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Hoy en día, casi todo el corte láser de precisión de metales y no metales se realiza utilizando herramientas equipadas con láseres de fibra o láseres de pulsos ultracortos (USP), o a veces ambos. En este artículo, explicaremos las diferentes ventajas de los dos tipos de láser y veremos cómo los utilizan ambos fabricantes. NPX Medical (Plymouth, MN) es una empresa de procesamiento especializado por contrato que fabrica una variedad de dispositivos y herramientas de implantación, como stents, implantes y tubos flexibles, utilizando máquinas que incorporan láseres de fibra. Motion Dynamics fabrica subconjuntos, como conjuntos de "cables de tracción" que se utilizan principalmente en neurología, utilizando una máquina que incluye un láser de femtosegundos USP y uno de los sistemas híbridos más recientes que incluye láseres de femtosegundos y de fibra para una máxima flexibilidad y versatilidad.
Durante muchos años, la mayor parte del micromecanizado láser se ha realizado utilizando láseres de nanosegundos de estado sólido llamados láseres DPSS. Sin embargo, esto ha cambiado por completo gracias al desarrollo de dos tipos de láser completamente diferentes y, por lo tanto, complementarios. Originalmente desarrollados para las telecomunicaciones, los láseres de fibra se han convertido en láseres de procesamiento de materiales de gran utilidad en muchas industrias, a menudo en longitudes de onda del infrarrojo cercano. Las razones de su éxito radican en su arquitectura simple y su escalabilidad de potencia directa. Esto da como resultado láseres compactos, altamente confiables y fáciles de integrar en máquinas especializadas, y generalmente ofrecen un menor costo de propiedad que los tipos de láser más antiguos. Importante para el micromecanizado, el haz de salida se puede enfocar en un punto pequeño y limpio de solo unas pocas micras de diámetro, por lo que son ideales para corte, soldadura y perforación de alta resolución. Sus salidas también son muy flexibles y controlables, con frecuencias de pulso que van desde un solo disparo hasta 170 kHz. Junto con la potencia escalable, esto permite cortes y perforaciones rápidos.
Sin embargo, una posible desventaja de los láseres de fibra en el micromecanizado es el mecanizado de características pequeñas y/o piezas delgadas y delicadas. Las duraciones de pulso largas (por ejemplo, 50 µs) dan como resultado una pequeña cantidad de zona afectada por el calor (ZAC), como material refundido y pequeñas rugosidades en los bordes, que pueden requerir algún procesamiento posterior. Afortunadamente, los láseres más nuevos, los láseres de pulso ultracorto (USP) con pulsos de salida de femtosegundos, eliminan el problema de la ZAC.
Con los láseres USP, la mayor parte del calor adicional asociado con el proceso de corte o perforación se elimina en los residuos expulsados ​​antes de que tenga tiempo de difundirse en el material circundante. Los láseres USP con salida de picosegundos se han utilizado durante mucho tiempo en aplicaciones de micromecanizado que involucran plásticos, semiconductores, cerámicas y ciertos metales (picosegundos = 10-12 segundos). Pero para dispositivos metálicos con pilares del tamaño de un cabello humano, la alta conductividad térmica del metal y su pequeño tamaño significan que los láseres de picosegundos no siempre proporcionan los resultados mejorados que justificarían el mayor costo de los láseres USP anteriores. Esto ha cambiado con la llegada de los láseres de femtosegundos de grado industrial (femtosegundos = 10-15 segundos). Un ejemplo es la serie de láseres Monaco de Coherent Inc. Al igual que los láseres de fibra, su salida es luz infrarroja cercana, lo que significa que pueden cortar o perforar todos los metales utilizados en dispositivos médicos, incluidos acero inoxidable, platino, oro, magnesio, cobalto-cromo, titanio y más, así como no metales.Si bien la combinación de una corta duración del pulso y una baja energía del pulso evita el daño térmico (ZAC), la alta frecuencia de repetición (MHz) garantiza velocidades de procesamiento rentables para muchos dispositivos médicos de alto valor.
Por supuesto, casi nadie en nuestra industria necesita un solo láser. En cambio, necesitan una máquina basada en láser, y actualmente existen muchas máquinas especializadas optimizadas para cortar y perforar dispositivos médicos. Un ejemplo es la serie StarCut Tube de Coherent, que se puede utilizar con láseres de fibra, láseres de femtosegundo o como una versión híbrida que incorpora ambos tipos de láser.
¿Qué significa la especialización en dispositivos médicos? La mayoría de estos dispositivos se producen en lotes limitados basados ​​en diseños personalizados. Por lo tanto, la flexibilidad y la facilidad de uso son consideraciones clave. Si bien muchos dispositivos se fabrican a partir de lingotes, algunos componentes deben mecanizarse con precisión a partir de lingotes planos; la misma máquina debe manejar ambos para maximizar su valor. Estas necesidades generalmente se satisfacen proporcionando movimiento controlado por CNC de múltiples ejes (xyz y rotatorio) y una HMI fácil de usar para una programación y control sencillos. En el caso de StarCut Tube, una nueva opción de módulo de carga de tubos viene con un cargador de carga lateral (llamado StarFeed) para tubos de hasta 3 m de longitud y un clasificador para productos cortados, lo que permite una producción totalmente automatizada.
