文/MKS çSpectra-Physics

適用于醫(yī)療器械應(yīng)用的鎳鈦合金

我們知道一些金屬合金會(huì)表現(xiàn)出超彈性和形狀記憶行為。形狀記憶合金 (SMA) 之所以具備這些獨(dú)特的材料屬性, 是因?yàn)槠淠軌蛟谑艿綔囟茸兓��?或外部負(fù)荷時(shí)，經(jīng)歷馬氏體與奧氏體之間的相變, 并在這些因素逆轉(zhuǎn)時(shí)恢復(fù)。由幾乎相同比例的鎳和鈦組成的鎳鈦合金, 是一種具有極高生物相容性的形狀記憶合金, 這很大程度上得益于其出色的耐腐蝕性。

鎳鈦合金獨(dú)特的屬性，使其非常適合用于神經(jīng)與血管支架、心臟瓣膜框架和正畸弓絲等現(xiàn)代可植入醫(yī)療器械。

鎳鈦合金的加工挑戰(zhàn)

醫(yī)療器械技術(shù)的這些進(jìn)步得以成為可能, 不僅是由于鎳鈦合金的使用, 還得益于用于制造這些器械的最先進(jìn)的激光技術(shù)的進(jìn)步。超短脈沖激光技術(shù)的使用尤其大有裨益, 因?yàn)樾螤钣洃浶��?yīng)對(duì)器械制造 (即切割) 過程中的材料發(fā)熱非常敏感。

很多早期的基于鎳鈦合金的醫(yī)療植入物，是使用更長(zhǎng)脈沖寬度的激光器制造的，在使用中出現(xiàn)了體內(nèi)斷裂的情況, 這很可能是因?yàn)椴牧掀�勞和后續(xù)的破裂。鎳鈦合金對(duì)器械制造過程中產(chǎn)生的過度加熱非常敏感, 這使得飛秒激光技術(shù)成為加工鎳鈦合金的理想選擇, 尤其是在先進(jìn)醫(yī)療器械制造對(duì)質(zhì)量有嚴(yán)苛要求的情況下。

飛秒激光的優(yōu)勢(shì)

針對(duì)醫(yī)療器械制造應(yīng)用，在切割鎳鈦合金時(shí)， 需要滿足一些重要的要求：包括切口寬度窄、 縱橫比大、對(duì)周圍材料的熱效應(yīng)低以及產(chǎn)能高。為了解激光加工參數(shù)對(duì)實(shí)現(xiàn)以上要求的限制, MKS Spectra-Physics®工業(yè)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室開展了一項(xiàng)研究。實(shí)驗(yàn)室使用Spirit HE 1040-16工業(yè)飛秒激光系統(tǒng), 在不同的脈沖能量、脈沖重復(fù)頻率 (PRF)、脈沖持續(xù)時(shí)間和保護(hù)氣體參數(shù)下，對(duì)厚度為0.2mm和0.5mm的鎳鈦合金板進(jìn)行了切割。

研究發(fā)現(xiàn), 切口的質(zhì)量取決于脈沖能量、脈沖重復(fù)頻率和鎳鈦合金板的厚度。板越厚, 需要的脈沖能量就越高, 因此需要的脈沖重復(fù)頻率就越低。對(duì)于 0.2mm厚的材料, 以200kHz和 40µJ進(jìn)行加工是最佳選擇；而0.5mm厚的材料則需要100 kHz和更高的脈沖能量(80µJ)。

研究發(fā)現(xiàn), 由切割速度定義的產(chǎn)能還取決于保護(hù)氣體。與空氣、氮?dú)夂蜌鍤庀啾? 氦氣是總體表現(xiàn)最佳的保護(hù)氣體。使用氦氣時(shí), 以0.8mm/s的速度切割的0.5mm厚的鎳鈦合金板, 切口邊緣沒有任何變黑或熱效應(yīng)。使用氬氣時(shí), 盡管切割速度更快(最高1mm/s), 但切口邊緣的背面質(zhì)量仍出現(xiàn)了變黑的情況。使用空氣和氮?dú)鈺r(shí), 最大切割速度明顯更低, 分別僅為0.3mm/s和0.4mm/s。

