يتم تشغيل هذا الموقع الإلكتروني بواسطة شركة أو أكثر تابعة لشركة إنفورما بي إل سي، وجميع حقوق النشر مملوكة لها. يقع المكتب المسجل لشركة إنفورما بي إل سي في 5 هاويك بليس، لندن SW1P 1WG. مسجلة في إنجلترا وويلز، رقم 8860726.
اليوم، تُجرى جميع عمليات القطع بالليزر الدقيقة للمعادن وغير المعادن تقريبًا باستخدام أدوات مزودة بليزر الألياف أو ليزر النبضات فائقة القصر، أو كليهما أحيانًا. في هذه المقالة، سنشرح المزايا المختلفة لهذين النوعين من الليزر، ونستعرض كيفية استخدام الشركتين المصنعتين لهما. شركة NPX Medical (بليموث، مينيسوتا) هي شركة متخصصة في معالجة المنتجات بموجب عقود، وتصنع مجموعة متنوعة من الأجهزة وأدوات النشر، مثل الدعامات والغرسات والأنابيب المرنة، باستخدام آلات مزودة بليزر الألياف. أما شركة Motion Dynamics، فتصنع تجميعات فرعية، مثل تجميعات "سلك السحب" المستخدمة بشكل أساسي في طب الأعصاب، باستخدام آلة تتضمن ليزر نبضات فائقة القصر من نوع الفيمتو ثانية، وأحد أحدث الأنظمة الهجينة التي تجمع بين ليزر الفيمتو ثانية وليزر الألياف لتحقيق أقصى قدر من المرونة والتنوع.
لسنوات عديدة، استُخدمت ليزرات الحالة الصلبة النانوثانية، المعروفة باسم ليزرات DPSS، في معظم عمليات التصنيع الدقيق بالليزر. إلا أن هذا الوضع قد تغير جذريًا بفضل تطوير نوعين مختلفين تمامًا من الليزر، وبالتالي متكاملين. فقد تطورت ليزرات الألياف، التي طُوّرت في الأصل للاتصالات، لتصبح ليزرات أساسية في معالجة المواد في العديد من الصناعات، وغالبًا ما تعمل بأطوال موجية قريبة من الأشعة تحت الحمراء. ويعود سر نجاحها إلى بنيتها البسيطة وقابليتها المباشرة لتوسيع نطاق طاقتها. ينتج عن ذلك ليزرات صغيرة الحجم، عالية الموثوقية، وسهلة الدمج في الآلات المتخصصة، وتتميز عمومًا بتكلفة تشغيل أقل من أنواع الليزر القديمة. ومن أهم مميزاتها في التصنيع الدقيق، إمكانية تركيز شعاع الليزر في بقعة صغيرة ونظيفة لا يتجاوز قطرها بضعة ميكرونات، مما يجعلها مثالية للقطع واللحام والحفر عالي الدقة. كما تتميز مخرجاتها بمرونة عالية وقابلية تحكم دقيقة، حيث تتراوح معدلات النبضات من نبضة واحدة إلى 170 كيلوهرتز. إلى جانب قابلية توسيع نطاق الطاقة، يدعم هذا إمكانية القطع والحفر السريع.
مع ذلك، يتمثل أحد عيوب ليزرات الألياف في التصنيع الدقيق في تصنيع الأجزاء الصغيرة أو الرقيقة والحساسة. إذ ينتج عن فترات النبض الطويلة (مثل 50 ميكروثانية) منطقة متأثرة بالحرارة (HAZ) صغيرة، مثل بقايا المادة المصبوبة وخشونة الحواف الطفيفة، مما قد يتطلب بعض المعالجة اللاحقة. ولحسن الحظ، فإن الليزرات الأحدث - ليزرات النبضات فائقة القصر (USP) ذات نبضات خرج فيمتوثانية - تقضي على مشكلة المنطقة المتأثرة بالحرارة.
