Αυτός ο ιστότοπος λειτουργεί από μία ή περισσότερες επιχειρήσεις που ανήκουν στην Informa PLC και όλα τα πνευματικά δικαιώματα ανήκουν σε αυτές. Η έδρα της Informa PLC είναι 5 Howick Place, Λονδίνο SW1P 1WG. Είναι εγγεγραμμένη στην Αγγλία και την Ουαλία με αριθμό μητρώου 8860726.
Σήμερα, σχεδόν όλες οι ακριβείς κοπές με λέιζερ μετάλλων και μη μετάλλων πραγματοποιούνται χρησιμοποιώντας εργαλεία εξοπλισμένα με λέιζερ ινών ή λέιζερ υπερβραχέων παλμών (USP), ή μερικές φορές και τα δύο. Σε αυτό το άρθρο, θα εξηγήσουμε τα διαφορετικά πλεονεκτήματα των δύο λέιζερ και θα δούμε πώς χρησιμοποιούν και οι δύο κατασκευαστές αυτά τα λέιζερ. Η NPX Medical (Plymouth, MN) είναι μια εταιρεία εξειδικευμένης επεξεργασίας με συμβόλαιο που κατασκευάζει μια ποικιλία συσκευών και εργαλείων ανάπτυξης, όπως στεντ, εμφυτεύματα και εύκαμπτους σωλήνες, χρησιμοποιώντας μηχανήματα που ενσωματώνουν λέιζερ ινών. Η Motion Dynamics κατασκευάζει υποσυγκροτήματα, όπως συγκροτήματα "pull wire" που χρησιμοποιούνται κυρίως στη νευρολογία, χρησιμοποιώντας μια μηχανή που περιλαμβάνει ένα femtosecond laser USP και ένα από τα πιο πρόσφατα υβριδικά συστήματα, συμπεριλαμβανομένων των femtosecond laser και των fiber laser για μέγιστη ευελιξία και ευελιξία.
Για πολλά χρόνια, οι περισσότερες μικροκατεργασίες με λέιζερ εκτελούνταν χρησιμοποιώντας λέιζερ στερεάς κατάστασης νανοδευτερολέπτων που ονομάζονται λέιζερ DPSS. Ωστόσο, αυτό έχει πλέον αλλάξει εντελώς χάρη στην ανάπτυξη δύο εντελώς διαφορετικών, και επομένως συμπληρωματικών, τύπων λέιζερ. Αρχικά αναπτυχθέντα για τηλεπικοινωνίες, τα λέιζερ οπτικών ινών έχουν ωριμάσει σε λέιζερ επεξεργασίας υλικών σε πολλές βιομηχανίες, συχνά σε μήκη κύματος εγγύς υπέρυθρου. Οι λόγοι για την επιτυχία τους έγκεινται στην απλή αρχιτεκτονική τους και την απλή κλιμάκωση ισχύος. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα λέιζερ που είναι συμπαγή, εξαιρετικά αξιόπιστα και εύκολα ενσωματώνονται σε εξειδικευμένα μηχανήματα και γενικά προσφέρουν χαμηλότερο κόστος ιδιοκτησίας από τους παλαιότερους τύπους λέιζερ. Σημαντικό για τη μικροκατεργασία είναι ότι η δέσμη εξόδου μπορεί να εστιαστεί σε ένα μικρό, καθαρό σημείο διαμέτρου μόνο μερικών μικρών, επομένως είναι ιδανικά για κοπή, συγκόλληση και διάτρηση υψηλής ανάλυσης. Οι έξοδοί τους είναι επίσης πολύ ευέλικτες και ελεγχόμενες, με ρυθμούς παλμών που κυμαίνονται από μία βολή έως 170 kHz. Μαζί με την κλιμακούμενη ισχύ, αυτό υποστηρίζει γρήγορη κοπή και διάτρηση.
