光蚀刻技术解决零件加工难题

某些加工技术可能不适合处理薄金属部件。如果选择了不正确的加工方法，脆弱部件可能会弯曲、断裂、熔化，甚至碎裂，几个月的宝贵时间和金钱投资也将付诸东流。

为了解决此问题，一些OEM厂商选择光蚀刻化学机械加工技术，即通过酸液和掩模在金属板上进行部件加工。这种工艺很适合处理脆弱部件，并可节省许多生产时间和成本。但由于该法并非万能，医疗器械制造商必须了解适合的应用时机。同时，因为OEM厂商极少自行操作此法，他们还应当了解如何选择合约蚀刻加工伙伴，以满足生产应用的要求。

操作步骤

首先，光蚀刻需要一块经过清洁处理并覆有感光膜涂层的金属板。为了蚀刻出所需的部件形状，制造商先通过摄影技术将部件绘图转印及显影于胶片上，制作出称为光工具（phototool）的掩膜。光工具包含非透光区（将被蚀刻的部分）以及透光区（免除蚀刻的部分），通常有一对，分别贴在金属板的两面。

光工具放置好之后，将材料曝光，光线只照到光工具透光区下方的涂层，以便于显影液对该区的硬化作用。 显影之后，将酸性蚀刻剂喷至材料表面，或将材料浸于其中。蚀刻剂会将硬化保护层以外的材料溶解，剩下来的部分就是所需的部件形状。

合约光蚀刻加工商 IncisionTech公司（美国佛吉尼亚州，Staunton）的医疗市场部经理Chip Harvill说道，光蚀刻技术与冲压加工的不同之处，在于它不会使部件边缘产生毛刺。Harvill还强调，这种工艺也不会产生激光切割所造成的废渣。

另一家合约光蚀刻加工商Tech-Etch公司（美国麻州，Plymouth）的总裁George Keeler说道，光蚀刻所形成的光滑表面是制造钛质颅骨板的最佳选择。颅骨板实际上是一种拧于头骨上方的网状物。组织通过网孔生长，将板块固定于头部。Keeler解释道，颅骨板的表面必须非常光滑，因为金属表面如果有任何突起，都将刺透并伤害周围生长的组织。

光蚀刻的另一优点是它不受部件材料硬度的影响。因此，IncisionTech公司用该技术加工预硬化400系列不锈钢制成的针类和手术缝合设备。Harvill说,“蚀刻法与材料的软硬程度无关，而冲压法则与之密切相关。”这就限制了冲压技术对于预硬化材料的应用效力。在多数情况下，材料必须经过热处理才能冲压，这便增加了机械加工的变异性。

Fotofab公司（美国芝加哥）总裁Jamie Howton说道，光蚀刻能够改变材料的形状，但不会改变材料的任何性质。而激光切割则不同，它会在部件边缘会产生相当宽度的热影响区域。

冲压也会影响材料的性质。譬如，烧灼设备的刀刃边缘比其他刀部要薄，冲压虽然可用来加工不同厚度的部件，但需要高吨位的压力挤压金属才能形成较薄区域。Howton解释道，这会使金属的这些区域变得更硬，出现一种所谓的加工硬化效应。因此，经此种方法加工的部件会在不同厚度的区域产生不同特质。相比之下，光蚀刻可以在不影响材料本身硬度的条件下加工不同厚度的部件。

工具比较

Howton说道，冲压工具价格昂贵，成本约在10,000至100,000美元之间。而光蚀刻工具通常只需250至300美元，这种“软”工具可以在几天内生产出来，而制造冲压工具根据其复杂程度需要4至12周。

光蚀刻可以通过减少工具的制造周期来大幅缩短部件的生产过程。Howton说道，Fotofab公司的标准交货时限为2周，但在一些情况下，公司还可以在5天、3天，甚至当天内交货。

Keeler说道，Tech-Etch公司的工程人员可以在一天内将客户的CAD图纸转变为光工具，这意味着当他们决定修改设计时，也能及时方便地修改胶片。而传统模具一旦制成则难以修改。