في ليزرات النبضات فائقة السرعة (USP)، تُنقل معظم الحرارة الزائدة المصاحبة لعملية القطع أو الحفر مع الحطام المتطاير قبل أن تنتشر في المادة المحيطة. لطالما استُخدمت ليزرات النبضات فائقة السرعة ذات خرج البيكوثانية في تطبيقات التصنيع الدقيق التي تشمل البلاستيك وأشباه الموصلات والسيراميك وبعض المعادن (البيكوثانية = 10-12 ثانية). ولكن بالنسبة للأجهزة المعدنية ذات الأعمدة بحجم شعرة الإنسان، فإن الموصلية الحرارية العالية للمعدن وصغر حجمه يعنيان أن ليزرات البيكوثانية لا تُحقق دائمًا النتائج المحسّنة التي تُبرر التكلفة المرتفعة لليزر النبضات فائقة السرعة السابق. وقد تغير هذا الوضع الآن مع ظهور ليزرات الفيمتوثانية الصناعية (الفيمتوثانية = 10-15 ثانية). ومن الأمثلة على ذلك سلسلة ليزرات موناكو من شركة كوهيرنت. ومثل ليزرات الألياف، فإن خرجها عبارة عن ضوء قريب من الأشعة تحت الحمراء، مما يعني أنها تستطيع قطع أو حفر جميع المعادن المستخدمة في الأجهزة الطبية، بما في ذلك الفولاذ المقاوم للصدأ والبلاتين والذهب والمغنيسيوم والكوبالت والكروم والتيتانيوم وغيرها. وكذلك المواد غير المعدنية. في حين أن الجمع بين مدة النبضة القصيرة وطاقة النبضة المنخفضة يمنع التلف الحراري (HAZ)، فإن معدل التكرار العالي (MHz) يضمن سرعات إنتاج فعالة من حيث التكلفة للعديد من الأجهزة الطبية عالية القيمة.
بالطبع، لا يكاد أحد في مجالنا يحتاج إلى ليزر واحد فقط. بل يحتاجون إلى آلة تعمل بالليزر، وهناك الآن العديد من الآلات المتخصصة المصممة خصيصًا لقطع وحفر الأجهزة الطبية. ومن الأمثلة على ذلك سلسلة StarCut Tube من شركة Coherent، والتي يمكن استخدامها مع ليزرات الألياف، أو ليزرات الفيمتو ثانية، أو كنسخة هجينة تجمع بين نوعي الليزر.
ماذا يعني التخصص في الأجهزة الطبية؟ تُنتج معظم هذه الأجهزة بكميات محدودة بناءً على تصاميم مخصصة. لذا، تُعد المرونة وسهولة الاستخدام من الاعتبارات الأساسية. في حين أن العديد من الأجهزة تُصنع من سبائك معدنية، إلا أن بعض المكونات تتطلب تشكيلًا دقيقًا من سبائك مسطحة؛ ويجب أن تتعامل الآلة نفسها مع كلا النوعين لتعظيم قيمتها. عادةً ما تُلبى هذه الاحتياجات من خلال توفير حركة تحكم رقمي متعددة المحاور (س، ص، ع، ودورانية) وواجهة مستخدم سهلة الاستخدام لبرمجة وتحكم بسيطين. في حالة StarCut Tube، يتوفر خيار وحدة تحميل أنابيب جديدة مزودة بمخزن تحميل جانبي (يُسمى StarFeed) للأنابيب التي يصل طولها إلى 3 أمتار، وجهاز فرز للمنتجات المقطوعة، مما يسمح بالإنتاج الآلي بالكامل.
تُعزز مرونة هذه الآلات في عملياتها من خلال دعمها للقطع الرطب والجاف، بالإضافة إلى فوهات توصيل قابلة للتعديل بسهولة للعمليات التي تتطلب غازًا مساعدًا. كما أن الدقة المكانية بالغة الأهمية لتصنيع الأجزاء الصغيرة جدًا، مما يعني أن الاستقرار الحراري الميكانيكي يُزيل آثار الاهتزازات التي غالبًا ما تُصادف في ورش الآلات. وتلبي سلسلة StarCut Tube هذه الحاجة من خلال بناء سطح القطع بالكامل باستخدام عدد كبير من عناصر الجرانيت.
