Seda veebisaiti haldab üks või mitu Informa PLC-le kuuluvat ettevõtet ja kõik autoriõigused kuuluvad neile. Informa PLC registreeritud asukoht on 5 Howick Place, London SW1P 1WG. Registreeritud Inglismaal ja Walesis. Nr 8860726.
Tänapäeval tehakse peaaegu kogu metallide ja mittemetallide täppislaserlõikust kiudlaserite või ülilühikese impulsiga (USP) laseritega või mõnikord mõlemaga varustatud tööriistade abil. Selles artiklis selgitame kahe laseri erinevaid eeliseid ja vaatame, kuidas mõlemad tootjad neid lasereid kasutavad. NPX Medical (Plymouth, MN) on lepinguline eritöötlemisettevõte, mis toodab mitmesuguseid seadmeid ja paigaldusvahendeid, nagu stente, implantaate ja painduvaid torusid, kasutades kiudlasereid sisaldavaid masinaid. Motion Dynamics toodab alamkooste, näiteks neuroloogias kasutatavaid „tõmbetraadi“ komplekte, kasutades masinat, mis sisaldab USP femtosekundilist laserit ja ühte uusimat hübriidsüsteemi, sealhulgas femtosekundilist ja kiudlaserit maksimaalse paindlikkuse ja mitmekülgsuse tagamiseks.
Aastaid on enamikku lasermikrotöötlusest teostatud tahkis-nanosekundiliste laserite, mida nimetatakse DPSS-laseriteks, abil. Kuid see on nüüd täielikult muutunud tänu kahe täiesti erineva ja seega teineteist täiendava laseritüübi väljatöötamisele. Algselt telekommunikatsiooni jaoks välja töötatud kiudlaserid on küpsenud paljudes tööstusharudes tööhobuste materjalide töötlemise laseriteks, sageli infrapunakiirguse lainepikkustel. Nende edu põhjused peituvad lihtsas arhitektuuris ja otseses võimsuse skaleeritavuses. Selle tulemuseks on laserid, mis on kompaktsed, väga töökindlad ja hõlpsasti spetsialiseeritud masinatesse integreeritavad ning pakuvad üldiselt madalamaid omamiskulusid kui vanemad laseritüübid. Mikrotöötluse jaoks on oluline see, et väljundkiirt saab fokuseerida väikesesse, puhtasse, vaid mõne mikroni läbimõõduga kohta, seega sobivad need ideaalselt suure eraldusvõimega lõikamiseks, keevitamiseks ja puurimiseks. Nende väljundid on ka väga paindlikud ja juhitavad, impulsikiirusega vahemikus üksiklöögist kuni 170 kHz-ni. Lisaks skaleeritavale võimsusele toetab see kiiret lõikamist ja puurimist.
Kiudlaserite potentsiaalne puudus mikrotöötlemisel on aga väikeste detailide ja/või õhukeste, õrnade osade töötlemine. Pikad (nt 50 µs) impulsi kestused põhjustavad vähese hulga kuumusest mõjutatud tsooni (HAZ), näiteks ümbervalatud materjali ja väikese servakareduse, mis võib vajada teatavat järeltöötlust. Õnneks kõrvaldavad uuemad laserid – ülilühikeste impulsside (USP) laserid femtosekundiliste väljundimpulssidega – HAZ-probleemi.
USP-laserite puhul kandub suurem osa lõikamis- või puurimisprotsessiga seotud lisasoojusest väljapaiskuva prahiga ära enne, kui see jõuab ümbritsevasse materjali difundeeruda. Pikosekundilise väljundiga USP-lasereid on pikka aega kasutatud mikrotöötlemisrakendustes, mis hõlmavad plaste, pooljuhte, keraamikat ja teatud metalle (pikosekundid = 10–12 sekundit). Kuid metallseadmete puhul, mille sambad on inimese juuksekarva suurused, tähendab metalli kõrge soojusjuhtivus ja väike suurus seda, et pikosekundilised laserid ei anna alati paremaid tulemusi, mis õigustaksid varasemate USP-laserite kõrgemat hinda. See on nüüd muutunud tööstusliku kvaliteediga femtosekundiliste laserite (femtosekund = 10–15 sekundit) tulekuga. Näiteks on Coherent Inc. Monaco laserite seeria. Nagu kiudlaserid, on nende väljund lähiinfrapunavalgus, mis tähendab, et nad saavad lõigata või puurida kõiki meditsiiniseadmetes kasutatavaid metalle, sealhulgas roostevaba terast, plaatinat, kulda, magneesiumi, koobalt-kroomi, titaani ja palju muud, samuti mittemetalle. Kuigi lühikese impulsi kestuse ja madala impulsienergia kombinatsioon hoiab ära Termilise kahjustuse (HAZ) korral tagab kõrge (MHz) kordumissagedus paljude väärtuslike meditsiiniseadmete kulutõhusa läbilaskekiiruse.
