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今日では、金属や非金属の精密レーザー切断のほぼすべては、ファイバーレーザーまたは超短パルス（USP）レーザー、あるいはその両方を搭載したツールを使用して行われています。この記事では、2つのレーザーのさまざまな利点を説明し、両メーカーがこれらのレーザーをどのように使用しているかを見ていきます。NPX Medical（ミネソタ州プリマス）は、ファイバーレーザーを組み込んだ機械を使用して、ステント、インプラント、フレキシブルチューブなどのさまざまなデバイスや展開ツールを製造する契約専門加工会社です。Motion Dynamicsは、主に神経学で使用される「プルワイヤー」アセンブリなどのサブアセンブリを、USPフェムト秒レーザーと、最大限の柔軟性と汎用性を実現するためにフェムト秒レーザーとファイバーレーザーを含む最新のハイブリッドシステムを備えた機械を使用して製造しています。
長年にわたり、レーザーマイクロ加工のほとんどは、DPSS レーザーと呼ばれる固体ナノ秒レーザーを使用して行われてきました。しかし、2 つのまったく異なる、したがって補完的なレーザータイプの開発により、これは完全に変わりました。もともと通信用に開発されたファイバーレーザーは、多くの産業で、多くの場合近赤外波長で、材料加工の主力レーザーとして成熟しました。その成功の理由は、そのシンプルな構造と、出力の拡張が容易であることです。これにより、コンパクトで信頼性が高く、特殊な機械に簡単に統合でき、一般的に古いタイプのレーザーよりも所有コストが低くなるレーザーが実現します。マイクロ加工にとって重要なのは、出力ビームを直径わずか数ミクロンの小さくきれいなスポットに集束できるため、高解像度の切断、溶接、穴あけに最適です。出力も非常に柔軟で制御可能で、パルスレートはシングルショットから 170 kHz までです。これにより、出力の拡張と相まって、高速切断と穴あけが可能になります。
しかし、マイクロマシニングにおけるファイバーレーザーの潜在的な欠点は、小さな形状や薄くて繊細な部品の加工です。長い（例えば50µs）パルス持続時間では、再鋳造材料や小さなエッジ粗さなどの熱影響部（HAZ）が少量発生し、後処理が必要になる場合があります。幸いなことに、フェムト秒出力パルスを持つ超短パルス（USP）レーザーなどの新しいレーザーは、HAZの問題を解消します。
USPレーザーでは、切断や穴あけプロセスに伴う余分な熱のほとんどが、周囲の材料に拡散する前に排出された破片によって運び去られます。ピコ秒出力のUSPレーザーは、プラスチック、半導体、セラミック、および特定の金属（ピコ秒 = 10⁻¹²秒）を含むマイクロマシニング用途で長年使用されてきました。しかし、人間の髪の毛ほどの大きさの柱を持つ金属デバイスの場合、金属の高い熱伝導率と微小なサイズのため、ピコ秒レーザーは、以前のUSPレーザーのコスト増を正当化するほどの改善された結果を常に提供するとは限りません。これは、産業グレードのフェムト秒レーザー（フェムト秒 = 10⁻¹⁵秒）の登場により変わりました。例として、Coherent Inc.のMonacoシリーズのレーザーがあります。ファイバーレーザーと同様に、その出力は近赤外光であるため、ステンレス鋼、プラチナ、金、マグネシウム、コバルトクロム、チタンなど、医療機器に使用されるすべての金属を切断または穴あけできます。非金属。短いパルス持続時間と低いパルスエネルギーの組み合わせにより熱損傷（HAZ）を防ぎ、高い（MHz）繰り返し周波数により、多くの高価な医療機器に対して費用対効果の高いスループット速度が保証されます。
もちろん、この業界でレーザーを1台だけ必要とする人はほとんどいません。むしろ、レーザーを搭載した機械が必要であり、現在では医療機器の切断や穴あけに最適化された特殊な機械が数多く存在します。例えば、Coherent社のStarCut Tubeシリーズは、ファイバーレーザー、フェムト秒レーザー、あるいは両方のレーザータイプを組み合わせたハイブリッドバージョンとして使用できます。
医療機器の専門化とはどういう意味でしょうか?これらの機器のほとんどは、カスタム設計に基づいて限定されたバッチで生産されます。そのため、柔軟性と使いやすさが重要な考慮事項となります。多くの機器はビレットから製造されますが、一部のコンポーネントは平らなビレットから精密に機械加工する必要があります。同じ機械で両方を処理して価値を最大化する必要があります。これらのニーズは通常、マルチ軸CNC制御（xyzおよび回転）モーションと、簡単なプログラミングと制御のためのユーザーフレンドリーなHMIを提供することで満たされます。StarCut Tubeの場合、新しいチューブローディングモジュールオプションには、長さ3mまでのチューブ用のサイドローディングマガジン（StarFeedと呼ばれる）と、切断された製品のソーターが付属しており、完全自動化された生産が可能になります。