此外，单个光工具能够同时制备部件的数个不同版本，因此在原型制造过程中,“可以一次测试5种不同的形状，而无需用硬模具加工5个不同的物体,”Harvill说,“这使得加工周期通常缩短了3至4周。”

不论是原型还是产品部件，光蚀刻能够简化诸如头盖骨重造网等复杂部件的加工过程。光蚀刻加工商VACCO Industries公司(美国加州，El Monte)的工程主管Rick Hoppe说,“重造网孔眼太多，用其他加工方法不划算。如果有10,000个孔眼，我们就能够同时加工10,000个孔眼，采用激光或冲压技术进行加工的话，可想而知得多花上多长时间？”

VACCO公司可以一次加工这些复杂网状物的所有孔眼，还有连接部件以及颅骨的螺钉埋头孔。该公司的业务与产品开发经理 Jeff Bjork说道，如果采用传统的机械加工技术，则需要进行第二轮操作，才能制成这些埋头孔。

除复杂部件以外，光蚀刻还适用于脆弱部件的生产。冲压技术会导致诸如呼吸流量控制器等部件发生变形，甚至损坏。该部件由非常薄的不锈钢制成,“如果采用冲压技术，很可能使其破裂,”VACCO公司光蚀刻业务部门副总裁Mark Sharman说,“考虑到部件的厚度和精密程度，只能采用光蚀刻技术。”

光蚀刻的限制

光蚀刻优点众多，但也不无缺陷。Sharman说道，一般而言，多数光蚀刻公司不愿意加工厚度大于0.1英寸的大量部件，因为这类工程极为耗时。

此外，Keeler说，部件上能够被蚀刻的最小特征是材料厚度的函数，他的经验是：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，其最小特征约为0.02英寸。“材料越厚，蚀刻微小特征越难。”

随着材料厚度的增加，光蚀刻加工的公差也会随之增大。Keeler指出，在0.02英寸厚度的光蚀刻部件上获得的最佳公差为其厚度的±15%，即±0.003英寸。“采用激光切割可以做得更好,” Keeler说,“你可以加工微小特征，同时限制公差。”

技术间的相互竞争

在机械加工技术中，人们通常会先选择激光切割和冲压技术，然后才考虑光蚀刻技术。Sharman指出，对于数量少的工作，激光切割比其他两种方法更加快速划算。但是随着加工数量的增加，激光切割也逐渐失去竞争优势。Hoppe解释说,“采用激光切割，加工数量越大，激光设备的数量也越大。数量增加，设备的效率反而降低了。”

光蚀刻则不同，它能够同时生产整块板材的产品。Keeler说,“比如部件的尺寸为1×1英寸，而金属板材的尺寸为12×12英寸，你就能在一轮操作中从该金属板上获得144个部件，且无须用激光束切割每个部件的外周。”因此部件成本将远远低于采用激光切割的成本。

但是，Howton说，当加工部件的数量以百万计时，成本计算又发生了变化。对于极大数量的工作，昂贵的冲压模具是性价比最高的选择。“将100,000美元的冲压模具成本分摊到每年5百万个部件中尚属划算,”他说,“在这种生产规模中，光蚀刻也失去了竞争优势。”

但是，如果部件过于复杂，光蚀刻也能在大规模加工中与冲压技术一比高下。这是因为光蚀刻部件的成本取决于部件在金属板上占的空间，而非部件的复杂性。

另一方面，复杂性与冲压部件的成本关系巨大。设想一个部件具有大量孔眼，每一个穿孔都由一次冲压操作来实现，设计中的孔眼越多，冲压次数也越多，加工成本也就越高。

而在光蚀刻加工中，Howton说道,“我们可以一次切出所有孔眼，不管部件有一个洞还是一万个洞，加工成本不变。”

