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Oggigiorno, quasi tutti i tagli laser di precisione di metalli e non metalli vengono eseguiti utilizzando strumenti dotati di laser a fibra o laser a impulsi ultracorti (USP), o talvolta entrambi. In questo articolo, spiegheremo i diversi vantaggi dei due laser e vedremo come entrambi i produttori li utilizzano. NPX Medical (Plymouth, MN) è un'azienda di lavorazione specializzata su contratto che produce una varietà di dispositivi e strumenti di distribuzione, come stent, impianti e tubi flessibili, utilizzando macchine che incorporano laser a fibra. Motion Dynamics produce sottogruppi, come gruppi "a filo di trazione" utilizzati principalmente in neurologia, utilizzando una macchina che include un laser a femtosecondi USP e uno dei più recenti sistemi ibridi che include laser a femtosecondi e a fibra per la massima flessibilità e versatilità.
Per molti anni, la maggior parte della microlavorazione laser è stata eseguita utilizzando laser a stato solido a nanosecondi chiamati laser DPSS. Tuttavia, la situazione è cambiata radicalmente grazie allo sviluppo di due tipi di laser completamente diversi e quindi complementari. Originariamente sviluppati per le telecomunicazioni, i laser a fibra si sono evoluti in laser di punta per la lavorazione dei materiali in molti settori, spesso a lunghezze d'onda vicine all'infrarosso. Le ragioni del loro successo risiedono nella loro architettura semplice e nella semplice scalabilità di potenza. Ciò si traduce in laser compatti, altamente affidabili e facili da integrare in macchine specializzate e che generalmente offrono un costo di proprietà inferiore rispetto ai tipi di laser più vecchi. Un aspetto importante per la microlavorazione è che il fascio di uscita può essere focalizzato in un punto piccolo e pulito di soli pochi micron di diametro, quindi sono ideali per taglio, saldatura e foratura ad alta risoluzione. Le loro uscite sono anche molto flessibili e controllabili, con frequenze di impulso che vanno da un singolo colpo a 170 kHz. Insieme alla potenza scalabile, questo supporta taglio e foratura rapidi.
Tuttavia, uno svantaggio potenziale dei laser a fibra nella microlavorazione è la lavorazione di piccole caratteristiche e/o parti sottili e delicate. Le durate degli impulsi lunghe (ad esempio 50 µs) determinano una piccola quantità di zona termicamente alterata (HAZ), come materiale rifuso e piccole rugosità dei bordi, che potrebbero richiedere una post-elaborazione. Fortunatamente, i laser più recenti, quelli a impulsi ultracorti (USP) con impulsi di uscita a femtosecondi, eliminano il problema della HAZ.
Con i laser USP, la maggior parte del calore extra associato al processo di taglio o foratura viene dissipato nei detriti espulsi prima che abbiano il tempo di diffondersi nel materiale circostante. I laser USP con emissione al picosecondo sono da tempo utilizzati in applicazioni di microlavorazione che coinvolgono materie plastiche, semiconduttori, ceramiche e alcuni metalli (picosecondi = 10-12 secondi). Tuttavia, per i dispositivi metallici con pilastri delle dimensioni di un capello umano, l'elevata conduttività termica e le dimensioni ridotte del metallo fanno sì che i laser al picosecondo non forniscano sempre i risultati migliori che giustificherebbero l'aumento dei costi dei precedenti laser USP. Questo è cambiato con l'avvento dei laser a femtosecondi di livello industriale (femtosecondi = 10-15 secondi). Un esempio è la serie di laser Monaco di Coherent Inc. Come i laser a fibra, la loro emissione è luce nel vicino infrarosso, il che significa che possono tagliare o forare tutti i metalli utilizzati nei dispositivi medici, tra cui acciaio inossidabile, platino, oro, magnesio, cobalto-cromo, titanio e altro ancora. così come i non metalli. Mentre la combinazione di breve durata dell'impulso e bassa energia dell'impulso previene danni termici (HAZ), l'elevata frequenza di ripetizione (MHz) garantisce velocità di elaborazione convenienti per molti dispositivi medici di alto valore.
Naturalmente, quasi nessuno nel nostro settore ha bisogno di un solo laser. Piuttosto, hanno bisogno di una macchina basata su laser e ora ci sono molte macchine specializzate ottimizzate per il taglio e la foratura di dispositivi medici. Un esempio è la serie StarCut Tube di Coherent, che può essere utilizzata con laser a fibra, laser a femtosecondi o come versione ibrida che incorpora entrambi i tipi di laser.
Cosa significa specializzazione nei dispositivi medici? La maggior parte di questi dispositivi viene prodotta in lotti limitati basati su progetti personalizzati. Pertanto, flessibilità e facilità d'uso sono considerazioni chiave. Mentre molti dispositivi sono realizzati da billette, alcuni componenti devono essere lavorati con precisione da billette piatte; la stessa macchina deve gestire entrambe le operazioni per massimizzarne il valore. Queste esigenze vengono solitamente soddisfatte fornendo un movimento CNC multiasse (xyz e rotativo) e un'interfaccia utente intuitiva per una programmazione e un controllo semplici. Nel caso di StarCut Tube, una nuova opzione del modulo di caricamento tubi è dotata di un caricatore laterale (chiamato StarFeed) per tubi fino a 3 m di lunghezza e di uno smistatore per i prodotti tagliati, consentendo una produzione completamente automatizzata.
