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Aujourd'hui, la quasi-totalité des découpes laser de précision des métaux et des non-métaux est réalisée à l'aide d'outils équipés de lasers à fibre ou de lasers à impulsions ultracourtes (USP), voire des deux. Cet article présente les avantages respectifs de ces deux types de lasers et décrit comment les deux fabricants les utilisent. NPX Medical (Plymouth, Minnesota) est une entreprise de sous-traitance spécialisée qui fabrique divers dispositifs et outils de déploiement, tels que des stents, des implants et des tubulures flexibles, grâce à des machines intégrant des lasers à fibre. Motion Dynamics fabrique des sous-ensembles, comme des systèmes de traction par fil utilisés principalement en neurologie, à l'aide d'une machine comprenant un laser femtoseconde USP et un système hybride de dernière génération combinant lasers femtoseconde et à fibre pour une flexibilité et une polyvalence maximales.
Pendant de nombreuses années, la plupart des opérations de micro-usinage laser ont été réalisées à l'aide de lasers nanosecondes à semi-conducteurs appelés lasers DPSS. Cependant, la situation a radicalement changé grâce au développement de deux types de lasers totalement différents, et donc complémentaires. Initialement développés pour les télécommunications, les lasers à fibre sont devenus des lasers de traitement des matériaux incontournables dans de nombreux secteurs industriels, souvent à des longueurs d'onde proches de l'infrarouge. Leur succès repose sur leur architecture simple et leur puissance facilement modulable. Il en résulte des lasers compacts, très fiables et faciles à intégrer dans des machines spécialisées, offrant généralement un coût total de possession inférieur à celui des lasers plus anciens. Point essentiel pour le micro-usinage, le faisceau de sortie peut être focalisé en un point précis et net de quelques microns de diamètre seulement, ce qui les rend idéaux pour la découpe, le soudage et le perçage haute résolution. Leur puissance est également très flexible et contrôlable, avec des fréquences d'impulsion allant de l'impulsion unique à 170 kHz. Associée à une puissance modulable, cette caractéristique permet une découpe et un perçage rapides.
Cependant, un inconvénient potentiel des lasers à fibre en micro-usinage réside dans l'usinage de petites pièces et/ou de pièces fines et fragiles. Les longues durées d'impulsion (par exemple, 50 µs) entraînent la formation d'une petite zone affectée thermiquement (ZAT), caractérisée par des résidus de matériau et une légère rugosité des bords, pouvant nécessiter un post-traitement. Heureusement, les lasers plus récents, les lasers à impulsions ultracourtes (USP) avec des impulsions de sortie femtosecondes, éliminent ce problème de ZAT.
Avec les lasers USP, la majeure partie de la chaleur excédentaire générée par la découpe ou le perçage est évacuée par les débris éjectés avant même qu'elle n'ait le temps de se diffuser dans le matériau environnant. Les lasers USP à impulsion picoseconde sont utilisés depuis longtemps en micro-usinage pour les plastiques, les semi-conducteurs, la céramique et certains métaux (picoseconde = 10⁻¹² seconde). Cependant, pour les dispositifs métalliques comportant des piliers de la taille d'un cheveu, la conductivité thermique élevée et la finesse du métal font que les lasers picoseconde n'offrent pas toujours les performances justifiant le surcoût des lasers USP plus anciens. Cette situation a évolué avec l'avènement des lasers femtoseconde industriels (femtoseconde = 10⁻¹⁵ seconde). La série de lasers Monaco de Coherent Inc. en est un exemple. À l'instar des lasers à fibre, ils émettent une lumière proche infrarouge, ce qui leur permet de découper ou de percer tous les métaux utilisés dans les dispositifs médicaux, notamment 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 (ZAT), la fréquence de répétition élevée (MHz) assure des vitesses de production rentables pour de nombreux dispositifs médicaux de grande valeur.
Bien sûr, dans notre secteur, rares sont ceux qui se contentent d'un seul laser. Ils ont besoin d'une machine laser, et il existe aujourd'hui de nombreuses machines spécialisées, optimisées pour la découpe et le perçage de dispositifs médicaux. La série StarCut Tube de Coherent en est un exemple : elle peut être utilisée avec des lasers à fibre, des lasers femtoseconde, ou encore en version hybride combinant les deux types de lasers.
