본 웹사이트는 Informa PLC가 소유한 하나 이상의 사업체에 의해 운영되며 모든 저작권은 해당 사업체에 있습니다. Informa PLC의 등록 사무소는 5 Howick Place, London SW1P 1WG입니다. 영국 및 웨일즈에 등록 번호 8860726입니다.
오늘날, 금속과 비금속의 거의 모든 정밀 레이저 절단은 파이버 레이저나 초단 펄스(USP) 레이저, 또는 때로는 둘 다를 갖춘 도구를 사용하여 수행됩니다.이 기사에서는 두 레이저의 다양한 장점을 설명하고 두 제조업체가 이러한 레이저를 사용하는 방법을 살펴보겠습니다.NPX Medical(미네소타주 플리머스)은 파이버 레이저를 통합한 기계를 사용하여 스텐트, 임플란트, 유연한 튜빙과 같은 다양한 장치와 배포 도구를 제조하는 계약 특수 가공 회사입니다.Motion Dynamics는 최대의 유연성과 다용성을 위해 USP 펨토초 레이저와 펨토초 및 파이버 레이저를 포함한 최신 하이브리드 시스템 중 하나를 포함하는 기계를 활용하여 주로 신경학에서 사용되는 "풀 와이어" 어셈블리와 같은 하위 어셈블리를 제조합니다.
수년 동안 대부분의 레이저 미세 가공은 DPSS 레이저라고 하는 고체 나노초 레이저를 사용하여 수행되었습니다.그러나 이제 완전히 다르고 상호 보완적인 두 가지 레이저 유형이 개발되어 이러한 상황이 완전히 바뀌었습니다.원래 통신용으로 개발된 파이버 레이저는 많은 산업에서 종종 근적외선 파장에서 사용되는 주력 재료 가공 레이저로 성장했습니다.성공의 이유는 간단한 아키텍처와 간단한 전력 확장성에 있습니다.이로 인해 소형, 높은 신뢰성, 특수 기계에 쉽게 통합할 수 있는 레이저가 만들어졌으며 일반적으로 기존 레이저 유형보다 소유 비용이 낮습니다.미세 가공의 중요한 점은 출력 빔을 직경이 몇 마이크론에 불과한 작고 깨끗한 지점에 집중시킬 수 있으므로 고해상도 절단, 용접 및 드릴링에 이상적입니다.또한 출력은 매우 유연하고 제어 가능하며 펄스 속도는 단일 샷에서 170kHz까지 다양합니다.확장 가능한 전력과 함께 빠른 절단 및 드릴링을 지원합니다.
그러나 마이크로 가공에서 파이버 레이저의 잠재적 단점은 작은 형상 및/또는 얇고 섬세한 부품을 가공한다는 것입니다.긴(예: 50µs) 펄스 지속 시간은 재주조된 소재와 작은 모서리 거칠기와 같은 소량의 열영향부(HAZ)를 초래하며, 이는 일부 후처리가 필요할 수 있습니다.다행히도 펨토초 출력 펄스를 갖춘 최신 레이저(초단 펄스(USP) 레이저)는 HAZ 문제를 제거합니다.
USP 레이저를 사용하면 절단 또는 드릴링 프로세스와 관련된 대부분의 추가 열이 주변 재료로 확산될 시간을 갖기 전에 배출된 파편으로 사라집니다.피코초 출력의 USP 레이저는 플라스틱, 반도체, 세라믹 및 특정 금속(피코초 = 10-12초)과 관련된 미세 가공 응용 분야에서 오랫동안 사용되었습니다.그러나 인간 머리카락 크기의 기둥이 있는 금속 장치의 경우 금속의 높은 열 전도도와 작은 크기로 인해 피코초 레이저는 이전 USP 레이저의 증가된 비용을 정당화할 수 있는 향상된 결과를 항상 제공하지 못합니다.이제 산업용 펨토초 레이저(펨토초 = 10-15초)의 출현으로 이러한 상황이 바뀌었습니다.예를 들어 Coherent Inc.의 Monaco 레이저 시리즈가 있습니다.파이버 레이저와 마찬가지로 출력은 근적외선이므로 스테인리스 스틸, 백금, 금, 마그네슘, 코발트-크롬, 티타늄을 포함하여 의료 기기에 사용되는 모든 금속을 절단하거나 드릴링할 수 있습니다. 더 많은 비금속도 포함됩니다. 짧은 펄스 지속 시간과 낮은 펄스 에너지의 조합은 열 손상(HAZ)을 방지하는 동시에 높은(MHz) 반복률은 많은 고가 의료 기기에 대해 비용 효율적인 처리 속도를 보장합니다.
