Този уебсайт се управлява от една или повече фирми, собственост на Informa PLC, и всички авторски права са тяхна собственост. Регистрираният офис на Informa PLC е на адрес 5 Howick Place, London SW1P 1WG. Регистрирана в Англия и Уелс. № 8860726.
Днес почти цялото прецизно лазерно рязане на метали и неметали се извършва с помощта на инструменти, оборудвани с фибро лазери или ултракъси импулсни (USP) лазери, или понякога и с двете. В тази статия ще обясним различните предимства на двата лазера и ще видим как и двата производителя ги използват. NPX Medical (Плимут, Минесота) е компания за специализирана обработка по договор, която произвежда различни устройства и инструменти за внедряване, като стентове, импланти и гъвкави тръби, използвайки машини, които включват фибро лазери. Motion Dynamics произвежда подкомплекти, като например „pull wire“ модули, използвани предимно в неврологията, използвайки машина, която включва USP фемтосекунден лазер и една от най-новите хибридни системи, включващи фемтосекундни и фибро лазери за максимална гъвкавост и универсалност.
В продължение на много години по-голямата част от лазерната микрообработка се извършваше с помощта на твърдотелни наносекундни лазери, наречени DPSS лазери. Това обаче сега се промени напълно благодарение на разработването на два напълно различни и следователно допълващи се типа лазери. Първоначално разработени за телекомуникациите, влакнестите лазери са се превърнали в лазери за обработка на материали в много индустрии, често в близкия инфрачервен спектър. Причините за успеха им се крият в простата им архитектура и лесната мащабируемост на мощността. Това води до лазери, които са компактни, високонадеждни и лесни за интегриране в специализирани машини и като цяло предлагат по-ниска цена на притежание от по-старите типове лазери. Важно за микрообработката е, че изходният лъч може да бъде фокусиран в малко, чисто петно ​​с диаметър само няколко микрона, така че те са идеални за рязане, заваряване и пробиване с висока резолюция. Техните изходи също са много гъвкави и контролируеми, с честота на импулсите, варираща от единичен импулс до 170 kHz. Наред с мащабируемата мощност, това поддържа бързо рязане и пробиване.
Въпреки това, потенциален недостатък на влакнестите лазери при микрообработката е обработката на малки детайли и/или тънки, деликатни части. Дългите (напр. 50 µs) продължителности на импулсите водят до малко количество зона, засегната от топлина (HAZ), като например повторно отлят материал, и малка грапавост на ръбовете, което може да изисква известна последваща обработка. За щастие, по-новите лазери – лазери с ултракъси импулси (USP) с фемтосекундни изходни импулси – елиминират проблема с HAZ.
При USP лазерите по-голямата част от допълнителната топлина, свързана с процеса на рязане или пробиване, се отвежда в изхвърлените отломки, преди да имат време да дифундират в околния материал. USP лазерите с пикосекундна мощност отдавна се използват в микрообработка, включваща пластмаси, полупроводници, керамика и някои метали (пикосекунди = 10-12 секунди). Но за метални устройства с колони с размерите на човешки косъм, високата топлопроводимост и малкият размер на метала означават, че пикосекундните лазери не винаги осигуряват подобрените резултати, които биха оправдали повишената цена на по-ранните USP лазери. Това сега се промени с появата на индустриални фемтосекундни лазери (фемтосекунда = 10-15 секунди). Пример за това е серията лазери Monaco на Coherent Inc. Подобно на влакнестите лазери, тяхната мощност е близка инфрачервена светлина, което означава, че те могат да режат или пробиват всички метали, използвани в медицинските устройства, включително неръждаема стомана, платина, злато, магнезий, кобалт-хром, титан и други, както и неметали. Докато комбинацията от кратка продължителност на импулса и нисък импулс... енергията предотвратява термично увреждане (HAZ), високата (MHz) честота на повторение осигурява рентабилни скорости на пропускане за много медицински устройства с висока стойност.
Разбира се, почти никой в ​​нашата индустрия не се нуждае само от един лазер. Вместо това, те се нуждаят от машина, базирана на лазер, и сега има много специализирани машини, оптимизирани за рязане и пробиване на медицински устройства. Пример за това е серията StarCut Tube на Coherent, която може да се използва с фибро лазери, фемтосекундни лазери или като хибридна версия, включваща и двата типа лазери.
Какво означава специализация в медицинските изделия? Повечето от тези устройства се произвеждат в ограничени партиди въз основа на персонализирани дизайни. Следователно, гъвкавостта и лекотата на използване са ключови съображения. Докато много устройства се произвеждат от заготовки, някои компоненти трябва да бъдат прецизно обработени от плоски заготовки; една и съща машина трябва да се справя и с двете, за да увеличи максимално стойността си. Тези нужди обикновено се задоволяват чрез осигуряване на многоосно CNC контролирано (xyz и ротационно) движение и удобен за потребителя HMI за лесно програмиране и управление. В случая на StarCut Tube, новата опция за модул за зареждане на тръби се предлага със странично списание за зареждане (наречено StarFeed) за тръби с дължина до 3 м и сортировчик за нарязани продукти, което позволява напълно автоматизирано производство.