Que signifie la spécialisation dans les dispositifs médicaux ? La plupart de ces dispositifs sont produits en petites séries selon des conceptions personnalisées. Par conséquent, la flexibilité et la facilité d'utilisation sont des critères essentiels. Si 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 pouvoir gérer les deux pour une efficacité optimale. Ces besoins sont généralement satisfaits par une commande numérique multiaxes (XYZ et rotation) et une interface homme-machine (IHM) conviviale pour une programmation et un contrôle simplifiés. Dans le cas de StarCut Tube, un nouveau module de chargement de tubes en option comprend un magasin 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 de ces machines est encore accrue par la prise en charge de la découpe à sec et à l'eau et par des buses de distribution facilement réglables pour les procédés nécessitant un gaz d'assistance. La résolution spatiale est également primordiale pour l'usinage de très petites pièces ; la stabilité thermomécanique permet ainsi d'éliminer les effets des vibrations souvent rencontrées en atelier. La gamme StarCut Tube répond à cette exigence grâce à une structure de coupe entièrement composée d'un grand nombre d'éléments en granit.
NPX Medical est un sous-traitant relativement récent qui propose 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 solide réputation dans le secteur grâce à la qualité de ses produits et à sa réactivité. Elle prend en charge une large gamme de dispositifs, notamment des stents, des implants, des stents valvulaires et des tubes de pose flexibles pour diverses interventions chirurgicales, notamment en neurovasculaire, cardiaque, rénale, rachidienne, orthopédique, gynécologique et gastro-intestinale. Sa principale machine de découpe laser est la StarCut Tube 2+2® équipée d'un laser StarFiber 320FC d'une puissance moyenne de 200 watts. Mike Brenzel, l'un des fondateurs de NPX, explique : « Les fondateurs cumulent plus de 90 ans d'expérience dans la conception et la fabrication de dispositifs médicaux », notamment avec des machines similaires à la StarCut utilisant des lasers à fibre. « Une grande partie de notre travail implique la découpe de nitinol et nous savons déjà que les lasers à fibre peuvent nous offrir la vitesse et la qualité requises. Pour des dispositifs comme les tubes à paroi épaisse et les valves cardiaques, la rapidité est essentielle. » Le laser USP est peut-être trop lent pour nos besoins. Outre les commandes de production en grande série, nous sommes spécialisés dans les petites séries de pièces (entre 5 et 150 pièces seulement). Notre objectif est de réaliser ces petites séries en quelques jours seulement, incluant la conception, la programmation, la découpe, le formage, le post-traitement et le contrôle, contre plusieurs semaines pour les grandes entreprises. En plus de mentionner la rapidité, Brenzel a souligné la fiabilité de la machine comme un atout majeur, celle-ci n'ayant nécessité aucune intervention de maintenance au cours des 18 derniers mois de fonctionnement quasi continu.
Figure 2. NPX propose diverses options de post-traitement. Le matériau présenté ici est de l'acier inoxydable T316 d'un diamètre extérieur de 5 mm et d'une épaisseur de paroi de 0,254 mm. La pièce de gauche est découpée/microbillée et la pièce de droite est électropolie.
Outre les pièces en nitinol, l'entreprise utilise également largement des alliages de cobalt-chrome, de tantale, de titane et de nombreux types d'aciers inoxydables médicaux. Jeff Hansen, responsable du traitement laser, explique : « La flexibilité de la machine est un atout majeur, nous permettant de découper une grande variété de matériaux, notamment des tubes et des pièces plates. Nous pouvons focaliser le faisceau sur un point de 20 microns, ce qui est particulièrement utile pour les tubes fins. Certains de ces tubes ont un diamètre intérieur de seulement 0,3 mm (0,012 pouce), et le rapport élevé entre la puissance de crête et la puissance moyenne des lasers à fibre les plus récents optimise notre vitesse de découpe tout en garantissant la qualité de bord souhaitée. Nous avons absolument besoin de la vitesse nécessaire pour usiner des produits plus volumineux, avec un diamètre extérieur pouvant atteindre 25,4 mm (1 pouce). »
Outre la découpe de précision et la réactivité, NPX propose une gamme complète de technologies de post-traitement, ainsi que des services de conception complets s'appuyant sur sa vaste expérience du secteur. Ces techniques incluent l'électropolissage, le sablage, le décapage, le soudage laser, le thermofixage, le formage, la passivation, les tests de température Af et les essais de fatigue, autant d'étapes essentielles à la fabrication de dispositifs en Nitinol. Concernant le contrôle de la finition des bords par post-traitement, Brenzel explique : « Le choix du post-traitement dépend généralement du type d'application : haute ou basse fatigue. Par exemple, une pièce soumise à une forte fatigue, comme une valve cardiaque, peut se plier un milliard de fois au cours de sa durée de vie. Dans ce cas, le sablage est une étape importante pour augmenter le rayon de courbure de tous les bords. En revanche, les composants à faible fatigue, tels que les systèmes de délivrance ou les guides, ne nécessitent généralement pas de post-traitement poussé. » En matière d'expertise en conception, Brenzel explique que près des trois quarts des clients font désormais appel à leurs services pour bénéficier de l'aide et des compétences de NPX en vue d'obtenir l'approbation de la FDA. L'entreprise excelle dans la transformation rapide d'un concept initialement griffonné sur un coin de table en un produit final.
