Ezt a weboldalt az Informa PLC tulajdonában lévő egy vagy több vállalkozás üzemelteti, és minden szerzői jog az ő tulajdonukat képezi. Az Informa PLC bejegyzett székhelye: 5 Howick Place, London SW1P 1WG. Angliában és Walesben bejegyezve. Cégjegyzékszám: 8860726.
Manapság a fémek és nemfémek szinte teljes precíziós lézervágását száloptikai lézerekkel vagy ultrarövid impulzusú (USP) lézerekkel, vagy néha mindkettővel felszerelt szerszámokkal végzik. Ebben a cikkben ismertetjük a két lézer különböző előnyeit, és megnézzük, hogyan használják mindkét gyártó ezeket a lézereket. Az NPX Medical (Plymouth, MN) egy szerződéses speciális feldolgozó cég, amely különféle eszközöket és beültető eszközöket gyárt, például stenteket, implantátumokat és flexibilis csöveket, száloptikai lézereket tartalmazó gépeket használva. A Motion Dynamics olyan részegységeket gyárt, mint például a neurológiában használt „húzóhuzalos” szerelvények, egy olyan gépet használva, amely egy USP femtoszekundumos lézert és a legújabb hibrid rendszerek egyikét tartalmazza, beleértve a femtoszekundumos és száloptikai lézereket a maximális rugalmasság és sokoldalúság érdekében.
Sok éven át a lézeres mikromegmunkálás nagy részét szilárdtest nanoszekundumos lézerekkel, úgynevezett DPSS lézerekkel végezték. Ez azonban mára teljesen megváltozott két teljesen különböző, és ezért egymást kiegészítő lézertípus kifejlesztésének köszönhetően. Az eredetileg telekommunikációra kifejlesztett száloptikai lézerek számos iparágban munkagép-anyagfeldolgozó lézerekké váltak, gyakran közeli infravörös hullámhosszon. Sikerük okai az egyszerű architektúrában és a könnyű teljesítményskálázhatóságban rejlenek. Ez olyan lézereket eredményez, amelyek kompaktak, rendkívül megbízhatóak és könnyen integrálhatók speciális gépekbe, és általában alacsonyabb üzemeltetési költségeket kínálnak, mint a régebbi lézertípusok. A mikromegmunkálás szempontjából fontos, hogy a kimenő nyaláb egy kis, tiszta, mindössze néhány mikron átmérőjű pontra fókuszálható, így ideálisak nagy felbontású vágáshoz, hegesztéshez és fúráshoz. Kimeneteik nagyon rugalmasak és szabályozhatók is, az impulzussebesség az egyszeri lövéstől a 170 kHz-ig terjed. A skálázható teljesítmény mellett ez gyors vágást és fúrást is támogat.
A szálas lézerek egyik lehetséges hátránya a mikromegmunkálásban a kis jellemzők és/vagy vékony, kényes alkatrészek megmunkálása. A hosszú (pl. 50 µs) impulzusidőtartamok kis mennyiségű hőhatásövezetet (HAZ) eredményeznek, például újraöntött anyagoknál és kis élérdességet, ami utófeldolgozást igényelhet. Szerencsére az újabb lézerek – az ultrarövid impulzusú (USP) lézerek femtoszekundumos kimeneti impulzusokkal – kiküszöbölik a HAZ problémát.
Az USP lézerek esetében a vágási vagy fúrási folyamattal járó extra hő nagy részét a kidobott törmelék elviszi, mielőtt az a környező anyagba diffundálna. A pikoszekundumos teljesítményű USP lézereket régóta használják mikromegmunkálási alkalmazásokban, beleértve a műanyagokat, félvezetőket, kerámiákat és bizonyos fémeket (pikozekundum = 10-12 másodperc). Az emberi hajszál méretű oszlopokkal rendelkező fémeszközök esetében azonban a fém magas hővezető képessége és apró mérete azt jelenti, hogy a pikoszekundumos lézerek nem mindig biztosítják azokat a jobb eredményeket, amelyek indokolnák a korábbi USP lézerek megnövekedett költségeit. Ez most megváltozott az ipari minőségű femtoszekundumos lézerek megjelenésével (femtoszekundum = 10-15 másodperc). Erre példa a Coherent Inc. Monaco lézersorozata. A szálas lézerekhez hasonlóan a teljesítményük közeli infravörös fény, ami azt jelenti, hogy az orvostechnikai eszközökben használt összes fémet képesek vágni vagy fúrni, beleértve a rozsdamentes acélt, platinát, aranyat, magnéziumot, kobalt-krómot, titánt és egyebeket, valamint a nemfémeket is. Míg a rövid impulzusidőtartam és az alacsony impulzusenergia kombinációja megakadályozza... hőkárosodás (HAZ) esetén a magas (MHz) ismétlési frekvencia költséghatékony átviteli sebességet biztosít számos nagy értékű orvostechnikai eszköz számára.
