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    深圳卓力達光蝕刻技術解決零件加工難題

    文章出處:本站  責任編輯:Editor  人氣:2927  發表時間:2014-3-28 14:22:25  【

    光蝕刻加工可快速、低成本地生產薄金屬部件。
    某些加工技術可能不適合處理薄金屬部件。如果選擇了不正確的加工方法,脆弱部件可能會彎曲、斷裂、熔化,甚至碎裂,幾個月的寶貴時間和金錢投資也將付諸東流。
    為了解決此問題,一些OEM廠商選擇光蝕刻化學機械加工技術,即通過酸液和掩模在金屬板上進行部件加工。這種工藝很適合處理脆弱部件,并可節省許多生產時間和成本。但由于該法并非萬能,醫療器械制造商必須了解適合的應用時機。同時,因為OEM廠商極少自行操作此法,他們還應當了解如何選擇合約蝕刻加工伙伴,以滿足生產應用的要求。
    操作步驟

    光蝕刻部件,如刀片 (左) 、尖端 (頂) 和頂置環 (上) 不會產生廢渣。
    首先,光蝕刻需要一塊經過清潔處理并覆有感光膜涂層的金屬板。為了蝕刻出所需的部件形狀,制造商先通過攝影技術將部件繪圖轉印及顯影于膠片上,制作出稱為光工具(phototool)的掩膜。光工具包含非透光區(將被蝕刻的部分)以及透光區(免除蝕刻的部分),通常有一對,分別貼在金屬板的兩面。
    光工具放置好之后,將材料曝光,光線只照到光工具透光區下方的涂層,以便于顯影液對該區的硬化作用。 顯影之后,將酸性蝕刻劑噴至材料表面,或將材料浸于其中。蝕刻劑會將硬化保護層以外的材料溶解,剩下來的部分就是所需的部件形狀。
    合約光蝕刻加工商 zldsmt 公司(中國廣東,深圳)的醫療市場部經理Mr Liu說道,光蝕刻技術與沖壓加工的不同之處,在于它不會使部件邊緣產生毛刺。Mr Liu還強調,這種工藝也不會產生激光切割所造成的廢渣。
    光蝕刻所形成的光滑表面是制造鈦質顱骨板的最佳選擇。顱骨板實際上是一種擰于頭骨上方的網狀物。組織通過網孔生長,將板塊固定于頭部。Mr Liu解釋道,顱骨板的表面必須非常光滑,因為金屬表面如果有任何突起,都將刺透并傷害周圍生長的組織。

    zldsmt 公司(中國廣東,深圳)公司的多種光蝕刻部件展示了其加工的可能性。
    光蝕刻的另一優點是它不受部件材料硬度的影響。因此,zldsmt 公司(中國廣東,深圳)公司用該技術加工預硬化400系列不銹鋼制成的針類和手術縫合設備。劉先生說,“蝕刻法與材料的軟硬程度無關,而沖壓法則與之密切相關。”這就限制了沖壓技術對于預硬化材料的應用效力。在多數情況下,材料必須經過熱處理才能沖壓,這便增加了機械加工的變異性。
    劉先生(0755-29914202)說道,光蝕刻能夠改變材料的形狀,但不會改變材料的任何性質。而激光切割則不同,它會在部件邊緣會產生相當寬度的熱影響區域。
    沖壓也會影響材料的性質。譬如,燒灼設備的刀刃邊緣比其他刀部要薄,沖壓雖然可用來加工不同厚度的部件,但需要高噸位的壓力擠壓金屬才能形成較薄區域。這會使金屬的這些區域變得更硬,出現一種所謂的加工硬化效應。因此,經此種方法加工的部件會在不同厚度的區域產生不同特質。相比之下,光蝕刻可以在不影響材料本身硬度的條件下加工不同厚度的部件。
    電化學技術
    除光蝕刻以外,還有其他工藝采用了化學試劑。其中有兩種工藝需要另一種基本成分:電。