采用不同保護(hù)氣體時(shí)的切割速度/質(zhì)量的差異, 可能是因?yàn)楣馐�焦點(diǎn)處等離子體動(dòng)力學(xué)的差異。由于不同氣體的擊穿閾值不同, 不同氣體在焦點(diǎn)處發(fā)生的擊穿強(qiáng)度也不同。圖3 顯示了使用氮?dú)夂秃�氣作為保護(hù)氣體時(shí)，焦點(diǎn)處的擊穿。

使用更長(zhǎng)的脈沖持續(xù)時(shí)間進(jìn)行切割時(shí), 產(chǎn)能和切割質(zhì)量都會(huì)下降。使用最短脈沖寬度可實(shí)現(xiàn)最高的切割速度和最佳切割質(zhì)量。在脈沖寬度為337fs時(shí), 使用氦氣保護(hù)氣體切割厚度為0.5mm鎳鈦合金，實(shí)現(xiàn)了0.8mm/s的切割速度；樣品正面和背面的切割質(zhì)量未出現(xiàn)任何變黑或熱影響區(qū) (HAZ)。相比之下, 使用脈沖寬度為1ps的長(zhǎng)脈沖時(shí), 最大切割速度僅為0.4mm/s, 并且切口邊緣背面變黑；研究人員在使用其他保護(hù)氣體切割時(shí)，也觀察到了相同的趨勢(shì)。

用于醫(yī)療器械制造的鎳鈦合金切割，通常對(duì)切割質(zhì)量和產(chǎn)能具有嚴(yán)苛的要求。在不改變材料獨(dú)特的固有天然屬性的情況下對(duì)材料進(jìn)行加工, 對(duì)更長(zhǎng)脈沖寬度的激光器而言是一項(xiàng) 具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。因此,飛秒激光器非常適合加工采用鎳鈦合金材料的先進(jìn)醫(yī)療器械。憑借短脈沖寬度和高脈沖能量, Spectra-Physics Spirit HE 1040-16工業(yè)飛秒激光器可為各種厚度的鎳鈦合金的高產(chǎn)能、高質(zhì)量加工，提供最佳激光參數(shù)選擇。

Spirit HE激光器

Spirit HE工業(yè)飛秒激光器產(chǎn)品線，可以為需要穩(wěn)定可靠的全天候工作的應(yīng)用提供高能量和高平均功率。Spectra-Physics Spirit激光器采用MKS開發(fā)的二極管直接泵浦技術(shù), 其構(gòu)造簡(jiǎn)單且富有新意, 具有真正無與倫比的性能。

Spirit平臺(tái)具有令人驚嘆的通用性, 可滿足工業(yè)和科學(xué)客戶的各種需求。高平均功率(>30W) 和高脈沖能量(>120µJ)，實(shí)現(xiàn)了具有高產(chǎn)能和卓越性價(jià)比的飛秒微加工應(yīng)用。

Spirit HE激光器的高脈沖能量和寬泛的重復(fù)頻率可調(diào)性(單脈沖~1MHz), 使其成為醫(yī)療器械制造、材料燒蝕和高縱橫比鉆孔應(yīng)用的理想激光源。Spirit HE激光器的所有型號(hào)都提供集成的脈沖選擇器, 提供具有單脈沖選擇能力的完全的激光輸出控制功能, 并能通過模擬輸入信號(hào)實(shí)現(xiàn)快速的功率控制。這樣可簡(jiǎn)化激光器的集成。作為可選項(xiàng), 突發(fā)脈沖串模式可提供更高的燒蝕效率, 從而實(shí)現(xiàn)更高的產(chǎn)能。

圖1：0.2mm 厚的鎳鈦合金切口, 采用不同的PRF, 設(shè)定的平均功率為8W, 切割速度為 2mm/s。

圖2：0.5mm厚的鎳鈦合金切口, 采用不同的切割速度, 保護(hù)氣體為氦氣, PRF=100kHz, 脈沖能量=80µJ。

圖3：使用不同保護(hù)氣體時(shí)的空氣擊穿。

圖4：0.5mm厚的鎳鈦合金切口, 采用脈沖寬度為337fs和1ps的脈沖, 保護(hù)氣體為氦氣, PRF=100kHz, 脈沖能量=80µJ。

圖5：Spectra-Physics Spirit^TM HE 1040-16 高能量工業(yè)飛秒激光器。

表1：Spirit HE系列激光器參數(shù)