Természetesen az iparágunkban szinte senkinek sincs szüksége csak egyetlen lézerre. Ehelyett lézer alapú gépre van szükségük, és ma már számos speciális gép létezik, amelyeket orvostechnikai eszközök vágására és fúrására optimalizáltak. Erre példa a Coherent StarCut Tube sorozata, amely száloptikás lézerekkel, femtoszekundumos lézerekkel vagy mindkét lézertípust magában foglaló hibrid változatként használható.
Mit jelent az orvostechnikai eszközökre való specializáció? Ezen eszközök többségét korlátozott tételben, egyedi tervek alapján gyártják. Ezért a rugalmasság és a könnyű használat kulcsfontosságú szempontok. Míg sok eszközt tuskókból gyártanak, egyes alkatrészeket sík tuskókból kell precíziósan megmunkálni; ugyanazon gépnek mindkettőt kezelnie kell az érték maximalizálása érdekében. Ezeket az igényeket általában többtengelyes CNC vezérlésű (xyz és forgó) mozgással és felhasználóbarát HMI-vel elégítik ki az egyszerű programozás és vezérlés érdekében. A StarCut Tube esetében egy új csőadagolási modul opció egy oldalsó adagolású tárral (StarFeed néven) rendelkezik legfeljebb 3 m hosszú csövekhez és egy válogatóval a vágott termékekhez, lehetővé téve a teljesen automatizált termelést.
Ezen gépek folyamatrugalmasságát tovább fokozza a nedves és száraz vágás támogatása, valamint a könnyen állítható szállítófúvókák a segédgázt igénylő folyamatokhoz. A térbeli felbontás különösen fontos a nagyon kis alkatrészek megmunkálásakor, ami azt jelenti, hogy a termomechanikai stabilitás kiküszöböli a gépműhelyekben gyakran előforduló rezgések hatásait. A StarCut Tube termékcsalád ezt az igényt kielégíti azáltal, hogy a teljes vágóasztalt nagyszámú gránit elemmel építi fel.
Az NPX Medical egy viszonylag új szerződéses gyártó, amely tervezési, mérnöki és precíziós lézervágási szolgáltatásokat nyújt orvostechnikai eszközök gyártóinak. A 2019-ben alapított vállalat minőségi termékekről és reagálóképességről szerzett hírnevet az iparágban, és számos eszközt támogat, beleértve a stenteket, implantátumokat, billentyűsztenteket és flexibilis bevezetőcsöveket hasonlóan változatos sebészeti beavatkozásokhoz, beleértve a neurovaszkuláris, szív-, vese-, gerinc-, ortopédiai, nőgyógyászati ​​és gyomor-bélrendszeri sebészeti beavatkozásokat. Fő lézervágója a StarCut Tube 2+2Â, StarFiber 320FC-vel, amelynek átlagos teljesítménye 200 watt. Mike Brenzel, az NPX egyik alapítója elmagyarázta, hogy „az alapítók több éves – összesen több mint 90 éves – orvostechnikai eszközök tervezési és gyártási tapasztalattal rendelkeznek”, korábbi tapasztalattal a StarCut-szerű gépeken, amelyek szálas lézereket használnak. Munkánk nagy része nitinol vágást foglal magában, és már tudjuk, hogy a szálas lézerek biztosítják a szükséges sebességet és minőséget. Az olyan eszközökhöz, mint a vastag falú csövek és a szívbillentyűk, sebességre van szükségünk, és az USP lézer túl lassú lehet az igényeinknek. A magas mellett „Nagy volumenű gyártási megrendelések – kis tételekben gyártott alkatrészekre specializálódtunk – mindössze 5 és 150 darab között –, célunk, hogy ezeket a kis tételeket mindössze néhány nap alatt teljesítsük, beleértve a tervezést, programozást, vágást, formázást, utófeldolgozást és ellenőrzést, szemben a nagyobb vállalatoknál a megrendelés leadása utáni hetekkel.” A sebesség említése mellett Brenzel a gép megbízhatóságát is fő előnyként említette, mivel az elmúlt 18 hónapban a szinte folyamatos működés során egyetlen szervizhívásra sem volt szükség.