Гъвкавостта на процеса на тези машини е допълнително подобрена чрез поддръжка на мокро и сухо рязане и лесно регулируеми дюзи за подаване за процеси, изискващи помощен газ. Пространствената разделителна способност е особено важна и за обработката на много малки части, което означава, че термомеханичната стабилност елиминира ефектите от вибрациите, често срещани в машинните цехове. Серията StarCut Tube отговаря на тази нужда, като изгражда цялата режеща платформа с голям брой гранитни елементи.
NPX Medical е сравнително нов производител по договор, предоставящ услуги за проектиране, инженеринг и прецизно лазерно рязане на производители на медицински изделия. Основана през 2019 г., компанията е изградила репутация в индустрията за качествени продукти и бърза реакция, поддържайки широка гама от устройства, включително стентове, импланти, клапни стентове и гъвкави тръби за доставка за разнообразни хирургични интервенции, включително невроваскуларни, сърдечни, бъбречни, гръбначни, ортопедични, гинекологични и стомашно-чревни операции. Основният ѝ лазерен резец е StarCut Tube 2+2 със StarFiber 320FC със средна мощност 200 вата. Майк Бренцел, един от основателите на NPX, обясни, че „основателите имат дългогодишен опит в проектирането и производството на медицински изделия - общо над 90 години“, с предишен опит с машини, подобни на StarCut, използващи влакнести лазери. Голяма част от нашата работа включва рязане с нитинол и вече знаем, че влакнестите лазери могат да осигурят скоростта и качеството, от които се нуждаем. За устройства като дебелостенни тръби и сърдечни клапи се нуждаем от скорост, а USP лазерът може да е твърде бавен за нашите нужди. В допълнение към поръчките за производство с голям обем – Ние сме специализирани в малки партиди части – само между 5 и 150 броя – нашата цел е да завършим тези малки партиди само за няколко дни, включително проектиране, програмиране, рязане, формоване, последваща обработка и проверка, в сравнение със седмиците след подаване на поръчка за по-големите компании.“ В допълнение към споменаването на скоростта, Бренцел посочи надеждността на машината като основно предимство, тъй като не е необходимо нито едно посещение за обслужване през последните 18 месеца почти непрекъсната работа.
Фигура 2. NPX предлага разнообразие от опции за последваща обработка. Показаният тук материал е неръждаема стомана T316 с външен диаметър 5 мм и дебелина на стената 0,254 мм. Лявата част е изрязана/микробластирана, а дясната част е електрополирана.
В допълнение към нитиноловите части, компанията използва широко и кобалтово-хромови сплави, танталови сплави, титанови сплави и много видове медицински неръждаеми стомани. Джеф Хансен, мениджър „Лазерна обработка“, обяснява: „Гъвкавостта на машината е друго важно предимство, което ни позволява да поддържаме рязане на много разнообразни материали, включително тръби и плоски повърхности. Можем да фокусираме лъча до точка от 20 микрона, което е полезно за по-тънки тръби. Тънките тръби са много полезни. Някои от тези тръби са с вътрешен диаметър само 0,012″, а високото съотношение на пикова мощност към средна мощност на най-новите влакнести лазери увеличава максимално скоростта на рязане, като същевременно осигурява желаното качество на ръбовете. Абсолютно се нуждаем от скоростта на по-големи продукти с външен диаметър до 1 инч.“
В допълнение към прецизното рязане и бързата реакция, NPX предлага и пълна гама от технологии за последваща обработка, както и цялостни дизайнерски услуги, които се възползват от богатия ѝ опит в индустрията. Тези техники включват електрополиране, пясъкоструене, ецване, лазерно заваряване, термично фиксиране, формоване, пасивация, изпитване на температура Af и изпитване за умора, всички от които са ключови за производството на Nitinol устройства. Използването на последваща обработка за контрол на обработката на ръбовете, каза Бренцел, „обикновено зависи от това дали говорим за приложение с висока или ниска умора. Например, част с висока умора, като сърдечна клапа, може да се огъне милиард пъти през целия си живот като последваща обработка. Като стъпка е важно да се използва пясъкоструене, за да се увеличи радиусът на всички ръбове. Но компонентите с ниска умора, като системи за доставка или направляващи жици, често не изискват обширна последваща обработка.“ По отношение на експертния опит в дизайна, Бренцел обяснява, че сега има цели три четвърти от клиентите, които също използват техните дизайнерски услуги, за да се възползват от помощта и уменията на NPX за получаване на одобрение от FDA. Компанията е много добра в превръщането на концепцията за „скица на салфетка“ в продукт в окончателния му вид за кратък период от време.
