يتم تشغيل هذا الموقع من قبل شركة واحدة أو أكثر مملوكة لشركة Informa PLC وجميع حقوق الطبع والنشر مملوكة لهم. المكتب المسجل لشركة Informa PLC هو 5 Howick Place، London SW1P 1WG. مسجلة في إنجلترا وويلز. رقم 8860726.
اليوم، يتم إجراء جميع عمليات القطع بالليزر الدقيقة تقريبًا للمعادن واللافلزات باستخدام أدوات مجهزة بليزر الألياف أو ليزر النبضات الفائقة القصر (USP)، أو كليهما في بعض الأحيان. في هذه المقالة، سنشرح المزايا المختلفة لليزرين ونرى كيف يستخدم كلا المصنعين هذين الليزرين. NPX Medical (بليموث، مينيسوتا) هي شركة معالجة متخصصة تعاقدية تصنع مجموعة متنوعة من الأجهزة وأدوات النشر، مثل الدعامات والغرسات والأنابيب المرنة، باستخدام آلات تتضمن ليزر الألياف. تصنع Motion Dynamics مجموعات فرعية، مثل مجموعات "سحب الأسلاك" المستخدمة في المقام الأول في علم الأعصاب، باستخدام آلة تتضمن ليزر فيمتوثانية USP وأحد أحدث الأنظمة الهجينة بما في ذلك ليزر فيمتوثانية وليزر الألياف لتحقيق أقصى قدر من المرونة والتنوع.
لسنوات عديدة، كانت معظم عمليات المعالجة الدقيقة بالليزر تُجرى باستخدام ليزرات النانو ثانية ذات الحالة الصلبة والتي تُسمى ليزرات DPSS. إلا أن هذا قد تغير تمامًا الآن بفضل تطوير نوعين مختلفين تمامًا، وبالتالي متكاملين، من الليزر. طُوِّرت ليزرات الألياف في الأصل للاتصالات، ثم تطورت إلى ليزرات معالجة مواد فعالة في العديد من الصناعات، غالبًا بأطوال موجية قريبة من الأشعة تحت الحمراء. تكمن أسباب نجاحها في بنيتها البسيطة وقابلية التوسع المباشرة للطاقة. ينتج عن هذا ليزرات مضغوطة وموثوقة للغاية وسهلة التكامل مع الآلات المتخصصة، وتوفر عمومًا تكلفة ملكية أقل من أنواع الليزر القديمة. والأهم من ذلك بالنسبة للمعالجة الدقيقة، يمكن تركيز شعاع الخرج في بقعة صغيرة ونظيفة يبلغ قطرها بضعة ميكرونات فقط، لذا فهي مثالية للقطع واللحام والحفر عالي الدقة. كما أن مخرجاتها مرنة للغاية وقابلة للتحكم، بمعدلات نبض تتراوح من طلقة واحدة إلى 170 كيلو هرتز. إلى جانب الطاقة القابلة للتوسع، يدعم هذا القطع والحفر السريع.
ومع ذلك، فإن العيب المحتمل لليزر الألياف في التصنيع الدقيق هو تصنيع ميزات صغيرة و/أو أجزاء رقيقة وحساسة. تؤدي مدة النبضة الطويلة (على سبيل المثال، 50 ميكروثانية) إلى كمية صغيرة من المنطقة المتأثرة بالحرارة (HAZ) مثل مادة إعادة الصب وخشونة الحافة الصغيرة، والتي قد تتطلب بعض المعالجة اللاحقة. ولحسن الحظ، فإن الليزر الأحدث - ليزر النبضات فائقة القصر (USP) مع نبضات خرج فيمتوثانية - يقضي على مشكلة المنطقة المتأثرة بالحرارة.
مع ليزر USP، تُحمل معظم الحرارة الزائدة المرتبطة بعملية القطع أو الحفر في الحطام المقذوف قبل أن يتاح لها الوقت للانتشار في المواد المحيطة. لطالما استُخدمت ليزرات USP ذات خرج البيكو ثانية في تطبيقات التصنيع الدقيق التي تشمل البلاستيك وأشباه الموصلات والسيراميك وبعض المعادن (البيكو ثانية = 10-12 ثانية). ولكن بالنسبة للأجهزة المعدنية ذات الأعمدة بحجم شعرة الإنسان، فإن الموصلية الحرارية العالية للمعدن وحجمه الصغير يعنيان أن ليزرات البيكو ثانية لا توفر دائمًا النتائج المحسنة التي تبرر زيادة تكلفة ليزرات USP السابقة. تغير هذا الآن مع ظهور ليزرات الفيمتوثانية الصناعية (الفيمتوثانية = 10-15 ثانية). ومن الأمثلة على ذلك سلسلة ليزرات موناكو من شركة Coherent Inc.. ومثل ليزرات الألياف، فإن خرجها هو ضوء الأشعة تحت الحمراء القريبة، مما يعني أنها قادرة على قطع أو حفر جميع المعادن المستخدمة في الأجهزة الطبية، بما في ذلك الفولاذ المقاوم للصدأ والبلاتين والذهب والمغنيسيوم والكوبالت والكروم والتيتانيوم. وفي حين أن الجمع بين مدة النبضة القصيرة وطاقة النبضة المنخفضة يمنع الضرر الحراري (HAZ)، فإن معدل التكرار العالي (MHz) يضمن سرعات إنتاج فعالة من حيث التكلفة للعديد من الأجهزة الطبية عالية القيمة.