    可以采用電化學蝕刻技術制造多種紋理結構。
    光蝕刻能夠在小型平面部件上形成干凈、整齊的邊緣,而電化學蝕刻可以在小直徑的棒材或線材上形成超鋒利尖端。Point Technologies公司執行副總裁John O’Brien說道,以該公司(美國科羅拉多州,Boulder)的電化學加工為例,許多棒材或線材被固定在一個固定設備中,其尖端被浸入電解液中。電解液通電后,通過一種名為“受控金屬腐蝕”的過程將部件頂端的部分材料去除。
    在加工過程中,可以控制通過頂端進入電解液的電流量以及部件浸入的數量和速度,因此制造商能夠控制頂端的尖利程度和形狀。
    公司采用電化學工藝在針類和手術器械上形成尖端,如電外科使用電極的鎢頭。O’Brien說道,鎢線端在電化學池中能夠形成超鋒利的亞微米尖頭。
    另一種電化學金屬成型技術也需要電解液。光蝕刻是一種通過酸去除多余材料的削減式工藝,而電成型是增加式工藝,即通過電解池在模型導電表面沉積鎳或其他金屬來形成部件。金屬沉積到所需厚度時,即可從溶液中取出部件。
    Dynamics Research公司的Metrigraphics部門(美國麻州,Wilmington)副總裁Chet Ju說,與光蝕刻相比,增加式電成型工藝所能處理的部件特征更小,且公差更小。使用電成型工藝,公司能夠加工直徑小至15µm,偏差±1µm的孔眼。
    公司采用電成型工藝生產的醫療部件包括:微米級視網膜植入物、微型孔式小公差水刀噴口。Ju說道,該技術的缺點是其工序比光蝕刻更繁瑣,因此部件成本也高出2至3倍。
    工具比較
    Howton說道,沖壓工具價格昂貴,成本約在10,000至100,000美元之間。而光蝕刻工具通常只需250至300美元,這種“軟”工具可以在幾天內生產出來,而制造沖壓工具根據其復雜程度需要4至12周。
    光蝕刻可以通過減少工具的制造周期來大幅縮短部件的生產過程。Howton說道,Fotofab公司的標準交貨時限為2周,但在一些情況下,公司還可以在5天、3天,甚至當天內交貨。
    Keeler說道,Tech-Etch公司的工程人員可以在一天內將客戶的CAD圖紙轉變為光工具,這意味著當他們決定修改設計時,也能及時方便地修改膠片。而傳統模具一旦制成則難以修改。
    此外,單個光工具能夠同時制備部件的數個不同版本,因此在原型制造過程中,“可以一次測試5種不同的形狀,而無需用硬模具加工5個不同的物體,”Harvill說,“這使得加工周期通??s短了3至4周。”

    zldsmt 公司(中國廣東,深圳)使用光蝕刻加工網狀部件。該工藝能加工脆弱部件。
    不論是原型還是產品部件,光蝕刻能夠簡化諸如頭蓋骨重造網等復雜部件的加工過程。光蝕刻加工商zldsmt.com 公司(中國廣東,深圳)工程主管唐先生說,“重造網孔眼太多,用其他加工方法不劃算。如果有10,000個孔眼,我們就能夠同時加工10,000個孔眼,采用激光或沖壓技術進行加工的話,可想而知得多花上多長時間?”
    zldsmt.com 公司(中國廣東,深圳)可以一次加工這些復雜網狀物的所有孔眼,還有連接部件以及顱骨的螺釘埋頭孔。該公司的業務與產品開發經理 劉先生說道,如果采用傳統的機械加工技術,則需要進行第二輪操作,才能制成這些埋頭孔。
    除復雜部件以外,光蝕刻還適用于脆弱部件的生產。沖壓技術會導致諸如呼吸流量控制器等部件發生變形,甚至損壞。該部件由非常薄的不銹鋼制成,“如果采用沖壓技術,很可能使其破裂,”zldsmt.com 公司(中國廣東,深圳)光蝕刻業務部門副總裁劉勇先生說,“考慮到部件的厚度和精密程度,只能采用光蝕刻技術。”
    光蝕刻的限制

