Este sitio web está operado por unha ou máis empresas propiedade de Informa PLC e todos os dereitos de autor son propiedade delas. A oficina rexistrada de Informa PLC é 5 Howick Place, Londres SW1P 1WG. Rexistrada en Inglaterra e Gales. Nº 8860726.
Hoxe en día, case todo o corte láser de precisión de metais e non metais realízase con ferramentas equipadas con láseres de fibra ou láseres de pulso ultracurto (USP), ou ás veces con ambos. Neste artigo, explicaremos as diferentes vantaxes dos dous láseres e veremos como ambos fabricantes usan estes láseres. NPX Medical (Plymouth, MN) é unha empresa de procesamento especializado por contrato que fabrica unha variedade de dispositivos e ferramentas de despregamento, como stents, implantes e tubos flexibles, utilizando máquinas que incorporan láseres de fibra. Motion Dynamics fabrica subconxuntos, como conxuntos de "cable de tracción" utilizados principalmente en neuroloxía, utilizando unha máquina que inclúe un láser de femtosegundos USP e un dos últimos sistemas híbridos, incluíndo láseres de femtosegundos e de fibra, para unha máxima flexibilidade e versatilidade.
Durante moitos anos, a maior parte do micromecanizado láser realizouse utilizando láseres de nanosegundos de estado sólido chamados láseres DPSS. Non obstante, isto cambiou completamente agora grazas ao desenvolvemento de dous tipos de láseres completamente diferentes e, polo tanto, complementarios. Desenvolvidos orixinalmente para telecomunicacións, os láseres de fibra maduraron ata converterse en láseres de procesamento de materiais de gran capacidade en moitas industrias, a miúdo a lonxitudes de onda do infravermello próximo. As razóns do seu éxito residen na súa arquitectura sinxela e na súa escalabilidade de potencia directa. Isto resulta en láseres compactos, altamente fiables e fáciles de integrar en máquinas especializadas e, en xeral, ofrecen un custo de propiedade menor que os tipos de láser máis antigos. É importante destacar que para o micromecanizado o feixe de saída pódese enfocar nun punto pequeno e limpo de só unhas poucas micras de diámetro, polo que son ideais para corte, soldadura e perforación de alta resolución. As súas saídas tamén son moi flexibles e controlables, con taxas de pulso que van desde un só disparo ata 170 kHz. Xunto coa potencia escalable, isto permite un corte e unha perforación rápidos.
Non obstante, unha posible desvantaxe dos láseres de fibra no micromecanizado é o mecanizado de pequenas características e/ou pezas delgadas e delicadas. As duracións de pulso longas (por exemplo, 50 µs) resultan nunha pequena cantidade de zona afectada pola calor (HAZ), como material refundido, e unha pequena rugosidade dos bordos, o que pode requirir algún posprocesamento. Afortunadamente, os láseres máis novos (láseres de pulso ultracurto (USP) con pulsos de saída de femtosegundos) eliminan o problema da HAZ.
Cos láseres USP, a maior parte da calor adicional asociada ao proceso de corte ou perforación é transportada polos residuos expulsados ​​antes de que teña tempo de difundirse no material circundante. Os láseres USP con saída de picosegundos levan moito tempo utilizándose en aplicacións de micromecanizado que involucran plásticos, semicondutores, cerámica e certos metais (picosegundos = 10-12 segundos). Pero para dispositivos metálicos con piares do tamaño dun cabelo humano, a alta condutividade térmica e o tamaño diminuto do metal significan que os láseres de picosegundos non sempre proporcionan os resultados mellorados que xustificarían o aumento do custo dos láseres USP anteriores. Isto cambiou agora coa chegada dos láseres de femtosegundos de grao industrial (femtosegundos = 10-15 segundos). Un exemplo é a serie de láseres Monaco de Coherent Inc. Do mesmo xeito que os láseres de fibra, a súa saída é luz infravermella próxima, o que significa que poden cortar ou perforar todos os metais utilizados en dispositivos médicos, incluíndo aceiro inoxidable, platino, ouro, magnesio, cobalto-cromo, titanio e moito máis, así como non metais. Aínda que a combinación de curta duración do pulso e baixa enerxía do pulso evita danos térmicos (HAZ), a alta taxa de repetición (MHz) garante velocidades de rendemento rendibles para moitos dispositivos médicos de alto valor.
Por suposto, case ninguén na nosa industria precisa só un láser. No seu lugar, precisan unha máquina baseada en láser e agora hai moitas máquinas especializadas optimizadas para cortar e perforar dispositivos médicos. Un exemplo é a serie StarCut Tube de Coherent, que se pode usar con láseres de fibra, láseres de femtosegundos ou como unha versión híbrida que incorpora ambos os tipos de láser.