2. ábra. Az NPX számos utófeldolgozási lehetőséget kínál. Az itt látható anyag T316 rozsdamentes acél, 5 mm külső átmérővel és 0,254 mm falvastagsággal. A bal oldali részt vágták/mikroszemcsés felületkezeléssel, a jobb oldali részt pedig elektropolírozták.
A nitinol alkatrészek mellett a vállalat széles körben használ kobalt-króm ötvözeteket, tantál ötvözeteket, titánötvözeteket és számos orvosi rozsdamentes acélt is. Jeff Hansen, a lézermegmunkálási vezető elmagyarázza: „A gép rugalmassága egy másik fontos előny, amely lehetővé teszi számunkra, hogy nagyon sokféle anyagot, például csöveket és lapos anyagokat is vágjunk. A sugarat 20 mikronos pontra tudjuk fókuszálni, ami több... A vékony csövek nagyon hasznosak. Ezek közül a csövek közül néhány mindössze 0,012 hüvelyk belső átmérőjű, és a legújabb száloptikás lézerek csúcsteljesítményének és átlagos teljesítményének magas aránya maximalizálja vágási sebességünket, miközben továbbra is biztosítja a kívánt élminőséget. Feltétlenül szükségünk van a nagyobb, akár 1 hüvelyk külső átmérőjű termékek sebességére.”
A precíziós vágás és a gyors reagálás mellett az NPX teljes körű utófeldolgozási technológiákat is kínál, valamint átfogó tervezési szolgáltatásokat, amelyek kihasználják az iparágban szerzett széleskörű tapasztalatait. Ezek a technikák magukban foglalják az elektrolitikus polírozást, a homokfúvást, a pácolást, a lézerhegesztést, a hőrögzítést, az alakítást, a passziválást, az Af hőmérséklet-vizsgálatot és a fáradásvizsgálatot, amelyek mindegyike kulcsfontosságú a Nitinol eszközök gyártásában. Brenzel szerint az utófeldolgozás használata az élkidolgozás szabályozására „általában attól függ, hogy nagy vagy alacsony fáradási igényű alkalmazásról beszélünk. Például egy nagy fáradási igényű alkatrész, mint például egy szívbillentyű, élettartama alatt akár milliárdszor is meghajolhat utófeldolgozásként. Lépésként fontos a homokfúvás használata az összes él sugarának növelése érdekében. De az alacsony fáradási igényű alkatrészek, mint például a bevezető rendszerek vagy a vezetődrótok, gyakran nem igényelnek kiterjedt utófeldolgozást.” Ami a tervezési szakértelmet illeti, Brenzel elmagyarázza, hogy ma már az ügyfelek háromnegyede is igénybe veszi a tervezési szolgáltatásait, hogy kihasználja az NPX segítségét és szakértelmét az FDA jóváhagyás megszerzésében. A cég nagyon jó abban, hogy a „szalvétavázlat” koncepcióját rövid időn belül végleges formájú termékké alakítsa.
A Motion Dynamics (Fruitport, MI) egyedi miniatűr rugók, orvosi tekercsek és huzalszerelvények gyártója, amelynek küldetése az ügyfelek problémáinak a lehető legrövidebb időn belüli megoldása, függetlenül attól, hogy mennyire összetettek vagy látszólag lehetetlenek. Az orvostechnikai eszközök terén elsősorban a neurovaszkuláris sebészethez szükséges komplex szerelvényekre helyezi a hangsúlyt, beleértve a kiváló minőségű huzalszerelvények tervezését, gyártását és összeszerelését olyan alkalmazásokhoz, mint az irányítható katétereszközök, beleértve a „húzóhuzalos” szerelvényeket is.