Motion Dynamics (Фруитпорт, Мичиган) е производител на миниатюрни пружини, медицински бобини и телени сглобки по поръчка, чиято мисия е да решава проблеми на клиентите, независимо колко сложни или на пръв поглед невъзможни са те, във възможно най-кратки срокове. В медицинските изделия, компанията набляга предимно на сложни сглобки за невроваскуларна хирургия, включително проектирането, производството и сглобяването на висококачествени телени сглобки за приложения като управляеми катетърни устройства, включително сглобки с „издърпваща тел“.
Както бе споменато по-рано, изборът на фибърен или USP лазер е въпрос на инженерни предпочитания, както и на вида оборудване и поддържани процеси. Крис Уитам, президент на Motion Dynamics, обясни: „Въз основа на бизнес модел, силно фокусиран върху невроваскуларни продукти, можем да постигнем диференцирани резултати в проектирането, изпълнението и обслужването. Използваме лазерно рязане само за производството на компонентите, които използваме вътрешно, за да произвеждаме висококачествените, „трудни“ компоненти, които са се превърнали в наша специалност и репутация; ние не предлагаме лазерно рязане като договорна услуга. Установихме, че повечето лазерни разрези, които извършваме, се извършват най-добре с USP лазери и от много години използвам StarCut Tube с един от тези лазери. Поради силното търсене на нашите продукти, имаме две 8-часови смени на ден, понякога дори три смени, а през 2019 г. трябва да придобием още една StarCut Tube, за да подкрепим този растеж. Но този път решихме да изберем един от новите хибридни модели фемтосекундни USP лазери и фибърни лазери. Също така го сдвоихме с устройство за зареждане/разтоварване StarFeed, така че...“ че бихме могли напълно да автоматизираме рязането – операторът просто поставя заготовката. Тръбата се зарежда в подаващото устройство и се стартира софтуерната операционна програма за продукта.
Фигура 3. Тази гъвкава тръба за подаване от неръждаема стомана (показана до гумичка за молив) е изрязана с фемтосекунден лазер Monaco.
Уитъм добавя, че макар понякога да използват машината за плоско рязане, повече от 95 процента от времето им се изразходва за създаване или модифициране на цилиндрични продукти за техните управляеми катетърни сглобки, а именно хипотръби, намотки и спирали, включително рязане на профилирани върхове и отвори. Тези компоненти в крайна сметка се използват в процедури като ремонт на аневризми и отстраняване на тромби. Това изисква използването на лазерни резачки върху различни метали, включително неръждаема стомана, чисто злато, платина и нитинол.
Фигура 4. Motion Dynamics също използва широко лазерно заваряване. По-горе, намотката е заварена към лазерно изрязаната тръба.
Какви са лазерните опции? Уитъм обясни, че отличното качество на ръбовете и минималните прорези са критични за повечето от техните компоненти, така че първоначално са предпочели USP лазерите. Освен това, никой от материалите, които компанията използва, не може да бъде рязан с един от тези лазери, включително малките златни компоненти, използвани като рентгеноконтрастни маркери в някои от нейните продукти. Но той добави, че новите хибридни опции, включително влакнестите лазери и USP, им дават по-голяма гъвкавост при оптимизиране на проблемите със скоростта/качеството на ръбовете. „Няма съмнение, че оптичните влакна могат да осигурят по-високи скорости“, каза той. „Но поради нашия специфичен фокус върху приложението, това обикновено означава някакъв вид последваща обработка, като химическо и ултразвуково почистване или електрополиране. Така че наличието на хибридна машина ни позволява да изберем кой цялостен процес – само USP или влакна и последваща обработка – е оптимален за всеки компонент. Това ни позволява да проучим възможността за хибридна обработка на един и същ компонент, особено когато става въпрос за по-големи диаметри и дебелини на стените: дори бързо рязане с влакнести лазери, след което да използваме фемтосекунден лазер за фино рязане.“ Той очаква, че лазерът USP ще остане техният първи избор, тъй като повечето от лазерните им разрези включват дебелини на стените между 4 и 6 хиляди, въпреки че срещат и дебелини на стените от 1 до 20 хиляди. Тръби от неръждаема стомана между хиляди.
В заключение, лазерното рязане и пробиване са ключови процеси в производството на различни медицински изделия. Днес, благодарение на напредъка в основните лазерни технологии и силно оптимизираните машини, конфигурирани за специфичните нужди на индустрията, тези процеси са по-лесни за използване и дават по-добри резултати от всякога.