La flessibilità di processo di queste macchine è ulteriormente migliorata dal supporto per il taglio a secco e a umido e dagli ugelli di erogazione facilmente regolabili per i processi che richiedono gas di assistenza. Anche la risoluzione spaziale è particolarmente importante per la lavorazione di parti molto piccole, il che significa che la stabilità termomeccanica elimina gli effetti delle vibrazioni spesso riscontrabili nelle officine meccaniche. La gamma StarCut Tube soddisfa questa esigenza costruendo l'intero piatto di taglio con un gran numero di elementi in granito.
NPX Medical è un produttore a contratto relativamente nuovo che fornisce servizi di progettazione, ingegneria e taglio laser di precisione ai produttori di dispositivi medici. Fondata nel 2019, l'azienda si è costruita una reputazione nel settore per la qualità dei prodotti e la reattività, supportando un'ampia gamma di dispositivi, tra cui stent, impianti, stent valvolari e tubi di erogazione flessibili per procedure chirurgiche altrettanto diverse, tra cui interventi chirurgici neurovascolari, cardiaci, renali, spinali, ortopedici, ginecologici e gastrointestinali. Il suo principale laser cutter è lo StarCut Tube 2+2 con uno StarFiber 320FC con una potenza media di 200 watt. Mike Brenzel, uno dei fondatori di NPX, ha spiegato che "i fondatori portano anni di esperienza nella progettazione e produzione di dispositivi medici, oltre 90 anni in totale", con precedente esperienza con macchine simili a StarCut che utilizzano laser a fibra. Gran parte del nostro lavoro riguarda il taglio del nitinol e sappiamo già che i laser a fibra possono fornire la velocità e la qualità di cui abbiamo bisogno. Per dispositivi come tubi a pareti spesse e valvole cardiache, abbiamo bisogno di velocità e il laser USP potrebbe essere troppo lento per le nostre esigenze. Oltre agli ordini di produzione di grandi volumi (siamo specializzati in piccoli lotti di parti, solo tra 5 e 150 pezzi), il nostro obiettivo è di completare questi piccoli lotti in pochi giorni, inclusi progettazione, programmazione, taglio, formatura, post-elaborazione e ispezione, rispetto alle settimane successive all'ordine per le aziende più grandi". Oltre a menzionare la velocità, Brenzel ha menzionato l'affidabilità della macchina come un vantaggio importante, non avendo richiesto una singola chiamata di assistenza negli ultimi 18 mesi di funzionamento quasi ininterrotto.
Figura 2. NPX offre una varietà di opzioni di post-elaborazione. Il materiale mostrato qui è acciaio inossidabile T316 con un diametro esterno di 5 mm e uno spessore della parete di 0,254 mm. La parte sinistra è tagliata/microsabbiata e la parte destra è elettrolucidata.
Oltre ai componenti in nitinol, l'azienda fa ampio uso anche di leghe di cobalto-cromo, leghe di tantalio, leghe di titanio e molti tipi di acciaio inossidabile medicale. Jeff Hansen, responsabile della lavorazione laser, spiega: "La flessibilità della macchina è un altro punto di forza importante, che ci consente di supportare il taglio di una gamma molto ampia di materiali, inclusi tubi e superfici piatte. Possiamo focalizzare il raggio fino a un punto di 20 micron, il che è utile per i tubi più sottili. Alcuni di questi tubi hanno un diametro interno di soli 0,012" e l'elevato rapporto tra potenza di picco e potenza media dei più recenti laser a fibra massimizza la nostra velocità di taglio, garantendo comunque la qualità dei bordi desiderata. Abbiamo assolutamente bisogno della velocità di prodotti più grandi con un diametro esterno fino a 1 pollice."
Oltre al taglio di precisione e alla risposta rapida, NPX offre anche una gamma completa di tecnologie di post-processing, nonché servizi di progettazione completi che sfruttano la sua vasta esperienza nel settore. Queste tecniche includono elettrolucidatura, sabbiatura, decapaggio, saldatura laser, termoindurimento, formatura, passivazione, test di temperatura AF e test di fatica, tutti fondamentali per la fabbricazione di dispositivi in ​​Nitinol. L'utilizzo del post-processing per controllare la finitura dei bordi, ha affermato Brenzel, "di solito dipende dal fatto che si tratti di un'applicazione ad alta o bassa fatica. Ad esempio, un componente ad alta fatica come una valvola cardiaca potrebbe piegarsi un miliardo di volte nel corso della sua vita utile a causa della post-processing. Come fase, è importante utilizzare la sabbiatura per aumentare il raggio di tutti i bordi. Ma i componenti a bassa fatica come i sistemi di rilascio o le guide spesso non richiedono una post-processing estesa". In termini di competenza nella progettazione, spiega Brenzel, sono ormai ben tre quarti i clienti che utilizzano i servizi di progettazione di NPX per avvalersi dell'assistenza e delle competenze necessarie per ottenere l'approvazione della FDA. L'azienda è molto brava a trasformare il concetto di "bozza" in un prodotto nella sua forma finale in un breve lasso di tempo.