물론, 우리 산업에서 단 하나의 레이저만 필요한 사람은 거의 없습니다. 대신 레이저 기반 기계가 필요하며, 현재 의료 기기를 절단하고 드릴링하는 데 최적화된 특수 기계가 많이 있습니다. 예를 들어 Coherent의 StarCut Tube 시리즈는 파이버 레이저, 펨토초 레이저와 함께 사용하거나 두 가지 레이저 유형을 통합한 하이브리드 버전으로 사용할 수 있습니다.
의료 기기 전문화란 무엇을 의미합니까?대부분의 이러한 기기는 맞춤형 설계를 기반으로 제한된 배치로 생산됩니다.따라서 유연성과 사용 편의성이 주요 고려 사항입니다.많은 기기가 빌릿으로 제조되지만 일부 구성 요소는 평평한 빌릿에서 정밀 가공해야 합니다.동일한 기계가 가치를 극대화하기 위해 두 가지 모두를 처리해야 합니다.이러한 요구 사항은 일반적으로 다축 CNC 제어(xyz 및 회전) 모션과 간단한 프로그래밍 및 제어를 위한 사용자 친화적인 HMI를 제공하여 충족됩니다.StarCut Tube의 경우, 최대 3m 길이의 튜브용 측면 로딩 매거진(StarFeed라고 함)과 절단된 제품용 분류기가 포함된 새로운 튜브 로딩 모듈 옵션이 제공되어 완전 자동화된 생산이 가능합니다.
이러한 기계의 공정 유연성은 습식 및 건식 절단을 지원하고 보조 가스가 필요한 공정에 쉽게 조절 가능한 공급 노즐을 통해 더욱 향상됩니다. 공간 분해능은 매우 작은 부품을 가공하는 데 특히 중요한데, 이는 열기계적 안정성이 기계 작업장에서 자주 발생하는 진동의 영향을 제거한다는 것을 의미합니다. StarCut Tube 제품군은 전체 절단 데크를 다수의 화강암 요소로 구성하여 이러한 요구 사항을 충족합니다.
NPX Medical은 의료 기기 제조업체에 설계, 엔지니어링 및 정밀 레이저 절단 서비스를 제공하는 비교적 새로운 계약 제조업체입니다.2019년에 설립된 이 회사는 스텐트, 임플란트, 밸브 스텐트 및 신경혈관, 심장, 신장, 척추, 정형외과, 부인과 및 위장관 수술을 포함한 유사하게 다양한 수술 절차를 위한 유연한 전달 튜브를 포함하여 광범위한 장치를 지원하여 품질 제품과 대응성으로 업계에서 명성을 쌓았습니다.주요 레이저 커터는 평균 전력이 200와트인 StarFiber 320FC가 장착된 StarCut Tube 2+2입니다.NPX의 창립자 중 한 명인 Mike Brenzel은 "창립자들은 수년간의 의료 기기 설계 및 제조 경험, 총 90년 이상의 경험을 가지고 있습니다."라고 설명했으며 이전에는 파이버 레이저를 사용하는 StarCut과 같은 기계를 사용한 경험이 있습니다.우리의 많은 작업에는 니티놀 절단이 포함되며 파이버 레이저가 필요한 속도와 품질을 제공할 수 있다는 것을 이미 알고 있습니다.두꺼운 벽의 튜브와 같은 장치의 경우 심장 판막의 경우 속도가 필요하고 USP 레이저는 저희의 필요에 비해 너무 느릴 수 있습니다.대량 생산 주문 외에도 저희는 5~150개에 불과한 소량 부품 배치를 전문으로 합니다.저희의 목표는 설계, 프로그래밍, 절단, 성형, 후처리 및 검사를 포함하여 이러한 소량 배치 작업을 단 며칠 만에 완료하는 것입니다.대규모 회사의 경우 주문 후 몇 주가 걸립니다."브렌젤은 속도를 언급하는 것 외에도 기계의 안정성을 주요 장점으로 언급했으며, 지난 18개월 동안 거의 연속적으로 작동하면서 단 한 번의 서비스 호출도 필요하지 않았습니다.
