易于使用的交钥匙型飞秒系统,具有直观、用户友好的图形用户界面(GUI)。

使用飞秒激光器进行材料加工的独特优势,早已众所周知。在使用微秒和纳秒激光器的传统材料加工中,激光与材料的主要相互作用是光热作用,这会形成热影响区(HAZ)。在精密加工应用中,这限制了能够不产生熔化、干干净净加工的最小特征尺寸。它还会对周围材料造成不可接受的功能或外观损坏,通常需要进行机械后处理(如去毛刺、手动抛光或扩孔)。

相比之下,飞秒激光提供的脉冲宽度更短、峰值功率更高的光束,它能在热量传导进入零件之前,就会立即将材料蒸发掉。飞秒脉冲能够加工任何材料,包括聚合物/金属层等混合材料的加工。飞秒激光脉冲加工不会产生重铸碎片,因此切割后不需要再进行研磨/抛光。

同样重要的是,飞秒激光器在性能、经济性和可靠性方面已经达到了一个新的成熟水平。例如,相干公司的Monaco系列,其最大功率已从小于20W持续增加到超过60W。

最近,大多数飞秒激光器的每瓦成本也有所下降,因此这些激光器可以提供更高的吞吐量和更低的单个零件成本。Monaco系列已经在24/7的苛刻生产环境中运行多年,这突显了飞秒激光器可靠性的提高,同时也有助于进一步降低其总体拥有成本。再加上由于消除机械后处理步骤而节省的成本,飞秒激光加工为一些精密切割应用带来了经济转折点。

许多激光加工市场正在推进小型化,要么在不增加总体尺寸的情况下增加功能,要么实现全新的应用。医疗器件(如外围支架和微创工具)具有更小、更薄、切割特征细节多等特点,无疑是推动飞秒激光加工最近获得增长的一个主要因素。切管机对飞秒激光器的需求尤其明显,其他行业也在朝着飞秒技术发展。事实上,目前在电子/显示器领域已经有很多飞秒激光应用案例,包括晶圆划片和OLED切割。此外,某些奢侈品(如瑞士手表)也在使用飞秒激光,通过飞秒加工实现更高细节和精度的零件,使得产品在功能和美学方面都得到改善。

飞秒激光加工市场增长的另一个关键因素是,针对常见任务优化的交钥匙型工业切割和加工系统的可用性。电子、医疗设备和其他精密器件制造商需要完整的解决方案,而不是独立的激光器。灵活、易于使用的软件以及机器灵活性和多功能性,是许多医疗设备应用的关键,针对这类应用,合同制造商通常生产小批量的许多不同的定制器件。在这个市场上,几千个相同零件的订单通常就被认为是大批量订单。因此,机器可以轻松快速地编程,以最大限度地提高整体吞吐量,而无需大量培训或专业知识,这一点至关重要。

先进的医疗器械

医疗器械的生产制造,是推动最近飞秒激光加工需求增长的一个主要因素,它们也很好地概括了飞秒激光市场的发展。在过去,飞秒加工因为成本太高,只有在不能用其他方法加工的情况下,才会选择飞秒加工;而且最初飞秒激光器的功率较低,只能加工非常薄的零件,加工吞吐量也不大。现在,飞秒激光器已经实现了更高的功率、更具吸引力的成本,这使得它们能够越来越多地用于以前使用长脉冲激光器(如光纤激光器)加工的更广泛的领域。

飞秒激光几乎能够加工任何材料(见图2)。飞秒激光器的早期应用是加工生物可吸收支架。随着时间的推移,被身体吸的支架解决了血管再狭窄问题。最初的支架是由有机物制成的,比如聚乳酸(PLLA)。一开始,人们使用绿光皮秒激光器加工支架,但结果并不理想;随后,飞秒激光器很快成为了加工支架的新标准。后来,人们又开发出了可吸收的金属(镁)支架。使用光纤激光加工这种金属支架会产生小金属液滴,需要后序清洗;而清洗环节很容易造成精密支架破裂,导致成品率只有50%。飞秒激光加工随即又成了加工金属支架的标准方法。