Ωστόσο, ένα πιθανό μειονέκτημα των λέιζερ οπτικών ινών στην μικροκατεργασία είναι η κατεργασία μικρών χαρακτηριστικών ή/και λεπτών, ευαίσθητων εξαρτημάτων. Οι μεγάλες διάρκειες παλμών (π.χ., 50 µs) έχουν ως αποτέλεσμα μια μικρή ποσότητα ζώνης που επηρεάζεται από τη θερμότητα (HAZ), όπως το υλικό ανακατασκευής, και μικρή τραχύτητα στις άκρες, η οποία μπορεί να απαιτεί κάποια μετεπεξεργασία. Ευτυχώς, τα νεότερα λέιζερ - λέιζερ εξαιρετικά βραχέων παλμών (USP) με παλμούς εξόδου femtosecond - εξαλείφουν το πρόβλημα HAZ.
Με τα λέιζερ USP, το μεγαλύτερο μέρος της επιπλέον θερμότητας που σχετίζεται με τη διαδικασία κοπής ή διάτρησης μεταφέρεται στα εκτοξευόμενα υπολείμματα πριν προλάβει να διαχυθεί στο περιβάλλον υλικό. Τα λέιζερ USP με έξοδο πικοδευτερολέπτων χρησιμοποιούνται από καιρό σε εφαρμογές μικροκατεργασίας που περιλαμβάνουν πλαστικά, ημιαγωγούς, κεραμικά και ορισμένα μέταλλα (πικοδευτερολέπτα = 10-12 δευτερόλεπτα). Αλλά για μεταλλικές συσκευές με κολώνες στο μέγεθος μιας ανθρώπινης τρίχας, η υψηλή θερμική αγωγιμότητα και το μικροσκοπικό μέγεθος του μετάλλου σημαίνουν ότι τα λέιζερ πικοδευτερολέπτων δεν παρέχουν πάντα τα βελτιωμένα αποτελέσματα που θα δικαιολογούσαν το αυξημένο κόστος των προηγούμενων λέιζερ USP. Αυτό έχει πλέον αλλάξει με την έλευση των λέιζερ φεμτοδευτερολέπτων βιομηχανικής ποιότητας (φεμτοδευτερολέπτα = 10-15 δευτερόλεπτα). Ένα παράδειγμα είναι η σειρά λέιζερ Monaco της Coherent Inc. Όπως και τα λέιζερ οπτικών ινών, η έξοδος τους είναι εγγύς υπέρυθρο φως, που σημαίνει ότι μπορούν να κόψουν ή να τρυπήσουν όλα τα μέταλλα που χρησιμοποιούνται σε ιατρικές συσκευές, συμπεριλαμβανομένου του ανοξείδωτου χάλυβα, της πλατίνας, του χρυσού, του μαγνησίου, του κοβαλτίου-χρωμίου, του τιτανίου και άλλων, καθώς και μη μετάλλων. Ενώ ο συνδυασμός μικρής διάρκειας παλμού και Η χαμηλή ενέργεια παλμού αποτρέπει τη θερμική βλάβη (HAZ), ενώ ο υψηλός ρυθμός επανάληψης (MHz) εξασφαλίζει οικονομικά αποδοτικές ταχύτητες απόδοσης για πολλές ιατρικές συσκευές υψηλής αξίας.
Φυσικά, σχεδόν κανείς στον κλάδο μας δεν χρειάζεται μόνο ένα λέιζερ. Αντίθετα, χρειάζονται μια μηχανή που βασίζεται σε λέιζερ και τώρα υπάρχουν πολλά εξειδικευμένα μηχανήματα βελτιστοποιημένα για την κοπή και τη διάτρηση ιατρικών συσκευών. Ένα παράδειγμα είναι η σειρά StarCut Tube της Coherent, η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί με λέιζερ οπτικών ινών, λέιζερ femtosecond ή ως υβριδική έκδοση που ενσωματώνει και τους δύο τύπους λέιζερ.
Τι σημαίνει η εξειδίκευση σε ιατρικές συσκευές; Οι περισσότερες από αυτές τις συσκευές παράγονται σε περιορισμένες παρτίδες με βάση προσαρμοσμένα σχέδια. Επομένως, η ευελιξία και η ευκολία χρήσης είναι βασικές παράμετροι. Ενώ πολλές συσκευές κατασκευάζονται από μπιγιέτες, ορισμένα εξαρτήματα πρέπει να υποβάλλονται σε κατεργασία ακριβείας από επίπεδες μπιγιέτες. Το ίδιο μηχάνημα πρέπει να χειρίζεται και τα δύο για να μεγιστοποιήσει την αξία του. Αυτές οι ανάγκες συνήθως καλύπτονται παρέχοντας κίνηση πολλαπλών αξόνων ελεγχόμενη από CNC (xyz και περιστροφική) και ένα φιλικό προς το χρήστη HMI για απλό προγραμματισμό και έλεγχο. Στην περίπτωση του StarCut Tube, μια νέα επιλογή μονάδας φόρτωσης σωλήνων διαθέτει ένα γεμιστήρα πλευρικής φόρτωσης (που ονομάζεται StarFeed) για σωλήνες μήκους έως 3 m και έναν διαλογέα για κομμένα προϊόντα, επιτρέποντας την πλήρως αυτοματοποιημένη παραγωγή.
