文/MKS çSpectra-Physics 适用于医疗器械应用的镍钛合金 我们知道一些金属合金会表现出超弹性和形状记忆行为。形状记忆合金 (SMA) 之所以具备这些独特的材料属性, 是因为其能够在受到温度变化和/或外部负荷时,经历马氏体与奥氏体之间的相变, 并在这些因素逆转时恢复。由几乎相同比例的镍和钛组成的镍钛合金, 是一种具有极高生物相容性的形状记忆合金, 这很大程度上得益于其出色的耐腐蚀性。 镍钛合金独特的属性,使其非常适合用于神经与血管支架、心脏瓣膜框架和正畸弓丝等现代可植入医疗器械。 镍钛合金的加工挑战 医疗器械技术的这些进步得以成为可能, 不仅是由于镍钛合金的使用, 还得益于用于制造这些器械的最先进的激光技术的进步。超短脉冲激光技术的使用尤其大有裨益, 因为形状记忆效应对器械制造 (即切割) 过程中的材料发热非常敏感。 很多早期的基于镍钛合金的医疗植入物,是使用更长脉冲宽度的激光器制造的,在使用中出现了体内断裂的情况, 这很可能是因为材料疲劳和后续的破裂。镍钛合金对器械制造过程中产生的过度加热非常敏感, 这使得飞秒激光技术成为加工镍钛合金的理想选择, 尤其是在先进医疗器械制造对质量有严苛要求的情况下。 飞秒激光的优势 针对医疗器械制造应用,在切割镍钛合金时, 需要满足一些重要的要求:包括切口宽度窄、 纵横比大、对周围材料的热效应低以及产能高。为了解激光加工参数对实现以上要求的限制, MKS Spectra-Physics®工业应用实验室开展了一项研究。实验室使用Spirit HE 1040-16工业飞秒激光系统, 在不同的脉冲能量、脉冲重复频率 (PRF)、脉冲持续时间和保护气体参数下,对厚度为0.2mm和0.5mm的镍钛合金板进行了切割。 研究发现, 切口的质量取决于脉冲能量、脉冲重复频率和镍钛合金板的厚度。板越厚, 需要的脉冲能量就越高, 因此需要的脉冲重复频率就越低。对于 0.2mm厚的材料, 以200kHz和 40µJ进行加工是最佳选择;而0.5mm厚的材料则需要100 kHz和更高的脉冲能量(80µJ)。 研究发现, 由切割速度定义的产能还取决于保护气体。与空气、氮气和氩气相比, 氦气是总体表现最佳的保护气体。使用氦气时, 以0.8mm/s的速度切割的0.5mm厚的镍钛合金板, 切口边缘没有任何变黑或热效应。使用氩气时, 尽管切割速度更快(最高1mm/s), 但切口边缘的背面质量仍出现了变黑的情况。使用空气和氮气时, 最大切割速度明显更低, 分别仅为0.3mm/s和0.4mm/s。 采用不同保护气体时的切割速度/质量的差异, 可能是因为光束焦点处等离子体动力学的差异。由于不同气体的击穿阈值不同, 不同气体在焦点处发生的击穿强度也不同。图3 显示了使用氮气和氦气作为保护气体时,焦点处的击穿。 使用更长的脉冲持续时间进行切割时, 产能和切割质量都会下降。使用最短脉冲宽度可实现最高的切割速度和最佳切割质量。在脉冲宽度为337fs时, 使用氦气保护气体切割厚度为0.5mm镍钛合金,实现了0.8mm/s的切割速度;样品正面和背面的切割质量未出现任何变黑或热影响区 (HAZ)。相比之下, 使用脉冲宽度为1ps的长脉冲时, 最大切割速度仅为0.4mm/s, 并且切口边缘背面变黑;研究人员在使用其他保护气体切割时,也观察到了相同的趋势。 用于医疗器械制造的镍钛合金切割,通常对切割质量和产能具有严苛的要求。在不改变材料独特的固有天然属性的情况下对材料进行加工, 对更长脉冲宽度的激光器而言是一项 具有挑战性的任务。因此,飞秒激光器非常适合加工采用镍钛合金材料的先进医疗器械。凭借短脉冲宽度和高脉冲能量, Spectra-Physics Spirit HE 1040-16工业飞秒激光器可为各种厚度的镍钛合金的高产能、高质量加工,提供最佳激光参数选择。 Spirit HE激光器 Spirit HE工业飞秒激光器产品线,可以为需要稳定可靠的全天候工作的应用提供高能量和高平均功率。Spectra-Physics Spirit激光器采用MKS开发的二极管直接泵浦技术, 其构造简单且富有新意, 具有真正无与伦比的性能。 Spirit平台具有令人惊叹的通用性, 可满足工业和科学客户的各种需求。高平均功率(>30W) 和高脉冲能量(>120µJ),实现了具有高产能和卓越性价比的飞秒微加工应用。 Spirit HE激光器的高脉冲能量和宽泛的重复频率可调性(单脉冲~1MHz), 使其成为医疗器械制造、材料烧蚀和高纵横比钻孔应用的理想激光源。Spirit HE激光器的所有型号都提供集成的脉冲选择器, 提供具有单脉冲选择能力的完全的激光输出控制功能, 并能通过模拟输入信号实现快速的功率控制。这样可简化激光器的集成。作为可选项, 突发脉冲串模式可提供更高的烧蚀效率, 从而实现更高的产能。
图1:0.2mm 厚的镍钛合金切口, 采用不同的PRF, 设定的平均功率为8W, 切割速度为 2mm/s。
图2:0.5mm厚的镍钛合金切口, 采用不同的切割速度, 保护气体为氦气, PRF=100kHz, 脉冲能量=80µJ。
图3:使用不同保护气体时的空气击穿。
图4:0.5mm厚的镍钛合金切口, 采用脉冲宽度为337fs和1ps的脉冲, 保护气体为氦气, PRF=100kHz, 脉冲能量=80µJ。
图5:Spectra-Physics SpiritTM HE 1040-16 高能量工业飞秒激光器。 表1:Spirit HE系列激光器参数
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