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Oggi, quasi tutte le lavorazioni di taglio laser di precisione di metalli e non metalli vengono eseguite utilizzando utensili 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 specializzata nella lavorazione conto terzi che produce una varietà di dispositivi e strumenti di impianto, come stent, impianti e tubi flessibili, utilizzando macchine che incorporano laser a fibra. Motion Dynamics produce sottogruppi, come i sistemi di "trazione a filo" utilizzati principalmente in neurologia, utilizzando una macchina che include un laser a femtosecondi USP e uno dei più recenti sistemi ibridi che includono 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, questo scenario è ora completamente cambiato grazie allo sviluppo di due tipologie di laser completamente diverse e quindi complementari. Originariamente sviluppati per le telecomunicazioni, i laser a fibra si sono affermati come laser di riferimento per la lavorazione dei materiali in molti settori, spesso a lunghezze d'onda nel vicino infrarosso. Il loro successo è dovuto alla semplicità dell'architettura e alla facile scalabilità della potenza. Ciò si traduce in laser compatti, altamente affidabili e facili da integrare in macchine specializzate, che generalmente offrono un costo totale di proprietà inferiore rispetto ai laser di vecchia generazione. Un aspetto fondamentale per la microlavorazione è la possibilità di focalizzare il fascio di uscita in un punto piccolo e pulito di pochi micron di diametro, rendendoli ideali per il taglio, la saldatura e la foratura ad alta risoluzione. Le loro uscite sono inoltre molto flessibili e controllabili, con frequenze di impulso che vanno da un singolo impulso a 170 kHz. Insieme alla potenza scalabile, questo permette di ottenere tagli e forature rapidi.
Tuttavia, un potenziale svantaggio dei laser a fibra nella microlavorazione è la lavorazione di elementi di piccole dimensioni e/o parti sottili e delicate. Durate di impulso lunghe (ad esempio, 50 µs) comportano una piccola quantità di zona termicamente alterata (ZTA), come materiale rifuso e una leggera rugosità dei bordi, che potrebbe richiedere una post-elaborazione. Fortunatamente, i laser di nuova generazione, i laser a impulsi ultracorti (USP) con impulsi di uscita a femtosecondi, eliminano il problema della ZTA.
Con i laser USP, la maggior parte del calore in eccesso associato al processo di taglio o foratura viene trasportato via nei detriti espulsi prima che abbia il tempo di diffondersi nel materiale circostante. I laser USP con uscita a picosecondi sono stati a lungo utilizzati in applicazioni di microlavorazione che coinvolgono plastica, semiconduttori, ceramica e alcuni metalli (picosecondi = 10⁻¹² secondi). Ma per i dispositivi metallici con pilastri delle dimensioni di un capello umano, l'elevata conduttività termica del metallo e le dimensioni minuscole fanno sì che i laser a picosecondi non sempre forniscano i risultati migliori che giustificherebbero l'aumento del costo dei precedenti laser USP. Questo è ora 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 uscita 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 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 trasmissione economicamente vantaggiose per molti dispositivi medici di alto valore.
Naturalmente, quasi nessuno nel nostro settore ha bisogno di un solo laser. Piuttosto, serve una macchina basata sul laser, e ora esistono molte macchine specializzate ottimizzate per il taglio e la foratura di dispositivi medicali. Un esempio è la serie StarCut Tube di Coherent, che può essere utilizzata con laser a fibra, laser a femtosecondi o in una versione ibrida che incorpora entrambi i tipi di laser.
Cosa significa specializzazione nei dispositivi medicali? La maggior parte di questi dispositivi viene prodotta in lotti limitati sulla base di progetti personalizzati. Pertanto, flessibilità e facilità d'uso sono considerazioni fondamentali. Mentre molti dispositivi sono realizzati a partire da billette, alcuni componenti devono essere lavorati con precisione da billette piatte; la stessa macchina deve essere in grado di gestire entrambi i tipi di lavorazione per massimizzarne il valore. Queste esigenze vengono solitamente soddisfatte fornendo un movimento multiasse controllato da CNC (xyz e rotativo) e un'interfaccia HMI intuitiva per una programmazione e un controllo semplici. Nel caso di StarCut Tube, una nuova opzione di modulo di caricamento tubi è dotata di un caricatore a caricamento laterale (denominato StarFeed) per tubi fino a 3 m di lunghezza e di un selezionatore 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 umido e a secco e da ugelli di erogazione facilmente regolabili per i processi che richiedono gas di assistenza. La risoluzione spaziale è inoltre particolarmente importante per la lavorazione di pezzi molto piccoli, il che significa che la stabilità termomeccanica elimina gli effetti delle vibrazioni che si riscontrano spesso nelle officine meccaniche. La gamma StarCut Tube soddisfa questa esigenza realizzando l'intero piano di taglio con un elevato numero di elementi in granito.