Loomulikult ei vaja meie tööstusharus peaaegu keegi ainult ühte laserit. Selle asemel vajavad nad laserpõhist masinat ja nüüd on palju spetsiaalseid masinaid, mis on optimeeritud meditsiiniseadmete lõikamiseks ja puurimiseks. Näiteks on Coherendi StarCut Tube seeria, mida saab kasutada kiudlaserite, femtosekundiliste laserite või hübriidversioonina, mis ühendab mõlemat tüüpi lasereid.
Mida tähendab meditsiiniseadmete spetsialiseerumine? Enamikku neist seadmetest toodetakse piiratud partiides vastavalt kohandatud disainilahendustele. Seetõttu on paindlikkus ja kasutusmugavus võtmetähtsusega. Kuigi paljud seadmed on valmistatud toorikutest, tuleb mõned komponendid täpselt töödelda lamedatest toorikutest; sama masin peab oma väärtuse maksimeerimiseks mõlemat käsitlema. Need vajadused täidetakse tavaliselt mitmeteljelise CNC-juhitava (xyz ja pöörleva) liikumise ja kasutajasõbraliku HMI abil lihtsaks programmeerimiseks ja juhtimiseks. StarCut Tube'i puhul on uue torude laadimise mooduli valikul külglaadimise salv (nimega StarFeed) kuni 3 m pikkuste torude jaoks ja sorteerija lõigatud toodete jaoks, mis võimaldab täisautomaatset tootmist.
Nende masinate protsessipaindlikkust suurendavad veelgi märg- ja kuivlõikamise tugi ning hõlpsasti reguleeritavad etteandeotsikud protsesside jaoks, mis vajavad abigaasi. Ruumiline eraldusvõime on eriti oluline ka väga väikeste osade töötlemisel, mis tähendab, et termomehaaniline stabiilsus kõrvaldab töökodades sageli esineva vibratsiooni mõju. StarCut Tube tootesari vastab sellele vajadusele, ehitades kogu lõikekorpuse suure hulga graniidist elementidega.
NPX Medical on suhteliselt uus lepinguline tootja, mis pakub meditsiiniseadmete tootjatele disaini-, inseneri- ja täppislaserlõikusteenuseid. 2019. aastal asutatud ettevõte on valdkonnas loonud maine kvaliteetsete toodete ja reageerimisvõime poolest, toetades laia valikut seadmeid, sealhulgas stente, implantaate, klapistente ja painduvaid manustamistorusid sarnaselt mitmekesiste kirurgiliste protseduuride ja sekkumiste jaoks, sealhulgas neurovaskulaarsete, südame-, neeru-, selgroo-, ortopeediliste, günekoloogiliste ja seedetrakti kirurgiliste sekkumiste jaoks. Selle peamine laserlõikur on StarCut Tube 2+2Â, millel on StarFiber 320FC, mille keskmine võimsus on 200 vatti. Mike Brenzel, üks NPX asutajatest, selgitas, et „asutajatel on aastatepikkune meditsiiniseadmete disaini ja tootmise kogemus – kokku üle 90 aasta“, ning neil on varasem kogemus kiudlasereid kasutavate StarCuti-laadsete masinatega. Suur osa meie tööst hõlmab nitinoollõikamist ja me juba teame, et kiudlaserid suudavad pakkuda vajalikku kiirust ja kvaliteeti. Selliste seadmete jaoks nagu paksuseinalised torud ja südameklapid vajame kiirust ja USP-laser võib meie vajaduste jaoks olla liiga aeglane. Lisaks kõrgele... Mahutellimused – spetsialiseerume väikestele detailide partiidele – ainult 5–150 tükki –, meie eesmärk on need väikepartiid, sealhulgas projekteerimine, programmeerimine, lõikamine, vormimine, järeltöötlus ja kontroll, lõpule viia vaid mõne päevaga, võrreldes suuremate ettevõtete nädalatega pärast tellimuse esitamist. „Lisaks kiirusele mainis Brenzel masina peamise eelisena töökindlust, mis ei vajanud viimase 18 kuu jooksul peaaegu pideva töötamise ajal ühtegi hoolduskõnet.“
Joonis 2. NPX pakub mitmesuguseid järeltöötlusvõimalusi. Siin näidatud materjal on T316 roostevaba teras, mille välisläbimõõt on 5 mm ja seina paksus 0,254 mm. Vasak osa on lõigatud/mikropritsitud ja parem osa elektropoleeritud.