بالطبع، لا يحتاج أحد تقريبًا في صناعتنا إلى ليزر واحد فقط. بدلاً من ذلك، يحتاجون إلى آلة تعتمد على الليزر، وهناك الآن العديد من الآلات المتخصصة المُحسّنة لقطع وحفر الأجهزة الطبية. ومن الأمثلة على ذلك سلسلة StarCut Tube من Coherent، والتي يمكن استخدامها مع ليزر الألياف، أو ليزر الفمتوثانية، أو كإصدار هجين يجمع بين نوعي الليزر.
ماذا يعني التخصص في الأجهزة الطبية؟ يتم إنتاج معظم هذه الأجهزة في دفعات محدودة بناءً على تصميمات مخصصة. لذلك، تعد المرونة وسهولة الاستخدام من الاعتبارات الرئيسية. في حين يتم تصنيع العديد من الأجهزة من القضبان، يجب تشغيل بعض المكونات بدقة من القضبان المسطحة؛ يجب أن تتعامل نفس الآلة مع كليهما لتحقيق أقصى قيمة لها. يتم تلبية هذه الاحتياجات عادةً من خلال توفير حركة متعددة المحاور يتم التحكم فيها بواسطة CNC (xyz والدوران) وواجهة HMI سهلة الاستخدام للبرمجة والتحكم البسيطين. في حالة StarCut Tube، يأتي خيار وحدة تحميل الأنبوب الجديد مع مجلة تحميل جانبية (تسمى StarFeed) للأنابيب التي يصل طولها إلى 3 أمتار وفرز للمنتجات المقطوعة، مما يسمح بالإنتاج الآلي بالكامل.
يتم تعزيز مرونة عملية هذه الآلات من خلال دعم القطع الرطب والجاف وفوهات التسليم القابلة للتعديل بسهولة للعمليات التي تتطلب غازًا مساعدًا. كما أن الدقة المكانية مهمة بشكل خاص لتصنيع الأجزاء الصغيرة جدًا، مما يعني أن الاستقرار الحراري الميكانيكي يزيل تأثيرات الاهتزاز التي غالبًا ما تواجهها ورش الآلات. تلبي مجموعة StarCut Tube هذه الحاجة من خلال بناء سطح القطع بالكامل بعدد كبير من عناصر الجرانيت.
NPX Medical هي شركة تصنيع تعاقدية جديدة نسبيًا تقدم خدمات التصميم والهندسة والقطع بالليزر الدقيق لمصنعي الأجهزة الطبية. تأسست الشركة في عام 2019، وقد بنت سمعة طيبة في الصناعة لمنتجاتها عالية الجودة والاستجابة، ودعم مجموعة واسعة من الأجهزة بما في ذلك الدعامات والغرسات ودعامات الصمامات وأنابيب التوصيل المرنة لإجراءات جراحية متنوعة مماثلة، بما في ذلك جراحة الأوعية الدموية العصبية والقلب والكلى والعمود الفقري والعظام وأمراض النساء والجهاز الهضمي. إن قاطع الليزر الرئيسي الخاص بها هو StarCut Tube 2 + 2 مع StarFiber 320FC بقوة متوسطة تبلغ 200 واط. أوضح مايك برينزل، أحد مؤسسي NPX، أن "المؤسسين يجلبون سنوات من الخبرة في تصميم وتصنيع الأجهزة الطبية - أكثر من 90 عامًا في المجموع"، مع خبرة سابقة في آلات تشبه StarCut باستخدام ليزر الألياف. يتضمن الكثير من عملنا قطع النيتينول ونحن نعلم بالفعل أن ليزر الألياف يمكن أن يوفر السرعة والجودة التي نحتاجها. بالنسبة للأجهزة مثل الأنابيب ذات الجدران السميكة والقلب وبالإضافة إلى أوامر الإنتاج ذات الحجم الكبير - فنحن متخصصون في دفعات صغيرة من الأجزاء - فقط بين 5 و150 قطعة - وهدفنا هو إكمال عمليات التحول في الدفعات الصغيرة هذه في غضون أيام قليلة فقط، بما في ذلك التصميم والبرمجة والقطع والتشكيل والمعالجة اللاحقة والتفتيش، مقارنة بالأسابيع التي تلي تقديم الطلب للشركات الأكبر حجمًا. "بالإضافة إلى ذكر السرعة، ذكر برينزل موثوقية الماكينة كميزة رئيسية، حيث لا تتطلب مكالمة خدمة واحدة على مدار الأشهر الثمانية عشر الماضية من التشغيل شبه المستمر.