NPX Medical è un'azienda relativamente nuova specializzata nella produzione conto terzi di dispositivi medici, che offre servizi di progettazione, ingegneria e taglio laser di precisione. Fondata nel 2019, l'azienda si è guadagnata una solida reputazione nel settore per la qualità dei suoi prodotti e la sua reattività, supportando un'ampia gamma di dispositivi, tra cui stent, impianti, stent valvolari e tubi di rilascio flessibili, per interventi chirurgici altrettanto diversificati, tra cui interventi neurovascolari, cardiaci, renali, spinali, ortopedici, ginecologici e gastrointestinali. La sua principale macchina per il taglio laser è la StarCut Tube 2+2 con un laser StarFiber 320FC dalla potenza media di 200 watt. Mike Brenzel, uno dei fondatori di NPX, ha spiegato che "i fondatori vantano anni di esperienza nella progettazione e produzione di dispositivi medici, oltre 90 anni in totale", con precedente esperienza con macchine simili alla StarCut che utilizzano laser a fibra. Gran parte del nostro lavoro prevede 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 parete spessa e valvole cardiache, abbiamo bisogno di velocità e il laser USP potrebbe essere troppo Lento per le nostre esigenze. Oltre agli ordini di produzione ad alto volume, siamo specializzati in piccoli lotti di pezzi, da 5 a 150 pezzi, e il nostro obiettivo è completare questi piccoli lotti in pochi giorni, inclusi progettazione, programmazione, taglio, formatura, post-elaborazione e ispezione, rispetto alle settimane necessarie alle aziende più grandi dopo l'ordine. Oltre alla velocità, Brenzel ha menzionato l'affidabilità della macchina come un grande vantaggio, non avendo richiesto un singolo intervento di assistenza negli ultimi 18 mesi di funzionamento quasi continuo.
Figura 2. NPX offre una varietà di opzioni di post-elaborazione. Il materiale qui mostrato 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 nitinolo, l'azienda utilizza ampiamente anche leghe di cobalto-cromo, leghe di tantalio, leghe di titanio e molti tipi di acciai inossidabili medicali. Jeff Hansen, responsabile della lavorazione laser, spiega: "La flessibilità delle macchine è un altro importante vantaggio, che ci consente di supportare il taglio di una gamma molto diversificata di materiali, inclusi tubi e lamiere. 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 laser a fibra di ultima generazione massimizza la nostra velocità di taglio, garantendo al contempo la qualità del bordo desiderata. Abbiamo assolutamente bisogno della velocità per i prodotti più grandi con un diametro esterno fino a 1 pollice."
Oltre al taglio di precisione e alla rapidità di risposta, NPX offre anche una gamma completa di tecnologie di post-elaborazione, nonché servizi di progettazione completi che sfruttano la sua vasta esperienza nel settore. Queste tecniche includono elettrolucidatura, sabbiatura, decapaggio, saldatura laser, termofissaggio, formatura, passivazione, test di temperatura Af e test di fatica, tutti elementi chiave per la fabbricazione di dispositivi in ​​Nitinol. L'utilizzo della post-elaborazione per controllare la finitura dei bordi, ha affermato Brenzel, "dipende solitamente 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 durante la sua vita utile come fase di post-elaborazione, 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 i fili guida spesso non richiedono un'ampia post-elaborazione." In termini di competenza progettuale, spiega Brenzel, ora ci sono ben tre quarti dei clienti che utilizzano anche i loro servizi di progettazione per sfruttare l'aiuto e le competenze di NPX nell'ottenere l'approvazione della FDA. L'azienda è molto brava a trasformare il concetto di "schizzo su un tovagliolo" in un prodotto nella sua forma finale in un breve periodo di tempo.