Η ευελιξία της διαδικασίας αυτών των μηχανημάτων ενισχύεται περαιτέρω με την υποστήριξη για υγρή και ξηρή κοπή και τα εύκολα ρυθμιζόμενα ακροφύσια παροχής για διαδικασίες που απαιτούν βοηθητικό αέριο. Η χωρική ανάλυση είναι επίσης ιδιαίτερα σημαντική για την κατεργασία πολύ μικρών εξαρτημάτων, πράγμα που σημαίνει ότι η θερμομηχανική σταθερότητα εξαλείφει τις επιπτώσεις των κραδασμών που συναντώνται συχνά στα μηχανουργεία. Η σειρά StarCut Tube καλύπτει αυτήν την ανάγκη κατασκευάζοντας ολόκληρο το πλαίσιο κοπής με μεγάλο αριθμό στοιχείων από γρανίτη.
Η NPX Medical είναι ένας σχετικά νέος κατασκευαστής συμβάσεων που παρέχει υπηρεσίες σχεδιασμού, μηχανικής και ακριβούς κοπής με λέιζερ σε κατασκευαστές ιατρικών συσκευών. Ιδρύθηκε το 2019 και έχει χτίσει μια φήμη στον κλάδο για τα ποιοτικά προϊόντα και την ανταπόκριση, υποστηρίζοντας ένα ευρύ φάσμα συσκευών, όπως στεντ, εμφυτεύματα, στεντ βαλβίδων και εύκαμπτους σωλήνες χορήγησης για παρόμοιες ποικίλες χειρουργικές επεμβάσεις, όπως νευροαγγειακές, καρδιακές, νεφρικές, σπονδυλικές, ορθοπεδικές, γυναικολογικές και γαστρεντερικές χειρουργικές επεμβάσεις. Ο κύριος κόφτης λέιζερ είναι ο StarCut Tube 2+2 με StarFiber 320FC με μέση ισχύ 200 watt. Ο Mike Brenzel, ένας από τους ιδρυτές της NPX, εξήγησε ότι «οι ιδρυτές φέρνουν χρόνια εμπειρίας στο σχεδιασμό και την κατασκευή ιατρικών συσκευών - περισσότερα από 90 χρόνια συνολικά», με προηγούμενη εμπειρία με μηχανήματα τύπου StarCut που χρησιμοποιούν λέιζερ οπτικών ινών. Μεγάλο μέρος της εργασίας μας περιλαμβάνει κοπή Nitinol και ήδη γνωρίζουμε ότι τα λέιζερ οπτικών ινών μπορούν να παρέχουν την ταχύτητα και την ποιότητα που χρειαζόμαστε. Για συσκευές όπως σωλήνες με παχύ τοίχωμα και καρδιακές βαλβίδες, χρειαζόμαστε ταχύτητα και το λέιζερ USP μπορεί να είναι πολύ αργό για τις ανάγκες μας. Επιπλέον, σε παραγγελίες παραγωγής μεγάλου όγκου – ειδικευόμαστε σε μικρές παρτίδες εξαρτημάτων – μόνο μεταξύ 5 και 150 τεμαχίων – ο στόχος μας είναι να ολοκληρώσουμε αυτές τις μικρές παρτίδες παραγωγής σε λίγες μόνο ημέρες, συμπεριλαμβανομένου του σχεδιασμού, του προγραμματισμού, της κοπής, της διαμόρφωσης, της μετέπειτα επεξεργασίας και της επιθεώρησης, σε σύγκριση με τις εβδομάδες μετά την υποβολή μιας παραγγελίας για τις μεγαλύτερες εταιρείες.»Εκτός από την αναφορά στην ταχύτητα, ο Brenzel ανέφερε την αξιοπιστία του μηχανήματος ως σημαντικό πλεονέκτημα, καθώς δεν απαιτήθηκε ούτε μία κλήση σέρβις τους τελευταίους 18 μήνες σχεδόν συνεχούς λειτουργίας.