Lisaks nitinolosulatele kasutab ettevõte laialdaselt ka koobalt-kroomi sulameid, tantaali sulameid, titaanisulameid ja mitut tüüpi meditsiinilisi roostevabasid teraseid. Lasertöötlusjuht Jeff Hansen selgitab: „Masina paindlikkus on veel üks oluline eelis, mis võimaldab meil toetada väga erinevate materjalide, sealhulgas torude ja lamedate materjalide lõikamist. Saame suunata kiire 20-mikronise punktini, mis on kasulik õhukeste torude jaoks. Mõned neist torudest on vaid 0,012-tollise sisediameetriga ja uusimate kiudlaserite tippvõimsuse ja keskmise võimsuse kõrge suhe maksimeerib meie lõikekiirust, tagades samal ajal soovitud servakvaliteedi. Vajame absoluutselt suuremate toodete kiirust, mille välisläbimõõt on kuni 1 toll.“
Lisaks täppislõikamisele ja kiirele reageerimisele pakub NPX ka täielikku valikut järeltöötlustehnoloogiaid ning terviklikke disainiteenuseid, mis kasutavad ära ettevõtte laialdasi kogemusi selles valdkonnas. Nende tehnikate hulka kuuluvad elektropoleerimine, liivaprits, peitsimine, laserkeevitamine, kuumtöötlus, vormimine, passiveerimine, Af-temperatuuri testimine ja väsimustestimine, mis kõik on nitinooliga seadmete valmistamisel võtmetähtsusega. Brenzel ütles, et servade viimistluse kontrollimiseks järeltöötluse kasutamine „sõltub tavaliselt sellest, kas me räägime suure või väikese väsimusastmega rakendusest. Näiteks võib suure väsimusastmega detail, näiteks südameklapp, oma eluea jooksul miljard korda painduda järeltöötluse käigus. Ühe sammuna on oluline kasutada liivapritsimist, et suurendada kõigi servade raadiust. Kuid väikese väsimusastmega komponendid, nagu manustamissüsteemid või juhttraadid, ei vaja sageli ulatuslikku järeltöötlust.“ Brenzel selgitab, et disainialase asjatundlikkuse osas on nüüdseks koguni kolmveerand klientidest, kes kasutavad oma disainiteenuseid ka selleks, et ära kasutada NPX-i abi ja oskusi FDA heakskiidu saamiseks. Ettevõte on väga osav „salvrätiku visandi“ kontseptsiooni lühikese aja jooksul lõplikuks tooteks muutmisel.
Motion Dynamics (Fruitport, MI) on eritellimusel valmistatud miniatuurvedrude, meditsiiniliste mähiste ja traatsõlmede tootja, kelle missiooniks on lahendada klientide probleeme, olenemata nende keerukusest või näilisest võimatuna, võimalikult lühikese aja jooksul. Meditsiiniseadmete valdkonnas rõhutab ettevõte peamiselt neurovaskulaarse kirurgia keerukaid sõlmi, sealhulgas kvaliteetsete traatsõlmede projekteerimist, tootmist ja kokkupanekut selliste rakenduste jaoks nagu juhitavad kateetriseadmed, sealhulgas „tõmbetraadi” sõlmed.