Que significa a especialización en dispositivos médicos? A maioría destes dispositivos prodúcense en lotes limitados baseándose en deseños personalizados. Polo tanto, a flexibilidade e a facilidade de uso son consideracións clave. Aínda que moitos dispositivos se fabrican a partir de lingotes, algúns compoñentes deben mecanizarse con precisión a partir de lingotes planos; a mesma máquina debe manexar ambos para maximizar o seu valor. Estas necesidades adoitan satisfacerse proporcionando movemento multieixe controlado por CNC (xyz e rotatorio) e unha HMI fácil de usar para unha programación e un control sinxelos. No caso de StarCut Tube, unha nova opción de módulo de carga de tubos inclúe un almacén de carga lateral (chamado StarFeed) para tubos de ata 3 m de lonxitude e un clasificador para produtos cortados, o que permite unha produción totalmente automatizada.
A flexibilidade do proceso destas máquinas mellórase aínda máis coa compatibilidade co corte en húmido e en seco e as boquillas de subministración facilmente axustables para procesos que requiren gas de asistencia. A resolución espacial tamén é especialmente importante para o mecanizado de pezas moi pequenas, o que significa que a estabilidade termomecánica elimina os efectos da vibración que se atopan a miúdo nos talleres. A gama StarCut Tube satisfai esta necesidade construíndo toda a plataforma de corte cun gran número de elementos de granito.
NPX Medical é un fabricante por contrato relativamente novo que ofrece servizos de deseño, enxeñaría e corte por láser de precisión a fabricantes de dispositivos médicos. Fundada en 2019, a empresa gañou unha reputación na industria polos seus produtos de calidade e capacidade de resposta, dando soporte a unha ampla gama de dispositivos, incluíndo stents, implantes, stents de válvulas e tubos de administración flexibles para intervencións cirúrxicas similares, incluíndo cirurxía neurovascular, cardíaca, renal, de columna vertebral, ortopédica, xinecolóxica e gastrointestinal. O seu principal cortador láser é o StarCut Tube 2+2 cun StarFiber 320FC cunha potencia media de 200 vatios. Mike Brenzel, un dos fundadores de NPX, explicou que "os fundadores achegan anos de experiencia no deseño e fabricación de dispositivos médicos, máis de 90 anos en total", con experiencia previa con máquinas tipo StarCut que usan láseres de fibra. Gran parte do noso traballo implica o corte de nitinol e xa sabemos que os láseres de fibra poden proporcionar a velocidade e a calidade que necesitamos. Para dispositivos como tubos de parede grosa e válvulas cardíacas, necesitamos velocidade, e o láser USP pode ser demasiado lento para as nosas necesidades. En Ademais dos pedidos de produción de alto volume (especializámonos en lotes pequenos de pezas, só entre 5 e 150 pezas), o noso obxectivo é completar estas pequenas entregas en lotes en só uns días, incluíndo deseño, programación, corte, conformado, posprocesamento e inspección, en comparación coas semanas posteriores a unha solicitude para empresas máis grandes". Ademais de mencionar a velocidade, Brenzel mencionou a fiabilidade da máquina como unha gran vantaxe, xa que non requiriu nin unha soa chamada de servizo durante os últimos 18 meses de funcionamento case continuo.
Figura 2. NPX ofrece unha variedade de opcións de posprocesamento. O material que se mostra aquí é aceiro inoxidable T316 cun diámetro exterior de 5 mm e un grosor de parede de 0,254 mm. A parte esquerda está cortada/microgranallada e a parte dereita está electropulida.
Ademais das pezas de nitinol, a empresa tamén fai un uso extensivo de aliaxes de cobalto-cromo, aliaxes de tántalo, aliaxes de titanio e moitos tipos de aceiros inoxidables médicos. Jeff Hansen, xerente de procesamento láser, explica: "A flexibilidade da máquina é outro activo importante, que nos permite admitir o corte dunha gama moi diversa de materiais, incluíndo tubos e planos. Podemos enfocar o feixe ata un punto de 20 micras, o que é útil para máis... Os tubos delgados son moi útiles. Algúns destes tubos teñen só 0,012″ de diámetro interior, e a alta relación entre a potencia máxima e a potencia media dos últimos láseres de fibra maximiza a nosa velocidade de corte, ao tempo que proporciona a calidade de bordo desexada. Necesitamos absolutamente a velocidade de produtos máis grandes cun diámetro exterior de ata 1 polgada".
Ademais do corte de precisión e a resposta rápida, NPX tamén ofrece unha gama completa de tecnoloxías de posprocesamento, así como servizos de deseño completos que aproveitan a súa ampla experiencia na industria. Estas técnicas inclúen electropulido, chorro de area, decapado, soldadura láser, termofixación, conformado, pasivación, probas de temperatura Af e probas de fatiga, todas elas clave para a fabricación de dispositivos de Nitinol. O uso do posprocesamento para controlar o acabado dos bordos, dixo Brenzel, "normalmente depende de se estamos a falar dunha aplicación de alta ou baixa fatiga. Por exemplo, unha peza de alta fatiga como unha válvula cardíaca pode dobrarse mil millóns de veces ao longo da súa vida útil como posprocesamento. Como paso, é importante usar o chorro de area para aumentar o radio de todos os bordos. Pero os compoñentes de baixa fatiga como os sistemas de entrega ou os fíos guía a miúdo non requiren un posprocesamento extenso". En termos de experiencia en deseño, explica Brenzel, agora hai ata tres cuartas partes dos clientes que tamén usan os seus servizos de deseño para aproveitar a axuda e as habilidades de NPX para obter a aprobación da FDA. A empresa é moi boa á hora de converter o concepto de "bosquexo de pano" nun produto na súa forma final nun curto período de tempo.
