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Aujourd'hui, presque toutes les découpes laser de précision des métaux et des non-métaux sont effectuées à l'aide d'outils équipés de lasers à fibre ou de lasers à impulsions ultracourtes (USP), ou parfois les deux. Dans cet article, nous expliquerons les différents avantages des deux lasers et verrons comment les deux fabricants utilisent ces lasers. NPX Medical (Plymouth, MN) est une société de traitement spécialisé sous contrat qui fabrique une variété de dispositifs et d'outils de déploiement, tels que des stents, des implants et des tubes flexibles, à l'aide de machines intégrant des lasers à fibre. Motion Dynamics fabrique des sous-ensembles, tels que des assemblages de « fils de traction » principalement utilisés en neurologie, en utilisant une machine qui comprend un laser femtoseconde USP et l'un des derniers systèmes hybrides comprenant des lasers femtoseconde et à fibre pour une flexibilité et une polyvalence maximales.
Pendant de nombreuses années, la plupart des micro-usinages laser ont été réalisés à l'aide de lasers nanosecondes à semi-conducteurs appelés lasers DPSS. Cependant, cela a maintenant complètement changé grâce au développement de deux types de lasers complètement différents, et donc complémentaires. Développés à l'origine pour les télécommunications, les lasers à fibre sont devenus des lasers de traitement des matériaux performants dans de nombreuses industries, souvent à des longueurs d'onde proches de l'infrarouge. Les raisons de son succès résident dans son architecture simple et sa grande évolutivité de puissance. Il en résulte des lasers compacts, très fiables et faciles à intégrer dans des machines spécialisées, et offrant généralement un coût de possession inférieur à celui des anciens types de laser. Fait important pour le micro-usinage, le faisceau de sortie peut être focalisé sur un petit point propre de seulement quelques microns de diamètre, ce qui les rend idéaux pour la découpe, le soudage et le perçage haute résolution. Leurs sorties sont également très flexibles et contrôlables, avec des fréquences d'impulsions allant d'un coup à 170 kHz. Outre une puissance évolutive, cela permet une découpe et un perçage rapides.
Cependant, un inconvénient potentiel des lasers à fibre dans le micro-usinage est l'usinage de petites caractéristiques et/ou de pièces fines et délicates.De longues durées d'impulsion (par exemple, 50 µs) entraînent une petite quantité de zone affectée par la chaleur (HAZ) telle que le matériau refondu et une petite rugosité des bords, ce qui peut nécessiter un post-traitement.Heureusement, les lasers plus récents, les lasers à impulsions ultracourtes (USP) avec des impulsions de sortie femtosecondes, éliminent le problème de la HAZ.
Avec les lasers USP, la majeure partie de la chaleur supplémentaire associée au processus de découpe ou de perçage est évacuée par les débris éjectés avant qu'elle n'ait le temps de se diffuser dans le matériau environnant. Les lasers USP à puissance picoseconde sont utilisés depuis longtemps dans les applications de micro-usinage impliquant les plastiques, les semi-conducteurs, la céramique et certains métaux (picosecondes = 10-12 secondes). Cependant, pour les dispositifs métalliques dont les piliers sont de la taille d'un cheveu humain, la conductivité thermique élevée et la petite taille du métal signifient que les lasers picoseconde ne fournissent pas toujours les résultats améliorés qui justifieraient le coût accru des lasers USP précédents. Cela a changé avec l'avènement des lasers femtosecondes de qualité industrielle (femtoseconde = 10-15 secondes). La série de lasers Monaco de Coherent Inc. en est un exemple. Comme les lasers à fibre, leur puissance est proche de l'infrarouge, ce qui signifie qu'ils peuvent couper ou percer tous les métaux utilisés dans les dispositifs médicaux, y compris l'acier inoxydable, le platine, l'or, le magnésium, le cobalt-chrome, le titane, etc. non-métaux. Alors que la combinaison d'une courte durée d'impulsion et d'une faible énergie d'impulsion empêche les dommages thermiques (HAZ), le taux de répétition élevé (MHz) garantit des vitesses de débit rentables pour de nombreux dispositifs médicaux de grande valeur.
Bien sûr, presque personne dans notre secteur n'a besoin d'un seul laser. Au lieu de cela, ils ont besoin d'une machine à laser, et il existe désormais de nombreuses machines spécialisées optimisées pour la découpe et le perçage de dispositifs médicaux. Un exemple est la série StarCut Tube de Coherent, qui peut être utilisée avec des lasers à fibre, des lasers femtosecondes ou comme version hybride intégrant les deux types de laser.
Que signifie la spécialisation des dispositifs médicaux ? La plupart de ces dispositifs sont produits en lots limités sur la base de conceptions personnalisées. Par conséquent, la flexibilité et la facilité d'utilisation sont des considérations clés. Alors que de nombreux dispositifs sont fabriqués à partir de billettes, certains composants doivent être usinés avec précision à partir de billettes plates ; la même machine doit gérer les deux pour maximiser sa valeur. Ces besoins sont généralement satisfaits en fournissant un mouvement contrôlé par CNC multi-axes (xyz et rotatif) et une IHM conviviale pour une programmation et un contrôle simples. Dans le cas de StarCut Tube, une nouvelle option de module de chargement de tubes est livrée avec un magasin de chargement latéral (appelé StarFeed) pour les tubes jusqu'à 3 m de longueur et un trieur pour les produits coupés, permettant une production entièrement automatisée.