Nagu varem mainitud, sõltub kiudlaseri või USP-laseri valik nii insenerieelistuste kui ka toetatavate seadmete ja protsesside tüübist. Motion Dynamicsi president Chris Witham selgitas: „Ärimudeli põhjal, mis on suuresti keskendunud neurovaskulaarsetele toodetele, saame pakkuda eristuvaid tulemusi nii disainis, teostuses kui ka teeninduses. Kasutame laserlõikust ainult nende komponentide tootmiseks, mida me ise kasutame, et toota kõrge väärtusega ja „raskeid“ komponente, millest on saanud meie eriala ja maine; me ei paku laserlõikust alltöövõtuteenusena. Oleme leidnud, et enamikku meie teostatavaid laserlõikusi on kõige parem teha USP-laseritega ja olen aastaid kasutanud StarCut Tube'i ühe sellise laseriga. Tänu meie toodete suurele nõudlusele on meil päevas kaks 8-tunnist vahetust, mõnikord isegi kolm vahetust ja 2019. aastal peame selle kasvu toetamiseks hankima veel ühe StarCut Tube'i. Kuid seekord otsustasime valida ühe uue femtosekundiliste USP-laserite ja kiudlaserite hübriidmudeli. Samuti ühendasime selle StarFeedi laaduri/mahalaadijaga, et saaksime täielikult...“ automatiseerige lõikamine – operaator lihtsalt asetab tooriku. Toru laaditakse sööturisse ja toote tarkvara käivitatakse.
Joonis 3. See painduv roostevabast terasest toru (näidatud pliiatsikummi kõrval) on lõigatud Monaco femtosekundilise laseriga.
Witham lisab, et kuigi nad kasutavad masinat aeg-ajalt tasapinnaliseks lõikamiseks, kulub üle 95 protsendi ajast silindriliste toodete, nimelt hüpotorude, mähiste ja spiraalide loomisele või modifitseerimisele oma juhitavate kateetrikomplektide jaoks, sealhulgas profiilotste lõikamisele ja lõikeavade tegemisele. Neid komponente kasutatakse lõpuks sellistes protseduurides nagu aneurüsmi parandamine ja trombi eemaldamine. See nõuab laserlõikurite kasutamist mitmesuguste metallide, sealhulgas roostevaba terase, puhta kulla, plaatina ja nitinooli lõikamisel.
Joonis 4. Motion Dynamics kasutab samuti ulatuslikult laserkeevitust. Ülal on näidatud, et mähis on keevitatud laserlõigatud toru külge.
Millised on laserivalikud? Witham selgitas, et suurepärane servakvaliteet ja minimaalsed lõikejäljed on enamiku nende komponentide puhul kriitilise tähtsusega, seega eelistasid nad algselt USP-lasereid. Lisaks ei saa ühtegi ettevõtte kasutatavat materjali nende laseritega lõigata, sealhulgas pisikesi kuldkomponente, mida kasutatakse mõnes tootes röntgenkontrastsete markeritena. Kuid ta lisas, et uued hübriidvalikud, sealhulgas kiudlaserid ja USP-d, annavad neile suurema paindlikkuse kiiruse/servakvaliteedi probleemide optimeerimisel. „Pole kahtlustki, et kiudoptika suudab pakkuda suuremat kiirust,“ ütles ta. „Kuid meie konkreetse rakendusfookuse tõttu tähendab see tavaliselt mingit tüüpi järeltöötlust, näiteks keemilist ja ultrahelipuhastust või elektropoleerimist. Seega võimaldab hübriidmasina omamine meil valida iga komponendi jaoks optimaalse üldise protsessi – ainult USP või kiud- ja järeltöötlus –. See võimaldab meil uurida sama komponendi hübriidtöötlemise võimalust, eriti suuremate läbimõõtude ja seinapaksuste korral: isegi kiire lõikamine kiudlaseritega, seejärel peenlõikamiseks femtosekundlaserit.“ Ta eeldab, et USP laser jääb nende esimeseks valikuks, sest enamiku nende laserlõikustest on seinapaksused vahemikus 4–6 tuhat, kuigi nad kohtavad seinapaksusi vahemikus 1–20 tuhat. Roostevabast terasest torud jäävad vahemikku tuhat.
Kokkuvõtteks võib öelda, et laserlõikus ja -puurimine on mitmesuguste meditsiiniseadmete tootmisel võtmeprotsessid. Tänapäeval on tänu lasertehnoloogia edusammudele ja tööstuse erivajaduste jaoks konfigureeritud optimeeritud masinatele neid protsesse lihtsam kasutada ja need annavad paremaid tulemusi kui kunagi varem.