Motion Dynamics (Fruitport, MI) è un'azienda produttrice di molle miniaturizzate personalizzate, bobine medicali e assemblaggi di fili, la cui missione è risolvere i problemi dei clienti, per quanto complessi o apparentemente impossibili, nel minor tempo possibile. Nel settore dei dispositivi medicali, si concentra principalmente su assemblaggi complessi per la neurochirurgia vascolare, tra cui la progettazione, la produzione e l'assemblaggio di assemblaggi di fili di alta qualità per applicazioni quali cateteri orientabili, inclusi gli assemblaggi "a filo tirante".
Come accennato in precedenza, la scelta tra laser a fibra o USP è una questione di preferenza ingegneristica, nonché del tipo di apparecchiature e processi supportati. Chris Witham, Presidente di Motion Dynamics, ha spiegato: "Basandoci su un modello di business fortemente focalizzato sui prodotti neurovascolari, possiamo fornire risultati differenziati in termini di progettazione, esecuzione e servizio. Utilizziamo il taglio laser solo per produrre i componenti che usiamo internamente, per fabbricare 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 sono fatti meglio con laser USP e per molti anni ho usato 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 acquistare un altro StarCut Tube per supportare questa crescita. Ma questa volta, abbiamo deciso di optare per uno dei nuovi modelli ibridi di laser USP a femtosecondi e laser a fibra. Lo abbiamo anche abbinato a un Il caricatore/scaricatore StarFeed ci ha permesso di automatizzare completamente il taglio: l'operatore deve semplicemente inserire il tubo grezzo nell'alimentatore e avviare il programma software operativo per il prodotto.
Figura 3. Questo tubo di erogazione flessibile in acciaio inossidabile (mostrato accanto a una gomma da cancellare) è stato tagliato con un laser a femtosecondi Monaco.
Witham aggiunge che, sebbene occasionalmente utilizzino la macchina per il taglio di superfici piane, oltre il 95% del loro tempo è dedicato alla creazione o alla modifica di prodotti cilindrici per i loro cateteri orientabili, ovvero ipotubi, spirali e spire, compreso 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 macchine da taglio laser su una varietà di metalli, tra cui acciaio inossidabile, oro puro, platino e nitinolo.
Figura 4. Motion Dynamics utilizza ampiamente anche 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 del bordo 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 questi laser, compresi i minuscoli componenti in oro utilizzati come marcatori radiopachi in alcuni dei suoi prodotti. Ha aggiunto, tuttavia, che le nuove opzioni ibride, che includono laser a fibra e USP, offrono loro maggiore flessibilità nell'ottimizzazione dei problemi di velocità e qualità del bordo. "Non c'è dubbio che la fibra ottica possa fornire velocità più elevate", ha affermato. "Ma a causa del nostro particolare focus applicativo, questo di solito implica un qualche tipo di post-elaborazione, come la pulizia chimica e a ultrasuoni o l'elettrolucidatura. Quindi avere una macchina ibrida ci consente di scegliere quale processo complessivo – solo USP o fibra e post-elaborazione – sia ottimale per ogni componente. Ci consente di esplorare la possibilità di lavorazione ibrida dello stesso componente, soprattutto quando sono coinvolti diametri e spessori di parete maggiori: anche un taglio veloce con laser a fibra, poi utilizzare un laser a femtosecondi per il taglio di precisione." Prevede che il laser USP rimarrà la loro prima scelta perché la maggior parte dei loro tagli laser riguarda spessori di parete compresi tra 4 e 6 millesimi di pollice, sebbene incontrino spessori di parete che vanno da 1 a 20 millesimi di pollice. Tubi in acciaio inossidabile tra millesimi di pollice.
In conclusione, il taglio e la foratura laser sono processi chiave nella produzione di diversi dispositivi medici. Oggi, grazie ai progressi nella tecnologia laser di base e a macchine altamente ottimizzate e configurate per le esigenze specifiche del settore, questi processi sono più facili da utilizzare e offrono risultati migliori che mai.