شركة NPX Medical هي شركة تصنيع تعاقدية حديثة نسبياً، تقدم خدمات التصميم والهندسة والقطع بالليزر الدقيق لمصنعي الأجهزة الطبية. تأسست الشركة عام 2019، وبنت سمعة طيبة في هذا المجال بفضل منتجاتها عالية الجودة واستجابتها السريعة، حيث تدعم مجموعة واسعة من الأجهزة، بما في ذلك الدعامات، والغرسات، ودعامات الصمامات، وأنابيب التوصيل المرنة لإجراءات جراحية متنوعة، تشمل جراحة الأوعية الدموية العصبية، وجراحة القلب، وجراحة الكلى، وجراحة العمود الفقري، وجراحة العظام، وجراحة النساء، وجراحة الجهاز الهضمي. تعتمد الشركة بشكل أساسي على قاطع الليزر StarCut Tube 2+2 المزود بليزر StarFiber 320FC بقدرة متوسطة تبلغ 200 واط. أوضح مايك برينزل، أحد مؤسسي NPX، أن "المؤسسين يمتلكون سنوات من الخبرة في تصميم وتصنيع الأجهزة الطبية - أكثر من 90 عاماً إجمالاً"، مع خبرة سابقة في استخدام آلات مشابهة لـ StarCut تعمل بتقنية الليزر الليفي. يتضمن جزء كبير من عملنا قطع النيتينول، ونحن ندرك تماماً أن الليزر الليفي يوفر السرعة والجودة التي نحتاجها. بالنسبة لأجهزة مثل الأنابيب ذات الجدران السميكة وصمامات القلب، فإننا نحتاج إلى السرعة، وقد يكون ليزر USP بطيئًا جدًا بالنسبة لاحتياجاتنا. بالإضافة إلى طلبات الإنتاج بكميات كبيرة - فنحن متخصصون في دفعات صغيرة من القطع - تتراوح بين 5 و150 قطعة فقط - هدفنا هو إكمال هذه الدفعات الصغيرة في غضون أيام قليلة فقط، بما في ذلك التصميم والبرمجة والقطع والتشكيل والمعالجة اللاحقة والفحص، مقارنةً بالأسابيع التي تستغرقها الشركات الكبيرة بعد تقديم الطلب. بالإضافة إلى ذكر السرعة، أشار برينزل إلى موثوقية الآلة كميزة رئيسية، حيث لم تتطلب أي طلب صيانة خلال الأشهر الـ 18 الماضية من التشغيل شبه المتواصل.
الشكل 2. تقدم NPX مجموعة متنوعة من خيارات المعالجة اللاحقة. المادة الموضحة هنا هي فولاذ مقاوم للصدأ T316 بقطر خارجي 5 مم وسماكة جدار 0.254 مم. الجزء الأيسر مقطوع/مصقول بالرمل الدقيق، والجزء الأيمن مصقول كهربائياً.
إلى جانب أجزاء النيتينول، تستخدم الشركة على نطاق واسع سبائك الكوبالت والكروم، وسبائك التنتالوم، وسبائك التيتانيوم، وأنواعًا عديدة من الفولاذ المقاوم للصدأ الطبي. يوضح جيف هانسن، مدير معالجة الليزر: "تُعد مرونة الماكينة ميزةً مهمةً أخرى، إذ تُمكّننا من دعم قطع مجموعة متنوعة جدًا من المواد، بما في ذلك الأنابيب والألواح المسطحة. يمكننا تركيز الشعاع إلى بقعة قطرها 20 ميكرون، وهو أمر مفيد للغاية. تُعد الأنابيب الرقيقة مفيدةً جدًا، حيث يبلغ القطر الداخلي لبعض هذه الأنابيب 0.012 بوصة فقط، وتُعزز النسبة العالية بين ذروة الطاقة ومتوسط ​​الطاقة في أحدث ليزرات الألياف سرعة القطع لدينا إلى أقصى حد مع الحفاظ على جودة الحواف المطلوبة. نحن بحاجة ماسة إلى سرعة قطع المنتجات الأكبر حجمًا التي يصل قطرها الخارجي إلى بوصة واحدة."