Motion Dynamics (Fruitport, MI) è un produttore di molle in miniatura personalizzate, bobine medicali e gruppi di fili, la cui missione è risolvere i problemi dei clienti, indipendentemente da quanto siano complessi o apparentemente impossibili, nel più breve tempo possibile. Nel settore dei dispositivi medici, l'attenzione si concentra principalmente sui gruppi complessi per la chirurgia neurovascolare, tra cui la progettazione, la produzione e l'assemblaggio di gruppi di fili di alta qualità per applicazioni quali dispositivi per cateteri orientabili, compresi i gruppi "a filo di trazione".
Come accennato in precedenza, la scelta tra laser a fibra o USP è una questione di preferenze ingegneristiche, nonché del tipo di apparecchiature e processi supportati. Chris Witham, Presidente di Motion Dynamics, ha spiegato: "Grazie a un modello di business fortemente focalizzato sui prodotti neurovascolari, possiamo offrire risultati differenziati in termini di progettazione, esecuzione e assistenza. Utilizziamo il taglio laser solo per produrre i componenti che utilizziamo internamente, per realizzare i componenti di alto valore e "difficili" che sono diventati la nostra specialità e la nostra reputazione; non offriamo il taglio laser come servizio a contratto. Abbiamo scoperto che la maggior parte dei tagli laser che eseguiamo vengono eseguiti al meglio con i laser USP e per molti anni ho utilizzato uno StarCut Tube con uno di questi laser. A causa della forte domanda per i nostri prodotti, abbiamo due turni di 8 ore al giorno, a volte anche tre turni, e nel 2019 abbiamo dovuto acquisire un altro StarCut Tube per supportare questa crescita. Ma questa volta abbiamo deciso di utilizzare uno dei nuovi modelli ibridi di laser USP a femtosecondi e laser a fibra. Lo abbiamo anche abbinato a un caricatore/scaricatore StarFeed, in modo da poter automatizzare completamente il taglio: l'operatore deve semplicemente inserire il tubo. Il tubo viene caricato nell'alimentatore e viene avviato il programma software operativo per il prodotto.
Figura 3. Questo tubo di somministrazione flessibile in acciaio inossidabile (mostrato accanto a una gomma per matita) è stato tagliato con un laser a femtosecondi Monaco.
Witham aggiunge che, sebbene utilizzino occasionalmente la macchina per il taglio piatto, più del 95 percento del loro tempo è dedicato alla creazione o alla modifica di prodotti cilindrici per i loro gruppi di cateteri orientabili, vale a dire ipotubi, bobine e spirali, incluso il taglio di punte profilate e fori. Questi componenti vengono infine utilizzati in procedure come la riparazione di aneurismi e la rimozione di trombi. Ciò richiede l'uso di taglierine laser su una varietà di metalli, tra cui acciaio inossidabile, oro puro, platino e nitinol.
Figura 4. Anche Motion Dynamics utilizza ampiamente la saldatura laser. Sopra, la bobina è stata saldata al tubo tagliato al laser.
Quali sono le opzioni laser? Witham ha spiegato che un'eccellente qualità dei bordi e tagli minimi sono fondamentali per la maggior parte dei loro componenti, quindi inizialmente hanno preferito i laser USP. Inoltre, nessuno dei materiali utilizzati dall'azienda può essere tagliato da uno di questi laser, compresi i minuscoli componenti in oro utilizzati come marcatori radiopachi in alcuni dei suoi prodotti. Ha però aggiunto che le nuove opzioni ibride, inclusi i laser a fibra e gli USP, offrono maggiore flessibilità nell'ottimizzazione di velocità e qualità dei bordi. "Non c'è dubbio che la fibra ottica possa fornire velocità più elevate", ha affermato. "Ma, data la nostra particolare attenzione applicativa, questo di solito implica un qualche tipo di post-processing, come la pulizia chimica e a ultrasuoni o l'elettrolucidatura. Quindi, avere una macchina ibrida ci permette di scegliere quale processo complessivo – solo USP o fibra e post-processing – sia ottimale per ciascun componente. Ci consente di esplorare la possibilità di lavorazioni ibride dello stesso componente, soprattutto quando sono coinvolti diametri e spessori di parete maggiori: anche il taglio rapido con laser a fibra, quindi utilizzare un laser a femtosecondi per il taglio fine." Si aspetta che il laser USP rimanga la loro prima scelta, poiché la maggior parte dei loro tagli laser riguarda spessori di parete compresi tra 4 e 6mila, sebbene incontrino spessori di parete che vanno da 1 a 20mila. Tubi in acciaio inossidabile tra mille.
In conclusione, il taglio e la foratura laser sono processi fondamentali nella produzione di vari dispositivi medici. Oggi, grazie ai progressi nella tecnologia laser di base e alle macchine altamente ottimizzate e configurate per le esigenze specifiche del settore, questi processi sono più facili da usare e forniscono risultati migliori che mai.