Σχήμα 2. Το NPX προσφέρει μια ποικιλία επιλογών μετεπεξεργασίας. Το υλικό που φαίνεται εδώ είναι ανοξείδωτος χάλυβας T316 με εξωτερική διάμετρο 5 mm και πάχος τοιχώματος 0,254 mm. Το αριστερό μέρος έχει κοπεί/μικροβλαστηθεί και το δεξί μέρος έχει υποστεί ηλεκτροστίλβωση.
Εκτός από τα εξαρτήματα από νιτινόλη, η εταιρεία κάνει επίσης εκτεταμένη χρήση κραμάτων κοβαλτίου-χρωμίου, κραμάτων τανταλίου, κραμάτων τιτανίου και πολλών τύπων ιατρικών ανοξείδωτων χαλύβων. Ο Jeff Hansen, Διευθυντής Επεξεργασίας Λέιζερ, εξηγεί: «Η ευελιξία της μηχανής είναι ένα άλλο σημαντικό πλεονέκτημα, που μας επιτρέπει να υποστηρίζουμε την κοπή μιας πολύ διαφορετικής γκάμας υλικών, συμπεριλαμβανομένων των σωλήνων και των επίπεδων. Μπορούμε να εστιάσουμε τη δέσμη σε ένα σημείο 20 μικρών, το οποίο είναι χρήσιμο για περισσότερα. Οι λεπτοί σωλήνες είναι πολύ χρήσιμοι. Μερικοί από αυτούς τους σωλήνες έχουν μόνο 0,012″ ID και η υψηλή αναλογία μέγιστης ισχύος προς μέση ισχύ των πιο πρόσφατων λέιζερ οπτικών ινών μεγιστοποιεί την ταχύτητα κοπής μας, παρέχοντας παράλληλα την επιθυμητή ποιότητα ακμής. Χρειαζόμαστε απολύτως την ταχύτητα μεγαλύτερων προϊόντων με εξωτερική διάμετρο έως 1 ίντσα.»
Εκτός από την κοπή ακριβείας και την γρήγορη απόκριση, η NPX προσφέρει επίσης μια πλήρη γκάμα τεχνολογιών μετεπεξεργασίας, καθώς και ολοκληρωμένες υπηρεσίες σχεδιασμού που αξιοποιούν την εκτεταμένη εμπειρία της στον κλάδο. Αυτές οι τεχνικές περιλαμβάνουν ηλεκτρολυτική στίλβωση, αμμοβολή, αποξείδωση, συγκόλληση με λέιζερ, θερμική σκλήρυνση, διαμόρφωση, παθητικοποίηση, δοκιμές θερμοκρασίας Af και δοκιμές κόπωσης, οι οποίες είναι όλες βασικές για την κατασκευή συσκευών Nitinol. Η χρήση μετεπεξεργασίας για τον έλεγχο του φινιρίσματος των άκρων, δήλωσε ο Brenzel, «συνήθως εξαρτάται από το αν μιλάμε για εφαρμογή υψηλής ή χαμηλής κόπωσης. Για παράδειγμα, ένα εξάρτημα υψηλής κόπωσης, όπως μια καρδιακή βαλβίδα, μπορεί να λυγίσει ένα δισεκατομμύριο φορές κατά τη διάρκεια ζωής του ως μετεπεξεργασία. Ως βήμα, είναι σημαντικό να χρησιμοποιήσετε αμμοβολή για να αυξήσετε την ακτίνα όλων των άκρων. Αλλά τα εξαρτήματα χαμηλής κόπωσης, όπως τα συστήματα χορήγησης ή τα σύρματα οδήγησης, συχνά δεν απαιτούν εκτεταμένη μετεπεξεργασία». Όσον αφορά την εξειδίκευση στο σχεδιασμό, εξηγεί ο Brenzel, πλέον έως και τα τρία τέταρτα των πελατών χρησιμοποιούν επίσης τις υπηρεσίες σχεδιασμού τους για να επωφεληθούν από τη βοήθεια και τις δεξιότητες της NPX για την απόκτηση έγκρισης από τον FDA. Η εταιρεία είναι πολύ καλή στο να μετατρέπει την ιδέα του «σκίτσου χαρτοπετσέτας» σε προϊόν στην τελική της μορφή σε σύντομο χρονικό διάστημα.