إلى جانب القطع الدقيق والاستجابة السريعة، تقدم NPX مجموعة متكاملة من تقنيات المعالجة اللاحقة، بالإضافة إلى خدمات تصميم شاملة تستفيد من خبرتها الواسعة في هذا المجال. تشمل هذه التقنيات التلميع الكهربائي، والسفع الرملي، والتخليل، واللحام بالليزر، والتثبيت الحراري، والتشكيل، والتخميل، واختبار درجة حرارة α، واختبار الإجهاد، وكلها عناصر أساسية في تصنيع أجهزة النيتينول. يقول برينزل، عند استخدام المعالجة اللاحقة للتحكم في تشطيب الحواف: "يعتمد ذلك عادةً على ما إذا كنا نتحدث عن تطبيق عالي الإجهاد أو منخفض الإجهاد. على سبيل المثال، قد ينحني جزء عالي الإجهاد مثل صمام القلب مليار مرة خلال عمره الافتراضي، لذا من المهم استخدام السفع الرملي لزيادة نصف قطر جميع الحواف. أما المكونات منخفضة الإجهاد مثل أنظمة التوصيل أو الأسلاك الموجهة، فغالبًا لا تتطلب معالجة لاحقة مكثفة." فيما يتعلق بخبرة التصميم، يوضح برينزل أن ما يصل إلى ثلاثة أرباع العملاء يستخدمون خدمات التصميم الخاصة بهم للاستفادة من مساعدة ومهارات NPX في الحصول على موافقة إدارة الغذاء والدواء الأمريكية. تتميز الشركة بقدرتها الفائقة على تحويل فكرة "الرسم التخطيطي الأولي" إلى منتج في شكله النهائي في فترة زمنية قصيرة.
شركة Motion Dynamics (فروتبورت، ميشيغان) هي شركة مصنعة للزنبركات المصغرة المخصصة والملفات الطبية وتجميعات الأسلاك، وتتمثل مهمتها في حل مشاكل العملاء، مهما كانت معقدة أو تبدو مستحيلة، في أقصر وقت ممكن. في مجال الأجهزة الطبية، تركز الشركة بشكل أساسي على التجميعات المعقدة لجراحة الأوعية الدموية العصبية، بما في ذلك تصميم وإنتاج وتجميع تجميعات الأسلاك عالية الجودة لتطبيقات مثل أجهزة القسطرة القابلة للتوجيه، بما في ذلك تجميعات "سلك السحب".
كما ذكرنا سابقًا، فإن اختيار ليزر الألياف أو ليزر النبضات فائقة السرعة (USP) يعتمد على تفضيلات المهندسين ونوع المعدات والعمليات المدعومة. أوضح كريس ويذام، رئيس شركة موشن داينامكس: "بناءً على نموذج أعمال يركز بشكل كبير على منتجات الأوعية الدموية العصبية، يمكننا تقديم نتائج متميزة في التصميم والتنفيذ والخدمة. نستخدم القطع بالليزر فقط لإنتاج المكونات التي نستخدمها داخليًا، ولتصنيع المكونات عالية القيمة و"المعقدة" التي أصبحت تخصصنا وسمعتنا؛ ولا نقدم خدمة القطع بالليزر كخدمة تعاقدية. وجدنا أن معظم عمليات القطع بالليزر التي نقوم بها تُنفذ على أفضل وجه باستخدام ليزر النبضات فائقة السرعة (USP)، ولسنوات عديدة كنت أستخدم أنبوب StarCut مع أحد هذه الليزرات. نظرًا للطلب القوي على منتجاتنا، لدينا ورديتان يوميًا، كل منهما 8 ساعات، وأحيانًا ثلاث ورديات، وفي عام 2019 احتجنا إلى شراء أنبوب StarCut آخر لدعم هذا النمو. لكن هذه المرة، قررنا استخدام أحد النماذج الهجينة الجديدة من ليزر النبضات فائقة السرعة (USP) وليزر الألياف. كما قمنا بتزويده بنظام StarFeed جهاز التحميل/التفريغ حتى نتمكن من أتمتة عملية القطع بالكامل - يقوم المشغل ببساطة بوضع الأنبوب الخام في وحدة التغذية ويتم تشغيل برنامج تشغيل المنتج.