La flexibilidad de proceso de estas máquinas se ve reforzada por la compatibilidad con el corte en húmedo y en seco, así como por las boquillas de suministro fácilmente ajustables para procesos que requieren gas auxiliar. La resolución espacial también es especialmente importante para el mecanizado de piezas muy pequeñas, lo que significa que la estabilidad termomecánica elimina los efectos de las vibraciones que suelen producirse en los talleres mecánicos. La gama StarCut Tube satisface esta necesidad mediante la construcción de toda la plataforma de corte con un gran número de elementos de granito.
NPX Medical es un fabricante por contrato relativamente nuevo que ofrece servicios de diseño, ingeniería y corte láser de precisión a fabricantes de dispositivos médicos. Fundada en 2019, la empresa se ha labrado una reputación en el sector por la calidad de sus productos y su capacidad de respuesta, dando soporte a una amplia gama de dispositivos, incluidos stents, implantes, stents valvulares y tubos de administración flexibles para procedimientos quirúrgicos e intervenciones igualmente diversas, como cirugía neurovascular, cardíaca, renal, de columna, ortopédica, ginecológica y gastrointestinal. Su principal cortadora láser es la StarCut Tube 2+2 con un StarFiber 320FC con una potencia media de 200 vatios. Mike Brenzel, uno de los fundadores de NPX, explicó que "los fundadores aportan años de experiencia en el diseño y la fabricación de dispositivos médicos, más de 90 años en total", con experiencia previa con máquinas similares a la StarCut que utilizan láseres de fibra. Gran parte de nuestro trabajo implica el corte de nitinol y ya sabemos que los láseres de fibra pueden proporcionar la velocidad y la calidad que necesitamos para dispositivos como tubos de paredes gruesas y dispositivos cardíacos. En el caso de las válvulas, necesitamos velocidad, y el láser USP puede ser demasiado lento para nuestras necesidades. Además de los pedidos de producción de alto volumen, nos especializamos en lotes pequeños de piezas, de entre 5 y 150 unidades. Nuestro objetivo es completar estos lotes pequeños en tan solo unos días, incluyendo el diseño, la programación, el corte, el conformado, el postprocesamiento y la inspección, en comparación con las semanas que tardan las empresas más grandes después de realizar un pedido. Además de mencionar la velocidad, Brenzel destacó la fiabilidad de la máquina como una gran ventaja, ya que no ha requerido ni una sola llamada de servicio en los últimos 18 meses de funcionamiento casi continuo.
Figura 2. NPX ofrece diversas opciones de postprocesamiento. El material que se muestra aquí es acero inoxidable T316 con un diámetro exterior de 5 mm y un espesor de pared de 0,254 mm. La parte izquierda está cortada/microarenada y la parte derecha está electropulida.
Además de las piezas de nitinol, la empresa también utiliza ampliamente aleaciones de cobalto-cromo, aleaciones de tantalio, aleaciones de titanio y muchos tipos de aceros inoxidables médicos. Jeff Hansen, gerente de procesamiento láser, explica: “La flexibilidad de la máquina es otro activo importante, que nos permite admitir el corte de una gama muy diversa de materiales, incluidos tubos y piezas planas. Podemos enfocar el haz hasta un punto de 20 micras, lo que es útil para tubos más delgados. Algunos de estos tubos tienen un diámetro interior de solo 0,012″, y la alta relación de potencia pico a potencia promedio de los láseres de fibra más recientes maximiza nuestra velocidad de corte al tiempo que proporciona la calidad de borde deseada. Necesitamos absolutamente la velocidad de productos más grandes con un diámetro exterior de hasta 1 pulgada”.
Además del corte de precisión y la respuesta rápida, NPX también ofrece una gama completa de tecnologías de postprocesamiento, así como servicios de diseño integrales que aprovechan su amplia experiencia en la industria. Estas técnicas incluyen electropulido, arenado, decapado, soldadura láser, termofijación, conformado, pasivación, pruebas de temperatura Af y pruebas de fatiga, todas ellas clave para la fabricación de dispositivos de Nitinol. El uso del postprocesamiento para controlar el acabado de los bordes, dijo Brenzel, "suele depender de si hablamos de una aplicación de alta o baja fatiga. Por ejemplo, una pieza de alta fatiga como una válvula cardíaca podría doblarse mil millones de veces durante su vida útil como paso de postprocesamiento. Como paso, es importante usar arenado para aumentar el radio de todos los bordes. Pero los componentes de baja fatiga, como los sistemas de administración o las guías, a menudo no requieren un postprocesamiento extenso". En términos de experiencia en diseño, explica Brenzel, ahora hay hasta tres cuartas partes de los clientes que también utilizan sus servicios de diseño para aprovechar la ayuda y las habilidades de NPX para obtener la aprobación de la FDA. La empresa es muy buena en convertir el concepto de "boceto en servilleta" en un producto en su forma final en un corto período de tiempo.