Motion Dynamics (Fruitport, MI) est un fabricant de ressorts miniatures sur mesure, 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 le domaine des dispositifs médicaux, l'entreprise se concentre principalement sur les assemblages complexes pour la chirurgie neurovasculaire, notamment la conception, la production et l'assemblage d'assemblages de fils de haute qualité pour des applications telles que les cathéters orientables, y compris les assemblages de « fils de traction ».
Comme mentionné précédemment, le choix entre laser à fibre et laser USP relève des préférences d'ingénierie, ainsi que du type d'équipement et de procédés pris en charge. Chris Witham, président de Motion Dynamics, explique : « Grâce à un modèle commercial axé sur les produits neurovasculaires, nous offrons des résultats exceptionnels en matière de conception, de réalisation et de service. Nous utilisons la découpe laser uniquement pour fabriquer en interne les composants complexes et de grande valeur qui ont fait notre spécialité et notre réputation ; nous ne proposons pas ce service en sous-traitance. Nous avons constaté que la plupart des découpes laser que nous réalisons sont optimales avec les lasers USP, et j'utilise depuis de nombreuses années un StarCut Tube équipé de ce type de laser. Face à la forte demande pour nos produits, nous fonctionnons en deux équipes de 8 heures par jour, voire trois, et en 2019, nous devions acquérir un StarCut Tube supplémentaire pour accompagner cette croissance. Cette fois-ci, nous avons opté pour l'un des nouveaux modèles hybrides combinant lasers femtoseconde USP et lasers à fibre. Nous l'avons également associé à un StarFeed. » chargeur/déchargeur afin de pouvoir automatiser entièrement la découpe – l'opérateur place simplement l'ébauche. Le tube est chargé dans l'alimentateur et le programme logiciel de fonctionnement du produit est lancé.
Figure 3. Ce tube de distribution flexible en acier inoxydable (présenté 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 cathéters orientables, notamment des hypotubes, des coils et des spirales, y compris la découpe d'extrémités profilées et la réalisation de trous. Ces composants sont finalement utilisés dans des interventions telles que la réparation d'anévrismes et l'élimination de thrombus. Cela nécessite l'utilisation de découpeuses laser sur divers métaux, dont l'acier inoxydable, l'or pur, le platine et le nitinol.
Figure 4. Motion Dynamics utilise également largement le soudage 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 de coupe et des traits de scie minimaux sont essentiels pour la plupart de leurs 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 ce type de laser, notamment les minuscules composants en or servant de marqueurs radio-opaques dans certains de leurs produits. Il a ajouté que les nouvelles options hybrides, incluant les lasers à fibre et les lasers USP, leur offrent une plus grande flexibilité pour optimiser le compromis entre vitesse et qualité de coupe. « Il est indéniable que la fibre optique permet d’atteindre des vitesses plus élevées », a-t-il déclaré. « Mais compte tenu de nos applications spécifiques, cela implique généralement un post-traitement, comme un nettoyage chimique et ultrasonique ou un électropolissage. Disposer d’une machine hybride nous permet donc de choisir le processus global optimal pour chaque composant : laser USP seul ou fibre et post-traitement. Cela nous permet d’explorer la possibilité d’un usinage hybride d’un même composant, en particulier pour les grands diamètres et les épaisseurs importantes : une découpe rapide avec des lasers à fibre, puis un laser femtoseconde pour une découpe de précision. » Il prévoit que le laser USP restera leur premier choix car la plupart de leurs découpes laser concernent des épaisseurs de paroi comprises entre 4 et 6 millièmes de pouce, bien qu'ils rencontrent des épaisseurs de paroi allant de 1 à 20 millièmes de pouce. Tuyaux en acier inoxydable entre millièmes de pouce.
En conclusion, la découpe et le perçage laser sont des procédés clés dans la fabrication de nombreux dispositifs médicaux. Aujourd'hui, grâce aux progrès réalisés dans le domaine des technologies laser et aux machines hautement optimisées et configurées pour répondre aux besoins spécifiques de l'industrie, ces procédés sont plus faciles à utiliser et offrent des résultats supérieurs à ceux obtenus auparavant.