これらの機械の加工の柔軟性は、湿式および乾式切断のサポートと、アシストガスを必要とするプロセス用の調整しやすい供給ノズルによってさらに強化されています。空間分解能も非常に小さな部品の加工には特に重要であり、熱機械的安定性によって機械工場でよく発生する振動の影響が排除されます。StarCut Tubeシリーズは、多数の花崗岩要素で切断デッキ全体を構築することにより、このニーズを満たしています。
NPX Medicalは、医療機器メーカー向けに設計、エンジニアリング、精密レーザー切断サービスを提供する比較的新しい受託製造会社です。2019年に設立された同社は、高品質な製品と迅速な対応で業界で高い評価を得ており、ステント、インプラント、弁ステント、フレキシブルデリバリーチューブなど、神経血管、心臓、腎臓、脊椎、整形外科、婦人科、消化器外科など、多様な外科手術に対応する幅広い機器をサポートしています。同社の主力レーザーカッターは、平均出力200ワットのStarFiber 320FCを搭載したStarCut Tube 2+2です。NPXの創設者の1人であるマイク・ブレンゼル氏は、「創設者たちは、合計90年以上にわたる医療機器の設計と製造の経験を持ち、ファイバーレーザーを使用したStarCutのような機械の経験も豊富です」と説明しています。「私たちの仕事の多くはニッケルチタン合金の切断であり、ファイバーレーザーが私たちが求める速度と品質を提供できることは既に分かっています。厚肉チューブや心臓などの機器には、ファイバーレーザーが適しています。」バルブに関しては、スピードが必要であり、USP レーザーは当社のニーズに対して遅すぎる可能性があります。大量生産の注文に加えて、当社は 5 個から 150 個の小ロットの部品を専門としており、設計、プログラミング、切断、成形、後処理、検査を含めて、これらの小ロットのターンアラウンドを、大企業からの注文を受けてから数週間かかるのと比較して、わずか 数日で完了することを目標としています。」ブレンゼル氏はスピードに加えて、機械の信頼性を大きな利点として挙げ、過去 18 か月のほぼ連続稼働で、サービスコールが 1 回も必要なかったと述べています。
図2。NPXはさまざまな後処理オプションを提供しています。ここに示されている材料は、外径5mm、肉厚0.254mmのT316ステンレス鋼です。左側は切断/マイクロブラスト処理、右側は電解研磨されています。
ニッケルチタン合金部品に加えて、同社はコバルトクロム合金、タンタル合金、チタン合金、および多くの種類の医療用ステンレス鋼も幅広く使用しています。レーザー加工マネージャーのジェフ・ハンセン氏は次のように説明しています。「機械の柔軟性も重要な資産であり、チューブや平板を含む非常に多様な材料の切断をサポートできます。ビームを20ミクロンのスポットに集束できるため、より細いチューブに非常に役立ちます。これらのチューブの中には、内径がわずか0.012インチのものもあり、最新のファイバーレーザーのピーク出力と平均出力の比率が高いため、必要なエッジ品質を維持しながら切断速度を最大化できます。外径が最大1インチの大型製品の速度は絶対に必要です。」
精密な切断と迅速な対応に加えて、NPXは、業界での豊富な経験を活かした包括的な設計サービスに加え、あらゆる後処理技術も提供しています。これらの技術には、電解研磨、サンドブラスト、酸洗、レーザー溶接、熱処理、成形、不動態化、Af温度試験、疲労試験などがあり、これらはすべてニッケルチタン合金製デバイスの製造に不可欠です。エッジ仕上げを制御するために後処理を使用することについて、ブレンゼル氏は「通常、高疲労用途か低疲労用途かによって異なります。たとえば、心臓弁のような高疲労部品は、その寿命の間に10億回曲げられる可能性があり、後処理のステップとして、すべてのエッジの半径を大きくするためにサンドブラストを使用することが重要です。しかし、デリバリーシステムやガイドワイヤーのような低疲労部品は、多くの場合、広範な後処理を必要としません。」と述べています。ブレンゼル氏によると、デザインの専門知識に関しては、現在では顧客の4分の3が、FDA承認取得におけるNPXの支援とスキルを活用するために同社のデザインサービスを利用している。同社は、「ナプキンスケッチ」のコンセプトを短期間で最終形態の製品に仕上げるのが非常に得意である。