الشكل 2. تقدم NPX مجموعة متنوعة من خيارات ما بعد المعالجة. المادة المعروضة هنا هي الفولاذ المقاوم للصدأ T316 بقطر خارجي 5 مم وسمك جدار 0.254 مم. الجزء الأيسر مقطوع/مُنفَّذ بالتفجير الدقيق والجزء الأيمن مصقول كهربائيًا.
بالإضافة إلى أجزاء النيتينول، تستخدم الشركة أيضًا على نطاق واسع سبائك الكوبالت والكروم، وسبائك التنتالوم، وسبائك التيتانيوم، والعديد من أنواع الفولاذ المقاوم للصدأ الطبي. يوضح جيف هانسن، مدير معالجة الليزر: "تُعد مرونة الماكينة ميزة مهمة أخرى، مما يسمح لنا بدعم قطع مجموعة متنوعة للغاية من المواد، بما في ذلك الأنابيب والمسطحات. يمكننا تركيز الشعاع حتى نقطة 20 ميكرون، وهو أمر مفيد لمزيد من الأنابيب الرقيقة. الأنابيب الرقيقة مفيدة للغاية. يبلغ قطر بعض هذه الأنابيب 0.012 بوصة فقط، كما أن النسبة العالية بين ذروة الطاقة ومتوسط ​​الطاقة في أحدث ليزرات الألياف تزيد من سرعة القطع لدينا مع الحفاظ على جودة الحافة المطلوبة. نحن بحاجة ماسة إلى سرعة المنتجات الأكبر حجمًا التي يصل قطرها الخارجي إلى بوصة واحدة."
بالإضافة إلى القطع الدقيق والاستجابة السريعة، تقدم NPX أيضًا مجموعة كاملة من تقنيات ما بعد المعالجة، بالإضافة إلى خدمات التصميم الشاملة التي تستفيد من خبرتها الواسعة في الصناعة. تشمل هذه التقنيات التلميع الكهربائي، والنفخ الرملي، والتخليل، واللحام بالليزر، والضبط الحراري، والتشكيل، والتخميل، واختبار درجة حرارة Af، واختبار التعب، وكلها أساسية في تصنيع أجهزة Nitinol. قال برينزل إن استخدام المعالجة اللاحقة للتحكم في تشطيب الحافة "يعتمد عادةً على ما إذا كنا نتحدث عن تطبيق عالي التعب أو منخفض التعب. على سبيل المثال، قد ينحني جزء عالي التعب مثل صمام القلب مليار مرة على مدار عمره كمعالجة لاحقة كخطوة، من المهم استخدام النفخ الرملي لزيادة نصف قطر جميع الحواف. لكن المكونات منخفضة التعب مثل أنظمة التوصيل أو الأسلاك التوجيهية غالبًا لا تتطلب معالجة لاحقة مكثفة. " وفيما يتعلق بخبرة التصميم، يوضح برينزل أن هناك الآن ما يصل إلى ثلاثة أرباع العملاء يستخدمون أيضًا خدمات التصميم الخاصة بهم للاستفادة من مساعدة NPX ومهاراتها في الحصول على موافقة إدارة الغذاء والدواء. وتتميز الشركة بقدرتها الكبيرة على تحويل مفهوم "رسم المناديل" إلى منتج في شكله النهائي في فترة زمنية قصيرة.
Motion Dynamics (Fruitport, MI) هي شركة مصنعة للينابيع المصغرة المخصصة والملفات الطبية وتجميعات الأسلاك، مهمتها حل مشاكل العملاء، بغض النظر عن مدى تعقيدها أو استحالة حدوثها، في أقصر وقت ممكن. في الأجهزة الطبية، تركز 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 "سحب الأسلاك".