Η Motion Dynamics (Fruitport, MI) είναι ένας κατασκευαστής προσαρμοσμένων μικροσκοπικών ελατηρίων, ιατρικών πηνίων και συρμάτων, με αποστολή την επίλυση προβλημάτων πελατών, ανεξάρτητα από το πόσο πολύπλοκα ή φαινομενικά αδύνατα είναι, στον συντομότερο δυνατό χρόνο. Στις ιατρικές συσκευές, δίνει έμφαση κυρίως σε σύνθετα συγκροτήματα για νευροαγγειακή χειρουργική, συμπεριλαμβανομένου του σχεδιασμού, της παραγωγής και της συναρμολόγησης συρμάτων υψηλής ποιότητας για εφαρμογές όπως συσκευές κατευθυνόμενου καθετήρα, συμπεριλαμβανομένων των συγκροτημάτων "pull wire".
Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, η επιλογή λέιζερ οπτικών ινών ή USP είναι θέμα προτίμησης της μηχανικής, καθώς και του τύπου του εξοπλισμού και των διαδικασιών που υποστηρίζονται. Ο Chris Witham, Πρόεδρος της Motion Dynamics, εξήγησε: «Με βάση ένα επιχειρηματικό μοντέλο που επικεντρώνεται σε μεγάλο βαθμό στα νευροαγγειακά προϊόντα, μπορούμε να προσφέρουμε διαφοροποιημένα αποτελέσματα στον σχεδιασμό, την εκτέλεση και την εξυπηρέτηση. Χρησιμοποιούμε κοπή με λέιζερ μόνο για την παραγωγή των εξαρτημάτων που χρησιμοποιούμε εσωτερικά, για την κατασκευή των υψηλής αξίας, «δύσκολων» εξαρτημάτων που έχουν γίνει η ειδικότητά μας και η φήμη μας. Δεν προσφέρουμε κοπή με λέιζερ ως υπηρεσία σύμβασης. Έχουμε διαπιστώσει ότι οι περισσότερες κοπές με λέιζερ που εκτελούμε γίνονται καλύτερα με λέιζερ USP και για πολλά χρόνια χρησιμοποιώ έναν σωλήνα StarCut με ένα από αυτά τα λέιζερ. Λόγω της ισχυρής ζήτησης για τα προϊόντα μας, έχουμε δύο βάρδιες 8 ωρών την ημέρα, μερικές φορές ακόμη και τρεις βάρδιες, και το 2019 πρέπει να αποκτήσουμε έναν ακόμη σωλήνα StarCut για να υποστηρίξουμε αυτήν την ανάπτυξη. Αλλά αυτή τη φορά, αποφασίσαμε να επιλέξουμε ένα από τα νέα υβριδικά μοντέλα λέιζερ femtosecond USP και λέιζερ οπτικών ινών. Το συνδυάσαμε επίσης με έναν φορτωτή/εκφορτωτή StarFeed». έτσι ώστε να μπορέσουμε να αυτοματοποιήσουμε πλήρως την κοπή - ο χειριστής απλώς βάζει το κενό. Ο σωλήνας φορτώνεται στον τροφοδότη και ξεκινά το πρόγραμμα λειτουργίας λογισμικού για το προϊόν.
Σχήμα 3. Αυτός ο εύκαμπτος σωλήνας χορήγησης από ανοξείδωτο χάλυβα (φαίνεται δίπλα σε μια γόμα μολυβιού) έχει κοπεί με ένα φεμτοδευτερολέπτο λέιζερ Monaco.