Motion Dynamics（ミシガン州フルーツポート）は、カスタム仕様の小型スプリング、医療用コイル、ワイヤーアセンブリを製造するメーカーであり、その使命は、どんなに複雑で一見不可能に見える問題であっても、顧客の問題を最短時間で解決することです。医療機器分野では、主に脳血管外科手術用の複雑なアセンブリに重点を置いており、操縦可能なカテーテルデバイスなどの用途向けの高品質ワイヤーアセンブリの設計、製造、組み立て、および「プルワイヤー」アセンブリを提供しています。
前述のとおり、ファイバーレーザーまたはUSPレーザーの選択は、エンジニアリングの好みだけでなく、サポートされている機器とプロセスの種類にも左右されます。モーションダイナミクスの社長であるクリス・ウィザム氏は次のように説明しています。「神経血管製品に重点を置いたビジネスモデルに基づいて、設計、実行、サービスにおいて差別化された結果を提供できます。当社では、社内で使用するコンポーネントの製造にのみレーザー切断を使用しています。当社の専門分野および評判となっている高価値で「難しい」コンポーネントの製造にレーザー切断を使用しており、レーザー切断を契約サービスとして提供していません。当社が行うレーザー切断のほとんどはUSPレーザーで行うのが最適であることがわかっており、長年にわたり、これらのレーザーの1つでStarCut Tubeを使用しています。当社の製品に対する強い需要のため、1日に2つの8時間シフト、時には3つのシフトで稼働しており、2019年にはこの成長を支えるために別のStarCut Tubeを取得する必要がありました。しかし今回は、フェムト秒USPレーザーとファイバーレーザーの新しいハイブリッドモデルの1つを選択することにしました。また、StarFeedと組み合わせて使用​​しました。」ローダー/アンローダーにより、切断を完全に自動化できます。オペレーターはブランクを投入するだけで済みます。チューブがフィーダーにロードされ、製品のソフトウェア操作プログラムが起動されます。
図3。この柔軟なステンレス鋼製送液チューブ（鉛筆の消しゴムの隣に示されている）は、モナコ社製のフェムト秒レーザーで切断されたものである。
ウィザム氏は、時折この機械を平面切断に使用するものの、時間の95%以上は、操縦可能なカテーテルアセンブリ用の円筒形製品、すなわちハイポチューブ、コイル、スパイラルの作成または変更に費やされており、これにはプロファイルされた先端や切断穴の切断も含まれると付け加えている。これらのコンポーネントは最終的に、動脈瘤修復や血栓除去などの処置に使用される。これには、ステンレス鋼、純金、プラチナ、ニッケルチタン合金など、さまざまな金属にレーザーカッターを使用する必要がある。
図4．モーションダイナミクス社もレーザー溶接を幅広く利用している。上図は、コイルがレーザー切断されたチューブに溶接されている様子を示している。
レーザーの選択肢はどのようなものですか?Witham氏は、ほとんどの部品にとって優れたエッジ品質と最小限の切断幅が重要であるため、当初はUSPレーザーを優先したと説明しました。さらに、同社が使用する材料は、一部の製品で放射線不透過マーカーとして使用される小さな金部品を含め、これらのレーザーでは切断できません。しかし、ファイバーレーザーやUSPなどの新しいハイブリッドオプションにより、速度/エッジ品質の問題を最適化する柔軟性が高まったと彼は付け加えました。「ファイバーオプティクスが高速化できることは間違いありません」と彼は言いました。「しかし、当社の特定の用途に焦点を当てているため、これは通常、化学洗浄や超音波洗浄、電解研磨などの何らかの後処理を意味します。そのため、ハイブリッドマシンを使用することで、USP単独、ファイバーと後処理処理のどちらのプロセスが各部品に最適かを選択できます。これにより、特に直径や肉厚が大きい場合に、同じ部品のハイブリッド加工の可能性を探ることができます。ファイバーレーザーで高速切断した後、フェムト秒レーザーを使用して精密切断を行うことも可能になります。」 USP レーザーは引き続き彼らの第一の選択肢となるだろうと彼は予想している。なぜなら、彼らのレーザー切断のほとんどは 4 ～ 6 ミルの壁厚に関わるが、1 ～ 20 ミルの壁厚にも遭遇するからである。ステンレス鋼管は 1 ミルから 6 ミルの間である。
結論として、レーザー切断とレーザー穴あけは、様々な医療機器の製造において重要な工程です。今日では、コアレーザー技術の進歩と、業界の特定のニーズに合わせて高度に最適化された機械のおかげで、これらの工程はこれまで以上に使いやすく、優れた結果をもたらすようになっています。