그림 2. NPX는 다양한 후처리 옵션을 제공합니다. 여기에 표시된 소재는 OD가 5mm이고 벽 두께가 0.254mm인 T316 스테인리스 스틸입니다. 왼쪽 부분은 절단/마이크로 블라스팅이고 오른쪽 부분은 전해 연마입니다.
니티놀 부품 외에도 이 회사는 코발트-크롬 합금, 탄탈륨 합금, 티타늄 합금 및 다양한 의료용 스테인리스강을 광범위하게 사용합니다.레이저 가공 관리자인 제프 핸슨(Jeff Hansen)은 다음과 같이 설명합니다. "장비의 유연성은 튜브 및 플랫을 포함한 매우 다양한 소재의 절단을 지원할 수 있게 해주는 또 다른 중요한 자산입니다. 빔을 20미크론 스팟까지 집중시킬 수 있어 더욱 얇은 튜브에 유용합니다. 이러한 튜브 중 일부는 내경이 0.012인치에 불과하며, 최신 파이버 레이저의 높은 피크 출력 대 평균 출력 비율은 원하는 절삭 품질을 유지하면서도 절단 속도를 극대화합니다. 외경이 최대 1인치인 더 큰 제품의 속도가 절대적으로 필요합니다."
NPX는 정밀 절삭 및 빠른 대응 외에도 광범위한 후처리 기술과 업계에서의 광범위한 경험을 활용한 포괄적인 설계 서비스를 제공합니다.이러한 기술에는 전해 연마, 샌드 블라스팅, 산세척, 레이저 용접, 열 경화, 성형, 부동태화, Af 온도 시험 및 피로 시험이 포함되며 모두 니티놀 장치 제작에 중요합니다.후처리를 사용하여 모서리 마감을 제어하는 ​​​​것은 일반적으로 고피로 또는 저피로 응용 분야에 대해 이야기하는지에 따라 달라집니다.예를 들어, 심장 판막과 같은 고피로 부품은 후처리로서 수명 동안 수십억 번 구부러질 수 있습니다.단계로서 모든 모서리의 반경을 늘리기 위해 샌드 블라스팅을 사용하는 것이 중요합니다.그러나 전달 시스템이나 가이드 와이어와 같은 저피로 구성 요소는 종종 광범위한 후처리가 필요하지 않습니다. 브렌젤은 디자인 전문성 측면에서 현재 고객의 4분의 3이 NPX의 도움과 기술을 활용해 FDA 승인을 받기 위해 디자인 서비스를 이용하고 있다고 설명합니다. 이 회사는 짧은 시간 안에 "냅킨 스케치" 컨셉을 최종 형태의 제품으로 만들어내는 데 매우 능숙합니다.
모션 다이내믹스(Motion Dynamics, 미시간주 프루트포트)는 맞춤형 미니어처 스프링, 의료용 코일 및 와이어 조립품을 제조하는 회사로, 아무리 복잡하거나 불가능해 보이는 고객 문제라도 최단 시간 내에 해결하는 것을 사명으로 합니다. 의료 기기 분야에서는 주로 신경혈관 수술을 위한 복잡한 조립품을 생산하는데, 여기에는 조종 가능한 카테터 장치와 같은 응용 분야에 사용되는 고품질 와이어 조립품의 설계, 생산 및 조립이 포함됩니다. 여기에는 "풀 와이어" 조립품도 포함됩니다.