La flexibilité du processus de ces machines est encore améliorée par la prise en charge de la découpe humide et sèche et par des buses de distribution facilement réglables pour les processus nécessitant un gaz d'assistance. La résolution spatiale est également particulièrement importante pour l'usinage de très petites pièces, ce qui signifie que la stabilité thermomécanique élimine les effets des vibrations souvent rencontrés dans les ateliers d'usinage. La gamme StarCut Tube répond à ce besoin en construisant l'ensemble du plateau de coupe avec un grand nombre d'éléments en granit.
NPX Medical est un fabricant sous contrat relativement récent qui fournit des services de conception, d'ingénierie et de découpe laser de précision aux fabricants de dispositifs médicaux. Fondée en 2019, l'entreprise s'est forgée une réputation dans le secteur pour la qualité de ses produits et sa réactivité, prenant en charge une large gamme de dispositifs, notamment des stents, des implants, des stents valvulaires et des tubes d'administration flexibles pour des interventions chirurgicales aussi diverses que la chirurgie neurovasculaire, cardiaque, rénale, rachidienne, orthopédique, gynécologique et gastro-intestinale. Son principal laser de découpe est le StarCut Tube 2+2 équipé d'un StarFiber 320FC d'une puissance moyenne de 200 watts. Mike Brenzel, l'un des fondateurs de NPX, a expliqué que « les fondateurs apportent des années d'expérience en conception et fabrication de dispositifs médicaux — plus de 90 ans au total », avec une expérience antérieure avec des machines de type StarCut utilisant des lasers à fibre. Une grande partie de notre travail implique la découpe du Nitinol et nous savons déjà que les lasers à fibre peuvent offrir la vitesse et la qualité dont nous avons besoin. Pour des dispositifs tels que les tubes à parois épaisses et les valves cardiaques, nous avons besoin vitesse, et le laser USP peut être trop lent pour nos besoins. En plus des commandes de production à volume élevé - nous nous spécialisons dans les petits lots de pièces - seulement entre 5 et 150 pièces - notre objectif est de terminer ces petits lots en quelques jours seulement, y compris la conception, la programmation, la découpe, le formage, le post-traitement et l'inspection, par rapport aux semaines qui suivent la passation d'une commande pour les grandes entreprises. » En plus de mentionner la vitesse, Brenzel a mentionné la fiabilité de la machine comme un avantage majeur, ne nécessitant pas un seul appel de service au cours des 18 derniers mois de fonctionnement quasi continu.
Figure 2. NPX offre une variété d'options de post-traitement. Le matériau présenté ici est de l'acier inoxydable T316 avec un diamètre extérieur de 5 mm et une épaisseur de paroi de 0,254 mm. La partie gauche est découpée/microbillée et la partie droite est électropolie.
Outre les pièces en nitinol, l'entreprise utilise également largement des alliages cobalt-chrome, tantale, titane et de nombreux types d'aciers inoxydables médicaux. Jeff Hansen, responsable du traitement laser, explique : « La flexibilité de la machine est un autre atout important, nous permettant de découper une grande variété de matériaux, notamment des tubes et des pièces plates. Nous pouvons focaliser le faisceau jusqu'à un point de 20 microns, ce qui est utile pour les tubes plus fins. Certains de ces tubes ne mesurent que 0,012 pouce de diamètre intérieur, et le rapport élevé entre puissance de crête et puissance moyenne des lasers à fibre les plus récents maximise notre vitesse de découpe tout en garantissant la qualité de bord souhaitée. Nous avons absolument besoin de la vitesse nécessaire pour des produits plus grands, d'un diamètre extérieur allant jusqu'à 2,5 cm. »
Outre une découpe de précision et une réactivité optimale, NPX propose également une gamme complète de technologies de post-traitement, ainsi que des services de conception complets qui s'appuient sur sa vaste expérience du secteur. Ces techniques comprennent l'électropolissage, le sablage, le décapage, le soudage laser, le thermofixage, le formage, la passivation, les tests de température Af et les tests de fatigue, autant de techniques essentielles à la fabrication de dispositifs en Nitinol. Selon Brenzel, le recours au post-traitement pour contrôler la finition des bords « dépend généralement de l'application à forte ou faible fatigue. Par exemple, une pièce à forte fatigue, comme une valve cardiaque, peut se plier un milliard de fois au cours de sa durée de vie. Par exemple, il est important d'utiliser le sablage pour augmenter le rayon de tous les bords. Cependant, les composants à faible fatigue, comme les systèmes de pose ou les fils-guides, ne nécessitent généralement pas de post-traitement important. » En termes d'expertise en conception, explique Brenzel, il y a maintenant jusqu'à trois quarts des clients qui utilisent également leurs services de conception pour profiter de l'aide et des compétences de NPX pour obtenir l'approbation de la FDA. L'entreprise est très douée pour transformer le concept de « croquis de serviette » en un produit dans sa forme finale dans un court laps de temps.