Motion Dynamics (Fruitport, MI) es un fabricante de resortes miniatura personalizados, bobinas médicas y conjuntos de alambre cuya misión es resolver los problemas de sus clientes, por muy complejos o aparentemente imposibles que parezcan, en el menor tiempo posible. En el ámbito de los dispositivos médicos, se centra principalmente en conjuntos complejos para cirugía neurovascular, incluyendo el diseño, la producción y el ensamblaje de conjuntos de alambre de alta calidad para aplicaciones como dispositivos de catéter dirigibles, incluyendo conjuntos de "alambre de tracción".
Como se mencionó anteriormente, la elección de un láser de fibra o USP es una cuestión de preferencia de ingeniería, así como del tipo de equipo y procesos compatibles. Chris Witham, presidente de Motion Dynamics, explicó: “Basándonos en un modelo de negocio altamente enfocado en productos neurovasculares, podemos ofrecer resultados diferenciados en diseño, ejecución y servicio. Solo utilizamos el corte láser para producir los componentes que usamos internamente, para fabricar los componentes de alto valor y "difíciles" que se han convertido en nuestra especialidad y reputación; no ofrecemos el corte láser como servicio por contrato. Hemos descubierto que la mayoría de los cortes láser que realizamos se hacen mejor con láseres USP, y durante muchos años he estado utilizando un StarCut Tube con uno de estos láseres. Debido a la fuerte demanda de nuestros productos, tenemos dos turnos de 8 horas al día, a veces incluso tres turnos, y en 2019 necesitamos adquirir otro StarCut Tube para respaldar este crecimiento. Pero esta vez, decidimos optar por uno de los nuevos modelos híbridos de láseres USP de femtosegundo y láseres de fibra. También lo combinamos con un StarFeed cargador/descargador para que pudiéramos automatizar completamente el corte: el operador simplemente coloca el tubo en bruto. El tubo se carga en el alimentador y se inicia el programa de software operativo para el producto.
Figura 3. Este tubo flexible de acero inoxidable (que se muestra junto a una goma de borrar) ha sido cortado con un láser de femtosegundos Monaco.
Witham añade que, si bien ocasionalmente utilizan la máquina para cortes planos, dedican más del 95 por ciento de su tiempo a crear o modificar productos cilíndricos para sus conjuntos de catéteres orientables, concretamente hipotubos, espirales y bobinas, incluyendo el corte de puntas perfiladas y orificios de corte. Estos componentes se utilizan en procedimientos como la reparación de aneurismas y la extracción de trombos. Esto requiere el uso de cortadoras láser en diversos metales, como acero inoxidable, oro puro, platino y nitinol.
Figura 4. Motion Dynamics también utiliza ampliamente la soldadura láser. Arriba, la bobina ha sido soldada al tubo cortado con láser.
¿Cuáles son las opciones de láser? Witham explicó que la excelente calidad de los bordes y los cortes mínimos son fundamentales para la mayoría de sus componentes, por lo que inicialmente prefirieron los láseres USP. Además, ninguno de los materiales que utiliza la empresa puede cortarse con uno de estos láseres, incluidos los pequeños componentes de oro que se utilizan como marcadores radiopacos en algunos de sus productos. Sin embargo, añadió que las nuevas opciones híbridas, que incluyen láseres de fibra y USP, les brindan mayor flexibilidad para optimizar la velocidad y la calidad de los bordes. «No cabe duda de que la fibra óptica puede ofrecer velocidades más altas», afirmó. «Pero debido a nuestro enfoque de aplicación particular, esto suele implicar algún tipo de postprocesamiento, como limpieza química y ultrasónica o electropulido. Por lo tanto, contar con una máquina híbrida nos permite elegir el proceso general óptimo para cada componente: solo USP o fibra y postprocesamiento. Nos permite explorar la posibilidad de mecanizado híbrido del mismo componente, especialmente cuando se trata de diámetros y espesores de pared mayores: incluso un corte rápido con láseres de fibra, y luego usar un láser de femtosegundos para el corte fino». Él espera que el láser USP siga siendo su primera opción porque la mayoría de sus cortes láser involucran espesores de pared entre 4 y 6 milésimas de pulgada, aunque se encuentran con espesores de pared que van desde 1 a 20 milésimas de pulgada. Tuberías de acero inoxidable entre milésimas de pulgada.
En conclusión, el corte y la perforación por láser son procesos clave en la fabricación de diversos dispositivos médicos. Hoy en día, gracias a los avances en la tecnología láser básica y a las máquinas altamente optimizadas y configuradas para las necesidades específicas de la industria, estos procesos son más fáciles de usar y ofrecen mejores resultados que nunca.