앞서 언급했듯이 파이버 또는 USP 레이저의 선택은 엔지니어링 선호도뿐 아니라 지원되는 장비 및 프로세스 유형에 따라 달라집니다.Motion Dynamics의 사장인 Chris Witham은 다음과 같이 설명했습니다. "신경혈관 제품에 중점을 둔 사업 모델을 기반으로 설계, 실행 및 서비스 측면에서 차별화된 결과를 제공할 수 있습니다. 당사는 자체적으로 사용하는 부품을 생산하는 데에만 레이저 절단을 사용합니다. 당사의 전문성과 명성을 얻은 고부가가치의 "난이도 높은" 부품을 제조하는 데에만 레이저 절단을 사용합니다. 레이저 절단은 계약 서비스로 제공하지 않습니다. 당사가 수행하는 대부분의 레이저 절단은 USP 레이저로 수행하는 것이 가장 효과적이라는 것을 알게 되었으며, 저는 수년 동안 이러한 레이저 중 하나와 함께 StarCut Tube를 사용해 왔습니다. 당사 제품에 대한 높은 수요로 인해 하루 8시간 2교대, 때로는 3교대까지 근무하고 있으며, 2019년에는 이러한 성장을 지원하기 위해 StarCut Tube를 추가로 구매해야 합니다. 하지만 이번에는 펨토초 USP 레이저와 파이버 레이저의 새로운 하이브리드 모델 중 하나를 사용하기로 결정했습니다. 또한, StarFeed 로더/언로더를 사용하여 절단을 완전 자동화할 수 있었습니다. 작업자는 간단히 빈 튜브를 피더에 넣고 제품용 소프트웨어 운영 프로그램을 시작합니다.
그림 3. 이 유연한 스테인리스 스틸 공급 튜브(연필 지우개 옆에 표시됨)는 모나코 펨토초 레이저로 절단되었습니다.
위텀은 가끔 평면 절단에 기계를 사용하지만 시간의 95% 이상은 조종 가능한 카테터 조립체용 원통형 제품(즉, 하이포튜브, 코일 및 나선형)을 만들거나 수정하는 데 소요되며 여기에는 프로파일 팁과 절단 구멍이 포함됩니다. 이러한 구성 요소는 궁극적으로 동맥류 수술 및 혈전 제거와 같은 시술에 사용됩니다. 이를 위해 스테인리스 스틸, 순금, 백금 및 니티놀을 포함한 다양한 금속에 레이저 커터를 사용해야 합니다.
그림 4. Motion Dynamics는 레이저 용접도 광범위하게 사용합니다. 위에서 볼 수 있듯이, 코일은 레이저로 절단한 튜브에 용접되었습니다.
레이저 옵션은 무엇일까요? 위텀은 대부분의 부품에 뛰어난 절삭 품질과 최소한의 절단면이 필수적이라고 설명하며, 처음에는 USP 레이저를 선호했습니다. 또한, 일부 제품에서 방사선 불투과성 마커로 사용되는 작은 금 부품을 포함하여 회사에서 사용하는 재료는 USP 레이저로 절단할 수 없습니다. 하지만 그는 파이버 레이저와 USP를 포함한 새로운 하이브리드 옵션이 속도/절삭 품질 문제를 최적화하는 데 더 많은 유연성을 제공한다고 덧붙였습니다. "광섬유가 더 빠른 속도를 제공할 수 있다는 것은 의심의 여지가 없습니다."라고 그는 말했습니다. "하지만 저희의 특정 응용 분야에 중점을 두기 때문에 일반적으로 화학 및 초음파 세척이나 전해 연마와 같은 후처리가 필요합니다. 따라서 하이브리드 장비를 사용하면 각 부품에 적합한 전체 공정(USP 단독 또는 파이버 및 후처리)을 선택할 수 있습니다. 취급 - 최적. 특히 직경과 두께가 더 큰 부품의 경우, 동일한 부품의 하이브리드 가공 가능성을 모색할 수 있습니다. 파이버 레이저로 빠르게 절단한 후 미세 절단에는 펨토초 레이저를 사용합니다." 그는 USP 레이저가 여전히 첫 번째 선택이 될 것으로 예상합니다. 대부분의 레이저 절단은 4천~6천(1,000~2,000)mm 두께의 벽을 가공하지만, 1천~2만(1,000~2,000)mm 두께의 벽을 가공하기도 하기 때문입니다. 1천~2천(1,000~2,000)mm 두께의 스테인리스 스틸 파이프도 가공합니다.
결론적으로, 레이저 절단 및 드릴링은 다양한 의료 기기 제조에 있어서 핵심 공정입니다. 오늘날 핵심 레이저 기술의 발전과 업계의 특정 요구 사항에 맞춰 구성된 고도로 최적화된 기계 덕분에 이러한 공정은 이전보다 사용하기 쉬워졌고 더 나은 결과를 제공합니다.