الشكل 3. تم قطع أنبوب التوصيل المرن المصنوع من الفولاذ المقاوم للصدأ (الموضح بجانب ممحاة قلم الرصاص) باستخدام ليزر موناكو فيمتوثانية.
يضيف ويذام أنه على الرغم من استخدامهم الآلة أحيانًا للقطع المسطح، إلا أن أكثر من 95% من وقتهم يُقضى في تصنيع أو تعديل المنتجات الأسطوانية لتجميعات القسطرة الموجهة، وتحديدًا الأنابيب الدقيقة والملفات واللولب، بما في ذلك قطع الأطراف المُشكّلة وفتحات القطع. تُستخدم هذه المكونات في نهاية المطاف في إجراءات مثل إصلاح تمدد الأوعية الدموية وإزالة الجلطات. ويتطلب ذلك استخدام قواطع الليزر على مجموعة متنوعة من المعادن، بما في ذلك الفولاذ المقاوم للصدأ والذهب الخالص والبلاتين والنيتينول.
الشكل 4. تستخدم شركة Motion Dynamics أيضًا اللحام بالليزر على نطاق واسع. في الأعلى، تم لحام الملف بالأنبوب المقطوع بالليزر.
ما هي خيارات الليزر المتاحة؟ أوضح ويذام أن جودة الحواف الممتازة والحد الأدنى من الشقوق أمران بالغا الأهمية لمعظم مكوناتهم، لذا فقد فضلوا في البداية ليزرات النبضات فوق الصوتية (USP). بالإضافة إلى ذلك، لا يمكن قطع أي من المواد التي تستخدمها الشركة بواسطة أي من هذه الليزرات، بما في ذلك مكونات الذهب الصغيرة المستخدمة كعلامات معتمة للأشعة في بعض منتجاتها. لكنه أضاف أن الخيارات الهجينة الجديدة، بما في ذلك ليزرات الألياف وليزر النبضات فوق الصوتية، تمنحهم مرونة أكبر في تحسين سرعة القطع وجودة الحواف. وقال: "لا شك أن الألياف الضوئية يمكن أن توفر سرعات أعلى، ولكن نظرًا لتركيزنا الخاص على التطبيقات، فإن هذا يعني عادةً نوعًا من المعالجة اللاحقة، مثل التنظيف الكيميائي والموجات فوق الصوتية أو التلميع الكهربائي. لذا فإن امتلاك آلة هجينة يسمح لنا باختيار العملية الأمثل لكل مكون - ليزر النبضات فوق الصوتية وحده أو الألياف والمعالجة اللاحقة. كما يسمح لنا باستكشاف إمكانية التصنيع الهجين لنفس المكون، خاصةً عند التعامل مع أقطار وسماكات جدران أكبر: حتى القطع السريع باستخدام ليزرات الألياف، ثم استخدام ليزر الفيمتو ثانية للقطع الدقيق." ويتوقع أن يظل ليزر USP خيارهم الأول لأن معظم عمليات القطع بالليزر التي يقومون بها تتضمن سماكات جدارية تتراوح بين 4 و 6 آلاف من البوصة، على الرغم من أنهم يواجهون سماكات جدارية تتراوح بين 1 و 20 ألف من البوصة. أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ بين آلاف من البوصة.
وختاماً، يُعدّ القطع والحفر بالليزر عمليتين أساسيتين في تصنيع العديد من الأجهزة الطبية. واليوم، بفضل التطورات في تكنولوجيا الليزر الأساسية والآلات عالية الكفاءة المصممة خصيصاً لتلبية احتياجات الصناعة، أصبحت هذه العمليات أسهل استخداماً وتقدم نتائج أفضل من أي وقت مضى.