Motion Dynamics (Fruitport, MI) é un fabricante de resortes miniatura personalizados, espirales médicas e conxuntos de arame cuxa misión é resolver os problemas dos clientes, non importa o complexos ou aparentemente imposibles que sexan, no menor tempo posible. En dispositivos médicos, fai fincapé principalmente en conxuntos complexos para cirurxía neurovascular, incluíndo o deseño, a produción e o montaxe de conxuntos de arame de alta calidade para aplicacións como dispositivos de catéter orientables, incluídos os conxuntos de "arame de tracción".
Como se mencionou anteriormente, a elección de láser de fibra ou USP é unha cuestión de preferencia de enxeñaría, así como do tipo de equipo e procesos compatibles. Chris Witham, presidente de Motion Dynamics, explicou: "Baseándonos nun modelo de negocio moi centrado en produtos neurovasculares, podemos ofrecer resultados diferenciados en deseño, execución e servizo. Só usamos corte por láser para producir os compoñentes que usamos internamente, para fabricar os compoñentes de alto valor e "difíciles" que se converteron na nosa especialidade e reputación; non ofrecemos corte por láser como servizo por contrato. Descubrimos que a maioría dos cortes por láser que realizamos fanse mellor con láseres USP, e durante moitos anos estiven usando un tubo StarCut cun destes láseres. Debido á forte demanda dos nosos produtos, temos dous turnos de 8 horas ao día, ás veces incluso tres turnos, e en 2019 necesitamos adquirir outro tubo StarCut para apoiar este crecemento. Pero esta vez, decidimos optar por un dos novos modelos híbridos de láseres USP de femtosegundos e láseres de fibra. Tamén o emparellamos cun cargador/descargador StarFeed para que..." poderiamos automatizar completamente o corte: o operador simplemente coloca a peza en bruto. O tubo cárgase no alimentador e iníciase o programa operativo de software para o produto.
Figura 3. Este tubo flexible de aceiro inoxidable (que se mostra xunto a unha goma de borrar) foi cortado cun láser de femtosegundos de Mónaco.
Witham engade que, aínda que ocasionalmente empregan a máquina para cortes planos, máis do 95 % do seu tempo o dedican a crear ou modificar produtos cilíndricos para os seus conxuntos de catéteres orientables, concretamente hipotubos, bobinas e espirais, incluíndo o corte de puntas perfiladas e orificios de corte. Estes compoñentes utilízanse en última instancia en procedementos como a reparación de aneurismas e a eliminación de trombos. Isto require o uso de cortadoras láser nunha variedade de metais, incluíndo aceiro inoxidable, ouro puro, platino e nitinol.
Figura 4. Motion Dynamics tamén emprega amplamente a soldadura láser. Arriba, a bobina foi soldada ao tubo cortado con láser.
Cales son as opcións de láser? Witham explicou que unha excelente calidade de bordo e cortes mínimos son fundamentais para a maioría dos seus compoñentes, polo que inicialmente preferiron os láseres USP. Ademais, ningún dos materiais que usa a empresa pode ser cortado por un destes láseres, incluídos os pequenos compoñentes de ouro utilizados como marcadores radiopacos nalgúns dos seus produtos. Pero engadiu que as novas opcións híbridas, incluídos os láseres de fibra e os USP, lles dan máis flexibilidade á hora de optimizar os problemas de velocidade/calidade de bordo. "Non hai dúbida de que a fibra óptica pode proporcionar velocidades máis altas", dixo. "Pero debido ao noso enfoque particular na aplicación, isto xeralmente significa algún tipo de posprocesamento, como limpeza química e ultrasónica ou electropulido. Polo tanto, ter unha máquina híbrida permítenos elixir que proceso xeral (USP só ou fibra e manexo de posprocesamento) é óptimo para cada compoñente. Permítenos explorar a posibilidade do mecanizado híbrido do mesmo compoñente, especialmente cando se trata de diámetros e grosores de parede maiores: mesmo cortes rápidos con láseres de fibra. Despois, use un láser de femtosegundos para cortes finos". Agarda que o láser USP siga sendo a súa primeira opción porque a maioría dos seus cortes con láser implican grosores de parede de entre 4 e 6 mil, aínda que atopan grosores de parede que oscilan entre 1 e 20 mil. Tubos de aceiro inoxidable entre os mil.
En conclusión, o corte e a perforación por láser son procesos clave na fabricación de diversos dispositivos médicos. Hoxe en día, grazas aos avances na tecnoloxía láser básica e ás máquinas altamente optimizadas configuradas para as necesidades específicas da industria, estes procesos son máis fáciles de usar e ofrecen mellores resultados que nunca.