内部加工还是外包加工？

并非所有的光蚀刻加工都由合约制造商完成。Hoppe表示，医疗OEM厂商可能出于特定产品的保密性而决定采取内部加工的方式。在一些情况下，OEM厂商可以自行定制所需的光蚀刻工艺，采用单一材料和光工具，大规模加工同一种产品。Sharman认为，这时厂商可能会发现在公司内部进行专注单一的操作，要比立约外包更有效率。

不过，在多数情况下，OEM厂商都将光蚀刻加工外包给其他公司。Keeler说道，主要原因是大多数公司都不愿意与有害的化学品打交道，因为这涉及在严格的环境控制下进行操作。此外，他们认识到由专家进行光蚀刻加工和制作光工具的优势。

但是，OEM如何选择正确的光蚀刻加工商呢？首先，他们必须找到能够加工他们部件材料的公司。以下是一些合约制造商能够蚀刻加工的材料：

• 钛：这是如支架和起搏器等植入物的常用制作材料。据United Western Enterprises公司（美国加州，Camarillo）营运部副总裁Mike Lynch表示，擅长蚀刻该材料的公司为数不多。

• 铅：Bjork说VACCO公司可加工此种材料，但许多加工商因其过于柔软，还有铅污染的考虑，而不愿加工。

• Elgiloy合金：这是某一些植入物的制作材料。Tech-Etch公司采用一种特殊的蚀刻化学法加工该材料。但出于环境因素的考虑，VACCO公司不采用强酸来溶解这种化学惰性金属。

• 钨：Tech-Etch公司加工此种材料。Keeler说道，钨蚀刻加工需要特殊的蚀刻剂和设备，所以提供这种服务的同行屈指可数。

• 塑料：除金属以外，一些公司还蚀刻塑料。Hoppe说道，VACCO公司采用光蚀刻技术将 Kapton聚亚胺材料制成鱼钩状部件，用于白内障手术中辅助晶状体在患者眼球的定位。部件所用的加工工艺必须确保清洁，因为某些机械加工操作可能将污粒带入软性Kapton材料中。Sharman 说道，在光蚀刻加工的最后阶段会用碱液将部件上的余质去除，将污染几率减至最小。

光蚀刻加工商处理的部件尺寸也有所不同。Bjork说道，有些只加工一定尺寸范围的部件。VACCO公司能够加工微小部件，也能加工升降机般大小的部件，还能蚀刻厚达1⁄8英寸的部件。他说,“一些加工商根本不会考虑加工如此厚的部件。”

另外，还有光蚀刻加工商工厂规模的问题。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说，一些小型加工商能够在2或3天内生产出部件。他说,“我们因规模、结构和质量体系等因素无法做到这一点。光是检查部件就需要2天多的时间，更别说是生产和发货了。”

二级操作

OEM厂商可能还希望蚀刻加工商能够执行一些二级操作，如通过一种称为成型加工的工序将平面蚀刻材料制成三维部件。“一些加工商将成型加工外包，从而增加了工程、成本和利润的分配者,”Keeler说,“我们则采取内部加工的方式。”

成型加工是Tech-Etch公司多种二级操作中的一种，另有电镀、热处理和组装。Keeler估计，二级操作占公司蚀刻部件的一半左右。

在一些情况下，需要通过二级操作来提高蚀刻部件的尺寸精度。Harvill说,“如果部件需要一个孔径为±0.0001英寸的孔眼，采用光蚀刻加工则很难持续达到这一精度。”

光蚀刻加工商通常采用二级机械加工来解决此类问题。Harvill说道，对于孔眼或是其他部件特征的加工，IncisionTech使用激光或传统CNC机器来减小公差，进而提高蚀刻加工的尺寸精度。

除上述因素以外，医疗OEM厂商还需要考虑合约光蚀刻加工商在制造医疗设备部件方面的经验。Lynch认为这一点非常重要，因为医疗设备公司必须遵循如美国FDA或其他监管机构的严格要求，这使产品的更改过程变得更为复杂和冗长。举例来说，即使医疗设备公司的供应商发现一种更有效的加工方法，也不能立即改变他们的生产工艺。Lynch说,“医疗设备的加工是完全不同的领域，这点是必须了解的。”