كما ذكرنا سابقًا، يعتمد اختيار ليزر الألياف أو ليزر USP على تفضيلات المهندسين، بالإضافة إلى نوع المعدات والعمليات المدعومة. أوضح كريس ويذام، رئيس شركة Motion Dynamics: "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. لتصنيع المكونات عالية القيمة و"الصعبة" التي أصبحت تخصصنا وسمعتنا؛ ولا نقدم القطع بالليزر كخدمة تعاقدية. لقد وجدنا أن معظم عمليات القطع بالليزر التي نجريها تُجرى بشكل أفضل باستخدام ليزر USP، ولقد استخدمتُ لسنوات عديدة أنبوب StarCut مع أحد هذه الليزرات. ونظرًا للطلب الكبير على منتجاتنا، لدينا نوبتان عمل يوميًا لمدة 8 ساعات، وأحيانًا ثلاث نوبات، وفي عام 2019، نحتاج إلى شراء أنبوب StarCut آخر لدعم هذا النمو. ولكن هذه المرة، قررنا استخدام أحد النماذج الهجينة الجديدة من ليزرات الفيمتوثانية USP وليزر الألياف. كما قمنا بإقرانها بـ تم استخدام جهاز تحميل/تفريغ StarFeed حتى نتمكن من أتمتة عملية القطع بالكامل - حيث يقوم المشغل ببساطة بوضع المادة الفارغة. يتم تحميل الأنبوب في جهاز التغذية ويتم تشغيل برنامج التشغيل الخاص بالمنتج.
الشكل 3. تم قطع أنبوب التوصيل المرن المصنوع من الفولاذ المقاوم للصدأ (الموضح بجوار ممحاة قلم رصاص) باستخدام ليزر فيمتوثانية موناكو.
ويضيف Witham أنه على الرغم من أنهم يستخدمون الآلة أحيانًا للقطع المسطح، فإن أكثر من 95 بالمائة من وقتهم يُقضى في إنشاء أو تعديل المنتجات الأسطوانية لتجميعات القسطرة القابلة للتوجيه، وهي الأنابيب السفلية والملفات واللولب، بما في ذلك قطع الأطراف المقطوعة والثقوب المقطوعة. تُستخدم هذه المكونات في النهاية في إجراءات مثل إصلاح تمدد الأوعية الدموية وإزالة الخثرة. وهذا يتطلب استخدام قواطع الليزر على مجموعة متنوعة من المعادن بما في ذلك الفولاذ المقاوم للصدأ والذهب الخالص والبلاتين والنيتينول.
الشكل 4. تستخدم Motion Dynamics أيضًا اللحام بالليزر على نطاق واسع. أعلاه، تم لحام الملف إلى الأنبوب المقطوع بالليزر.
ما هي خيارات الليزر المتاحة؟ أوضح ويذام أن جودة الحواف الممتازة والحد الأدنى من الشقوق أمران أساسيان لمعظم مكونات الشركة، ولذلك فضلوا في البداية ليزرات USP. بالإضافة إلى ذلك، لا يمكن قطع أي من المواد التي تستخدمها الشركة باستخدام هذه الليزرات، بما في ذلك المكونات الذهبية الدقيقة المستخدمة كعلامات معتمة للأشعة السينية في بعض منتجاتها. لكنه أضاف أن الخيارات الهجينة الجديدة، بما في ذلك ليزرات الألياف وUSP، تمنحهم مرونة أكبر في تحسين جودة السرعة والحواف. وقال: "لا شك في أن الألياف الضوئية قادرة على توفير سرعات أعلى. ولكن نظرًا لتركيزنا على التطبيقات، فإن هذا يعني عادةً نوعًا من المعالجة اللاحقة، مثل التنظيف الكيميائي والموجات فوق الصوتية أو التلميع الكهربائي. لذا، فإن وجود آلة هجينة يتيح لنا اختيار العملية الكلية - USP وحده أو الألياف والمعالجة اللاحقة - الأمثل لكل مكون. كما يسمح لنا باستكشاف إمكانية التشغيل الهجين لنفس المكون، خاصةً عندما يتعلق الأمر بأقطار وسمك جدار أكبر: حتى القطع السريع باستخدام ليزرات الألياف، ثم استخدام ليزر فيمتوثانية للقطع الدقيق." ويتوقع أن يظل ليزر USP خيارهم الأول، لأن معظم عمليات القطع بالليزر التي يقومون بها تتضمن سماكة جدار تتراوح بين 4 و6 آلاف، على الرغم من أنهم يواجهون سماكة جدار تتراوح بين 1 و20 ألف. أما أنابيب الفولاذ المقاوم للصدأ، فتتراوح سماكتها بين ألف وألف.
وفي الختام، تعد عمليات القطع والحفر بالليزر عمليات أساسية في تصنيع الأجهزة الطبية المختلفة. واليوم، بفضل التقدم في تكنولوجيا الليزر الأساسية والآلات المحسّنة للغاية والمصممة لتلبية الاحتياجات المحددة للصناعة، أصبحت هذه العمليات أسهل في الاستخدام وتقدم نتائج أفضل من أي وقت مضى.