图2:飞秒激光几乎可以切割任何材料,并且能够实现优良的边缘质量,无热影响区(HAZ)。

现在,飞秒激光器已经被广泛应用于加工各种医疗器械材料,包括日益流行的镍钛合金(超弹性金属)器件,如支架和瓣膜支架。飞秒激光器的广泛应用,得益于其总体拥有成本的降低,特别是能够减少耗时费力的去毛刺和电解抛光等后序工作,并且能相应地增加产量,减少原材料浪费。飞秒激光加工还避免了使用光纤激光器加工时,因为控制热影响区而需要的湿切割。最新的飞秒激光器提供了更高的可用功率,能够切割更厚的器件,包括比动脉支架更厚的外周静脉支架,以及心脏瓣膜支架(壁厚500~700µm)。

选光纤还是飞秒?或两者兼而有之?

飞秒激光切割正在医疗器械市场快速发展,今天对于任何要购买新机器的人来说,或许最大的问题就是:到底该选飞秒激光器还是选光纤激光器。

光纤激光器的可用功率更高,切割速度会更快,能够切割更厚的零件。但是,对于较薄的零件,由于需要降低重复频率避免累积的热损伤,通常会减弱功率和速度方面的优势。总之,哪种光源才是最佳选择,最终取决于具体的应用。当然,在加工单个工件的过程中,也可能存在有的任务适合用光纤激光器、有的任务适合用飞秒激光器的情况。

这就是为什么用于切割医疗器械的最新激光设备,可以选择飞秒激光器或光纤激光器,或是提供两种激光器的混合选项,相干公司的StarCut Tube系列就是这样的设备。使用这样的设备,用户可以在切割单个工件的过程中切换激光器类型,从而实现最具成本效益的生产。

运行中的系统

Motion Dynamics公司是一家专门生产定制微型弹簧、医疗线圈和医疗器械用金属丝组件的制造商,该公司主要关注用于神经血管手术的复杂配件,包括用于可转向导管装置等应用的高质量金属丝组件的设计、生产和组装。

近几年来,该公司一直在使用相干公司的StarCut Tube飞秒切割设备(见图3)。Motion Dynamics公司总裁Chris Witham表示,“近年来客户需求的提升促使我们采购了第二台机器——这是一款混合型机器,配备了飞秒激光器和光纤激光器,以实现功能性和实用性的最大化。”

他指出,这些机器在加工包括不锈钢、纯金、铂和镍钛合金在内的广泛的金属材料时,都表现良好。

目前受益于飞秒激光加工的其他重要应用包括:晶圆划片和OLED切割。一个有趣的应用是为高端瑞士手表制造小零件。与通常使用管状坯料的医疗器械不同,这些手表零件大部分都是使用专门优化的机器,从平面基板上切割而成的。

瑞士TechnoCut公司是飞秒激光技术的早期采用者。该公司成立于2005年,是一家合同制造商,其业务是利用激光技术为手表行业提供小型零件,主要涉及激光切割和雕刻应用(见图4)。该公司联合创始人兼技术总监Julien Montavon说,选择飞秒激光器是因为它的多功能性。“手表行业使用的材料种类非常广泛,包括由黄铜、铜合金和钢制成的内部零件。手表的表盘面和表链则可能包含各种金属和奇异的非金属,以增加它们的美感、品牌价值和独特性,比如可能用到陶瓷、碳纤维、珍珠母和各种贵金属。

所有这些材料都很容易用飞秒激光切割,通常不需要后序的打磨处理步骤。Montavon表示,目前TechnoCut公司有四台在用的飞秒激光切割机。

现在,飞秒激光加工是工业激光市场中一个快速增长的部分。虽然飞秒激光器的优势早已众所周知,但是最近其总体拥有成本的降低和更高的可用功率,使其成为了许多重要且多样化的切割和加工应用的青睐之选。

版权声明:
《工业激光应用》网站的一切内容及解释权皆归《工业激光应用》杂志社版权所有,未经书面同意不得转载,违者必究!
《工业激光应用》杂志社。
调查问卷期刊订阅