Ο Γουίθαμ προσθέτει ότι ενώ περιστασιακά χρησιμοποιούν το μηχάνημα για επίπεδη κοπή, περισσότερο από το 95% του χρόνου τους αφιερώνεται στη δημιουργία ή την τροποποίηση κυλινδρικών προϊόντων για τα κατευθυνόμενα συγκροτήματα καθετήρων τους, δηλαδή υποσωλήνες, πηνία και σπείρες, συμπεριλαμβανομένης της κοπής προφίλ άκρων και οπών κοπής. Αυτά τα εξαρτήματα χρησιμοποιούνται τελικά σε διαδικασίες όπως η επιδιόρθωση ανευρύσματος και η αφαίρεση θρόμβου. Αυτό απαιτεί τη χρήση κοπτικών λέιζερ σε μια ποικιλία μετάλλων, όπως ανοξείδωτο χάλυβα, καθαρό χρυσό, πλατίνα και νιτινόλη.
Σχήμα 4. Η Motion Dynamics χρησιμοποιεί επίσης εκτενώς τη συγκόλληση με λέιζερ. Παραπάνω, το πηνίο έχει συγκολληθεί στον σωλήνα που έχει κοπεί με λέιζερ.
Ποιες είναι οι επιλογές λέιζερ; Ο Witham εξήγησε ότι η εξαιρετική ποιότητα των άκρων και οι ελάχιστες εγκοπές είναι κρίσιμες για τα περισσότερα από τα εξαρτήματά τους, επομένως αρχικά προτίμησαν τα λέιζερ USP. Επιπλέον, κανένα από τα υλικά που χρησιμοποιεί η εταιρεία δεν μπορεί να κοπεί από ένα από αυτά τα λέιζερ, συμπεριλαμβανομένων των μικροσκοπικών χρυσών εξαρτημάτων που χρησιμοποιούνται ως ακτινοσκιεροί δείκτες σε ορισμένα από τα προϊόντα της. Πρόσθεσε όμως ότι οι νέες υβριδικές επιλογές, συμπεριλαμβανομένων των λέιζερ οπτικών ινών και των USP, τους δίνουν μεγαλύτερη ευελιξία στη βελτιστοποίηση ζητημάτων ταχύτητας/ποιότητας άκρων. «Δεν υπάρχει αμφιβολία ότι οι οπτικές ίνες μπορούν να παρέχουν υψηλότερες ταχύτητες», είπε. «Αλλά λόγω της ιδιαίτερης εστίασης στην εφαρμογή μας, αυτό συνήθως σημαίνει κάποιο είδος μετεπεξεργασίας, όπως χημικός και υπερηχητικός καθαρισμός ή ηλεκτροστίλβωση. Έτσι, η κατοχή μιας υβριδικής μηχανής μας επιτρέπει να επιλέξουμε ποια συνολική διαδικασία - μόνο USP ή χειρισμός οπτικών ινών και μετεπεξεργασίας - είναι βέλτιστη για κάθε εξάρτημα. Μας επιτρέπει να διερευνήσουμε την πιθανότητα υβριδικής κατεργασίας του ίδιου εξαρτήματος, ειδικά όταν εμπλέκονται μεγαλύτερες διαμέτρους και πάχη τοιχωμάτων: ακόμη και γρήγορη κοπή με λέιζερ οπτικών ινών. Στη συνέχεια, χρησιμοποιήστε ένα femtosecond laser για λεπτή κοπή.» Αναμένει ότι το λέιζερ USP θα παραμείνει η πρώτη τους επιλογή, επειδή οι περισσότερες από τις κοπές λέιζερ που κάνουν περιλαμβάνουν πάχη τοιχωμάτων μεταξύ 4 και 6 χιλιάδων, αν και συναντούν πάχη τοιχωμάτων που κυμαίνονται από 1 έως 20 χιλιάδες. Οι σωλήνες από ανοξείδωτο χάλυβα κυμαίνονται μεταξύ χιλιάδων.
Συμπερασματικά, η κοπή και η διάτρηση με λέιζερ είναι βασικές διαδικασίες στην κατασκευή διαφόρων ιατρικών συσκευών. Σήμερα, χάρη στις εξελίξεις στην βασική τεχνολογία λέιζερ και στα μηχανήματα υψηλής βελτιστοποίησης που έχουν διαμορφωθεί για τις συγκεκριμένες ανάγκες του κλάδου, αυτές οι διαδικασίες είναι πιο εύχρηστες και προσφέρουν καλύτερα αποτελέσματα από ποτέ.