在医用管状工具和组件的制造过程中，精密激光切割是一种理想的技术，能满足其特殊的切割要求。在这里，“外科手术式的精确度”一词恰当地反映了这个新兴领域对工具和设备内边缘锋利的切边、轮廓和纹路的追求。
从用于切割和穿刺活检的手术器械，到含有特殊尖头和侧面开口的针，到柔性内窥镜链节间的连接，激光切割比传统的切割技术能提供更高的精度、质量和更快的加工速度。此外，新的激光切割技术现已面市，比如5轴运动功能, 可以让设计者自由地一次切割出更具挑战性的几何图形。
成功使用该技术的一个关键是正确地将系统的各个部件集成到一个运行顺畅的加工流程中。运动、激光、软件和工具必须共同作用，以获得所期望的最终产品。
图1 配有辅助气体的光纤激光切割机示意图。
激光切割的优点
对于在小管件上做高精度的切割，激光切割是一个不错的选择，因为所使用的激光没有任何物理上形态，也不与材料接触。它不会推、拉或传递力量——那可能会使部分材料弯曲或造成形变，最终对工艺控制造成负面影响。
激光技术还提供了最小的热输入，因其对工作区域的温度有良好的控制。这是很重要的，因为小零件升温迅速，温度过高可能会导致过热或变形。激光切割的聚焦度非常高，可达到25微米左右，相当于人类一缕头发宽度的四分之一。这能实现在切割加工过程中最小化切除材料，并达到极高的精确度和准确度。
激光切割技术对脉冲宽度、功率和焦点尺寸有极其精密的控制。由于激光切割不需要接触部件，因此可以加工出任何形状和形式。而且因为不受物理上切割几何尺寸的限制，可以利用激光切割创造出独特的形状。
针对医疗器械的激光切割系统
现在市场上频繁使用光纤激光切割与气体辅助来制造医疗管件和组件。这意味着，激光由同轴气体（通常是氧气）的“协助”。当选择氧气作为辅助气体时，一些情况下车间空气在过滤后可以加以利用——通常是当加工管件的壁厚度小于0.0001英寸，或切割质量要求不是很高的时候。该技术被用于不锈钢（300和400系列，17-4，17-7），MP35N（钴铬合金钢）和镍钛合金。该方法可用于轴（90 表面）和离轴（角度表面）切割。
高度聚焦的激光被用来熔融薄片状的材料。当材料仍处于熔融的时候，一个与激光同轴的0.02英寸直径的气体喷嘴中会吹出气体，将熔融的材料吹走。通过使用这种不间断的循环熔融过程，生产出所需要的材料特征，然后将熔化的液态金属喷射出去。注意，激光和材料之间需要非常精确地保持距离。
图2 激光切割机正在加工工件的近景。
配有气体辅助的激光切割能够加工出具备高切割质量和高分辨率的切割路径，而这是医用管件和组件制造商最为关心的因素。尺寸精度是测量切割质量的关键——部件是否与标示的精度相匹配？至于其他考虑因素，包括了表面粗糙度（最好小于12微英寸）和无热损伤。
利用激光切割出来的切割宽度可以非常小，小于0.001英寸，而且尺寸精度也极为精确，约±0.0005英寸。这个精度是非常有用的，例如加工某些刀具上的锯齿的时候。人们可以尽量减少或消除在切割部位的底部留下的浮渣或毛刺（它可以互相连接并重新凝固）。这大大降低了后处理所需要的成本。在这个过程中，少量的材料没有被吹走，重铸层厚度小于0.0005英寸。nextpage
图3 在切割0.01英寸厚的不锈钢（304SS）管材时，
没有二次加工情况下典型的切割质量和切边情况。
与其他技术的对比
激光切割的速度和精度与行业内最具竞争力的技术——电火花加工（EDM）相比，毫不逊色。要获得与激光切割机相同的高品质切割，EDM技术最多需要加工4次，这就减慢了整个加工速度。从另一面来看，EDM允许一次处理多个零件。由激光切割机生产的切割宽度可以达到最小0.001英寸，而EDM加工可达到0.004英寸左右。EDM加工的特殊尺寸是有限制的，而且在切割精度方面锐度不够高。
EDM加工过程中还存在着一个局限性，那就是它在加工特定的几何形状时发挥最好，例如对称型的管道。如果在管道的一边有一个孔，而另一边没有，就会出现问题。图4显示了EDM加工和激光切割质量的比较。
图4 EDM（左）加工和激光切割（右）质量的比较。
最后一个问题是占地空间，特别是对于空间狭小的工厂，这很重要。一个典型的EDM加工机床占地10到12平方英尺，而激光切割系统的大小为5至6平方英尺。
市场上的另一种技术是电解加工（ECM），它能通过一个带负电荷的磨料砂轮、电解液和一个带正电的工件加工导电材料。 ECM是一种快速的切割方法，获取的切割质量与EDM类似。在利用ECM加工的过程中，使用的电解液必须根据OSHA（职业安全与卫生条例）进行危险废物处置，并且一些电解质在加工钢材时会生产出六价铬。综上所述，ECM对硬模工具的使用，使得它的灵活性远远低于激光切割。
第三种可用的技术是水射流切割，通过使用高流速和高压力的水射流，或是水和磨料物质的混合物来切削金属。水射流切割机对切割的几何图形有所限制。只有对称的材料或端部切割才比较合适采用这种技术。
五轴联动
新型无创手术器械的爆炸性发展催生了对独特而创新的加工形状的需求。这反过来又需要联动组合，以提供一种新的几何切割方式。这种技术能将一部分工作交给机器去做，又能够为设计者提供自由发挥的空间，完成一些错综复杂的切割任务，使他们能够一次性切割更具挑战性的几何图形。
目前市场上应用的技术之一是由Miyachi Unitek公司生产的一种5轴激光切割系统。其控制软件同时控制激光和联动装置，这两方面的整合提供了一个刚性结构，不产生任何振动。
5轴联动由三个线性轴和两个旋转轴组成。独特的设置给了系统工程师极大的灵活性，可以对特殊部位选择一个最佳的轴向配置，而不必局限于它们位于工件的哪个位置。工程师可以自由组合、匹配并设置轴的组合，使它更适合整个加工过程。例如，设计者可以在部件上放置四个轴，另外一个放置在聚焦头上，或根据应用程序的最佳解决方案操作。
系统集成
利用激光切割医用管状工具和组件有很多好处，但实际上实现这些目标不仅仅取决于系统集成中的一小部分。设计师需要制定一个完整的系统，其中所有的联动、激光、软件和工具均需要正常运转，并组合成一个整体来支持所需要的加工流程。
要把所有的单元部件全部组合起来是一个挑战，而另一个严峻的事实是，许多集成商没有很好地理解激光切割工具，并有可能因此倾向于依赖激光切割机制造商来整合系统。一旦日后遇到有关激光切割机的问题，或者，需要调整激光切割系统来加工新的产品，集成商在修复系统方面便显得无能为力。
Miyachi Unitek公司虽然不是激光切割机制造商，但它从OEM购买激光器，并集成到一个完整的系统包括运动装置、软件和机床。他们在现有的激光焊接和激光打标/雕刻实力基础上又增加了激光切割，从而为设计人员提供了一个一站式的系统集成。这包括在工厂内对样品进行全过程的加工测试，确保设备完成全部工作，并深入解决应用问题。
本文作者Geoff Shannon是Miyachi Unitek公司的激光技术经理，电邮：geoff.shannon@muc.miyachi.com。