    zldsmt 公司(中國廣東,深圳)的鈦質盤有一個深蝕刻嵌入物和一個蝕刻孔。
    光蝕刻優點眾多,但也不無缺陷。劉先生說道,一般而言,多數光蝕刻公司不愿意加工厚度大于0.1英寸的大量部件,因為這類工程極為耗時。
    此外,唐先生說,部件上能夠被蝕刻的最小特征是材料厚度的函數,他的經驗是:部件特征的最小尺寸是材料厚度的1–1½倍,因此,由20mil厚度材料制成的部件,其最小特征約為0.02英寸。“材料越厚,蝕刻微小特征越難。”
    隨著材料厚度的增加,光蝕刻加工的公差也會隨之增大。唐先生指出,在0.02英寸厚度的光蝕刻部件上獲得的最佳公差為其厚度的±15%,即±0.003英寸。“采用激光切割可以做得更好,” Keeler說,“你可以加工微小特征,同時限制公差。”
    技術間的相互競爭
    在機械加工技術中,人們通常會先選擇激光切割和沖壓技術,然后才考慮光蝕刻技術。Sharman指出,對于數量少的工作,激光切割比其他兩種方法更加快速劃算。但是隨著加工數量的增加,激光切割也逐漸失去競爭優勢。“采用激光切割,加工數量越大,激光設備的數量也越大。數量增加,設備的效率反而降低了。”
    光蝕刻則不同,它能夠同時生產整塊板材的產品。劉勇說,“比如部件的尺寸為1×1英寸,而金屬板材的尺寸為12×12英寸,你就能在一輪操作中從該金屬板上獲得144個部件,且無須用激光束切割每個部件的外周。”因此部件成本將遠遠低于采用激光切割的成本。
    但是,連總說,當加工部件的數量以百萬計時,成本計算又發生了變化。對于極大數量的工作,昂貴的沖壓模具是性價比最高的選擇。“將100,000美元的沖壓模具成本分攤到每年5百萬個部件中尚屬劃算,”他說,“在這種生產規模中,光蝕刻也失去了競爭優勢。”
    但是,如果部件過于復雜,光蝕刻也能在大規模加工中與沖壓技術一比高下。這是因為光蝕刻部件的成本取決于部件在金屬板上占的空間,而非部件的復雜性。
    另一方面,復雜性與沖壓部件的成本關系巨大。設想一個部件具有大量孔眼,每一個穿孔都由一次沖壓操作來實現,設計中的孔眼越多,沖壓次數也越多,加工成本也就越高。
    而在光蝕刻加工中,連總說道,“我們可以一次切出所有孔眼,不管部件有一個洞還是一萬個洞,加工成本不變。”
    內部加工還是外包加工?
    并非所有的光蝕刻加工都由合約制造商完成。劉先生表示,醫療OEM廠商可能出于特定產品的保密性而決定采取內部加工的方式。在一些情況下,OEM廠商可以自行定制所需的光蝕刻工藝,采用單一材料和光工具,大規模加工同一種產品。連總認為,這時廠商可能會發現在公司內部進行專注單一的操作,要比立約外包更有效率。
    不過,在多數情況下,OEM廠商都將光蝕刻加工外包給其他公司。劉勇說道,主要原因是大多數公司都不愿意與有害的化學品打交道,因為這涉及在嚴格的環境控制下進行操作。此外,他們認識到由專家進行光蝕刻加工和制作光工具的優勢。
    但是,OEM如何選擇正確的光蝕刻加工商呢?首先,他們必須找到能夠加工他們部件材料的公司。以下是一些合約制造商能夠蝕刻加工的材料:
    • 鈦:這是如支架和起搏器等植入物的常用制作材料。據United Western Enterprises公司(美國加州,Camarillo)營運部副總裁Mike Lynch表示,擅長蝕刻該材料的公司為數不多。
    • 鉛:連總說VACCO公司可加工此種材料,但許多加工商因其過于柔軟,還有鉛污染的考慮,而不愿加工。
    • Elgiloy合金:這是某一些植入物的制作材料。Tech-Etch公司采用一種特殊的蝕刻化學法加工該材料。但出于環境因素的考慮,VACCO公司不采用強酸來溶解這種化學惰性金屬。
    • 鎢:Tech-Etch公司加工此種材料。Keeler說道,鎢蝕刻加工需要特殊的蝕刻劑和設備,所以提供這種服務的同行屈指可數。
    • 塑料:除金屬以外,一些公司還蝕刻塑料。劉先生說道,VACCO公司采用光蝕刻技術將 Kapton聚亞胺材料制成魚鉤狀部件,用于白內障手術中輔助晶狀體在患者眼球的定位。部件所用的加工工藝必須確保清潔,因為某些機械加工操作可能將污粒帶入軟性Kapton材料中。Sharman 說道,在光蝕刻加工的最后階段會用堿液將部件上的余質去除,將污染幾率減至最小。
    光蝕刻加工商處理的部件尺寸也有所不同。Bjork說道,有些只加工一定尺寸范圍的部件。VACCO公司能夠加工微小部件,也能加工升降機般大小的部件,還能蝕刻厚達1⁄8英寸的部件。他說,“一些加工商根本不會考慮加工如此厚的部件。”
    另外,還有光蝕刻加工商工廠規模的問題。如果急需某些部件,小型加工商的速度可能更快。VACCO公司的Sharman說,一些小型加工商能夠在2或3天內生產出部件。他說,“我們因規模、結構和質量體系等因素無法做到這一點。光是檢查部件就需要2天多的時間,更別說是生產和發貨了。”
    二級操作
    OEM廠商可能還希望蝕刻加工商能夠執行一些二級操作,如通過一種稱為成型加工的工序將平面蝕刻材料制成三維部件。“一些加工商將成型加工外包,從而增加了工程、成本和利潤的分配者,”Keeler說,“我們則采取內部加工的方式。”
    成型加工是Tech-Etch公司多種二級操作中的一種,另有電鍍、熱處理和組裝。Keeler估計,二級操作占公司蝕刻部件的一半左右。
    在一些情況下,需要通過二級操作來提高蝕刻部件的尺寸精度。Harvill說,“如果部件需要一個孔徑為±0.0001英寸的孔眼,采用光蝕刻加工則很難持續達到這一精度。”
    光蝕刻加工商通常采用二級機械加工來解決此類問題。Harvill說道,對于孔眼或是其他部件特征的加工,IncisionTech使用激光或傳統CNC機器來減小公差,進而提高蝕刻加工的尺寸精度。
    除上述因素以外,醫療OEM廠商還需要考慮合約光蝕刻加工商在制造醫療設備部件方面的經驗。Lynch認為這一點非常重要,因為醫療設備公司必須遵循如美國FDA或其他監管機構的嚴格要求,這使產品的更改過程變得更為復雜和冗長。舉例來說,即使醫療設備公司的供應商發現一種更有效的加工方法,也不能立即改變他們的生產工藝。Lynch說,“醫療設備的加工是完全不同的領域,這點是必須了解的。”

    光化學蝕刻方案

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