Motion Dynamics (Fruitport, MI) est un fabricant de ressorts miniatures personnalisés, de bobines médicales et d'assemblages de fils dont la mission est de résoudre les problèmes des clients, aussi complexes ou apparemment impossibles soient-ils, dans les plus brefs délais. Dans les dispositifs médicaux, il met principalement l'accent sur les assemblages complexes pour la chirurgie neurovasculaire, y compris la conception, la production et l'assemblage d'assemblages de fils de haute qualité pour des applications telles que les dispositifs de cathéter orientables, y compris les assemblages de « fils de traction ».
Comme mentionné précédemment, le choix d'un laser à fibre ou USP est une question de préférence technique, ainsi que de type d'équipement et de processus pris en charge. Chris Witham, président de Motion Dynamics, explique : « Grâce à un modèle économique fortement axé sur les produits neurovasculaires, nous pouvons offrir des résultats différenciés en termes de conception, d'exécution et de service. Nous utilisons la découpe laser uniquement pour produire les composants que nous utilisons en interne, pour fabriquer les composants à haute valeur ajoutée et « difficiles » qui sont devenus notre spécialité et notre réputation ; nous ne proposons pas de découpe laser en sous-traitance. Nous avons constaté que la plupart des découpes laser que nous réalisons sont plus efficaces avec des lasers USP, et j'utilise un tube StarCut avec l'un de ces lasers depuis de nombreuses années. En raison de la forte demande pour nos produits, nous travaillons deux équipes de 8 heures par jour, parfois même trois, et en 2019, nous devons acquérir un autre tube StarCut pour soutenir cette croissance. Mais cette fois, nous avons opté pour l'un des nouveaux modèles hybrides de lasers USP femtoseconde et de lasers à fibre. Nous l'avons également associé à un Chargeur/déchargeur StarFeed pour que nous puissions automatiser entièrement la découpe – l'opérateur place simplement la pièce brute. Le tube est chargé dans le chargeur et le programme d'exploitation du logiciel pour le produit est démarré.
Figure 3. Ce tube de distribution flexible en acier inoxydable (illustré à côté d'une gomme à crayon) a été découpé avec un laser femtoseconde Monaco.
Witham ajoute que même s'ils utilisent occasionnellement la machine pour la découpe à plat, plus de 95 % de leur temps est consacré à la création ou à la modification de produits cylindriques pour leurs assemblages de cathéters orientables, à savoir des hypotubes, des bobines et des spirales, y compris la découpe de pointes profilées et de trous découpés. Ces composants sont finalement utilisés dans des procédures telles que la réparation d'anévrismes et l'élimination de thrombus. Cela nécessite l'utilisation de découpeurs laser sur une variété de métaux, notamment l'acier inoxydable, l'or pur, le platine et le nitinol.
Figure 4. Motion Dynamics utilise également largement le soudage au laser. Ci-dessus, la bobine a été soudée au tube découpé au laser.
Quelles sont les options laser ? Witham a expliqué qu'une excellente qualité des bords et des entailles minimales sont essentielles pour la plupart de ses composants, c'est pourquoi ils ont initialement privilégié les lasers USP. De plus, aucun des matériaux utilisés par l'entreprise ne peut être découpé par ces lasers, y compris les minuscules composants en or utilisés comme marqueurs radio-opaques dans certains de ses produits. Il a toutefois ajouté que les nouvelles options hybrides, notamment les lasers à fibre et les lasers USP, leur offrent une plus grande flexibilité pour optimiser les problèmes de vitesse et de qualité des bords. « Il ne fait aucun doute que la fibre optique peut offrir des vitesses plus élevées », a-t-il déclaré. « Mais en raison de notre application spécifique, cela implique généralement un post-traitement, comme le nettoyage chimique et ultrasonique ou l'électropolissage. Ainsi, disposer d'une machine hybride nous permet de choisir le procédé global – USP seul ou fibre et post-traitement – ​​optimal pour chaque composant. Cela nous permet d'explorer la possibilité d'un usinage hybride du même composant, notamment pour les diamètres et les épaisseurs de paroi plus importants : même une découpe rapide avec des lasers à fibre, puis un laser femtoseconde pour une découpe fine. » Il s'attend à ce que le laser USP reste son premier choix, car la plupart de ses découpes laser impliquent des épaisseurs de paroi comprises entre 4 et 6 millièmes de pouce, bien qu'elles rencontrent des épaisseurs de paroi allant de 1 à 20 millièmes de pouce. Les tubes en acier inoxydable se situent entre 1 millièmes de pouce.
En conclusion, la découpe et le perçage au laser sont des procédés clés dans la fabrication de divers dispositifs médicaux. Aujourd’hui, grâce aux progrès de la technologie laser de base et aux machines hautement optimisées configurées pour les besoins spécifiques de l’industrie, ces procédés sont plus faciles à utiliser et offrent de meilleurs résultats que jamais.