Ahogy korábban említettük, a száloptikai vagy USP lézer kiválasztása mérnöki preferencia, valamint a támogatott berendezések és folyamatok típusa kérdése. Chris Witham, a Motion Dynamics elnöke kifejtette: „Egy olyan üzleti modell alapján, amely nagymértékben a neurovaszkuláris termékekre összpontosít, megkülönböztetett eredményeket tudunk nyújtani a tervezés, a kivitelezés és a szolgáltatás terén. Lézervágást csak a házon belül használt alkatrészek gyártásához használunk, a nagy értékű, „nehéz” alkatrészek gyártásához, amelyek a specialitásunkká és hírnevünkké váltak; nem kínálunk lézervágást szerződéses szolgáltatásként. Azt tapasztaltuk, hogy a legtöbb általunk végzett lézervágást a legjobb USP lézerekkel elvégezni, és évek óta egy StarCut Tube-ot használok egy ilyen lézerrel. Termékeink iránti nagy kereslet miatt napi két 8 órás műszakunk van, néha akár három műszak is, és 2019-ben egy másik StarCut Tube-ot is be kell szereznünk a növekedés támogatásához. De ezúttal úgy döntöttünk, hogy a femtoszekundumos USP lézerek és száloptikai lézerek egyik új hibrid modelljét választjuk. Emellett egy StarFeed betöltő/kirakodóval is párosítottuk, hogy teljes mértékben tudjunk...” automatizálja a vágást – a kezelőnek egyszerűen be kell helyeznie a nyersanyagot. A csövet betöltik az adagolóba, és elindul a termék szoftveres operációs programja.
3. ábra. Ezt a rugalmas rozsdamentes acél szállítócsövet (egy radír mellett látható) Monaco femtoszekundumos lézerrel vágták ki.
Witham hozzáteszi, hogy bár alkalmanként síkvágásra is használják a gépet, idejük több mint 95 százalékát hengeres termékek, nevezetesen hipocsövek, tekercsek és spirálok létrehozásával vagy módosításával töltik irányítható katéterszerelvényeikhez, beleértve a profilos végek vágását és a vágott lyukak kialakítását. Ezeket az alkatrészeket végső soron olyan eljárásokban használják, mint az aneurizma javítása és a trombus eltávolítása. Ehhez lézervágók használata szükséges különféle fémeken, beleértve a rozsdamentes acélt, a tiszta aranyat, a platinát és a nitinolt.
4. ábra. A Motion Dynamics szintén széles körben alkalmaz lézerhegesztést. Fent a tekercset a lézerrel vágott csőhöz hegesztették.
Milyen lézeropciók vannak? Witham elmagyarázta, hogy a kiváló élminőség és a minimális vágási vágás kritikus fontosságú a legtöbb alkatrészüknél, ezért kezdetben az USP lézereket részesítették előnyben. Ráadásul a vállalat által használt anyagok egyike sem vágható ezekkel a lézerekkel, beleértve az apró arany alkatrészeket is, amelyeket egyes termékeikben radiopak markerként használnak. Hozzátette azonban, hogy az új hibrid opciók, beleértve a száloptikát és az USP lézereket, nagyobb rugalmasságot biztosítanak számukra a sebesség/élminőség optimalizálásában. „Nem kétséges, hogy a száloptika nagyobb sebességet biztosíthat” – mondta. „De a konkrét alkalmazási fókuszunk miatt ez általában valamilyen utófeldolgozást jelent, például kémiai és ultrahangos tisztítást vagy elektropolírozást. Tehát egy hibrid gép lehetővé teszi számunkra, hogy kiválasszuk, melyik teljes folyamat – önmagában az USP vagy a száloptika és az utófeldolgozás – optimális az egyes alkatrészekhez. Lehetővé teszi számunkra, hogy megvizsgáljuk ugyanazon alkatrész hibrid megmunkálásának lehetőségét, különösen nagyobb átmérők és falvastagságok esetén: akár gyors vágás száloptikával, majd femtoszekundumos lézer használata finomvágáshoz.” Arra számít, hogy az USP lézer továbbra is az elsődleges választásuk marad, mivel a lézervágásaik többségében 4 és 6 ezer közötti falvastagsággal dolgoznak, bár 1-20 ezer közötti falvastagsággal is találkoznak. Rozsdamentes acélcsövek esetén ez az érték ezer és hat között változik.
Összefoglalva, a lézervágás és -fúrás kulcsfontosságú folyamatok a különféle orvostechnikai eszközök gyártásában. Manapság, a maglézer-technológia fejlődésének és az iparág speciális igényeihez konfigurált, nagymértékben optimalizált gépeknek köszönhetően ezek az eljárások könnyebben használhatók és jobb eredményeket biztosítanak, mint valaha.