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오늘날 금속 및 비금속의 정밀 레이저 절단은 거의 모두 파이버 레이저 또는 초단펄스(USP) 레이저, 혹은 두 가지 모두를 장착한 장비를 사용하여 수행됩니다. 이 글에서는 두 레이저의 다양한 장점을 설명하고 각 제조업체가 이러한 레이저를 어떻게 활용하는지 살펴보겠습니다. NPX Medical(미네소타주 플리머스)은 파이버 레이저를 탑재한 장비를 사용하여 스텐트, 임플란트, 연성 튜브와 같은 다양한 의료기기 및 시술 도구를 제조하는 위탁 전문 가공 업체입니다. Motion Dynamics는 USP 펨토초 레이저와 펨토초 및 파이버 레이저를 결합한 최신 하이브리드 시스템을 탑재한 장비를 사용하여 신경과에서 주로 사용되는 "풀 와이어" 어셈블리와 같은 하위 어셈블리를 제조하여 최고의 유연성과 다용성을 제공합니다.
오랫동안 대부분의 레이저 미세가공에는 DPSS 레이저라고 불리는 고체 나노초 레이저가 사용되었습니다. 그러나 완전히 다른 두 가지 유형의 레이저가 개발되면서 이러한 상황은 완전히 바뀌었습니다. 원래 통신용으로 개발된 파이버 레이저는 근적외선 파장대에서 다양한 산업 분야의 핵심 재료 가공 레이저로 자리 잡았습니다. 파이버 레이저의 성공 요인은 단순한 구조와 손쉬운 출력 확장성에 있습니다. 덕분에 파이버 레이저는 소형화, 높은 신뢰성, 특수 장비에 쉽게 통합할 수 있는 장점을 제공하며, 일반적으로 기존 레이저 유형보다 유지 관리 비용이 저렴합니다. 미세가공에 중요한 점은 출력 빔을 직경이 수 마이크론에 불과한 작고 깨끗한 점으로 집속할 수 있어 고해상도 절단, 용접 및 드릴링에 이상적이라는 것입니다. 또한 출력은 단일 샷부터 170kHz에 이르는 매우 유연하고 제어 가능한 펄스 속도를 제공합니다. 이러한 특성과 확장 가능한 출력은 빠른 절단 및 드릴링을 지원합니다.
하지만 미세 가공에서 파이버 레이저의 잠재적인 단점은 작은 형상이나 얇고 섬세한 부품을 가공하는 데 어려움이 있다는 점입니다. 긴 펄스 지속 시간(예: 50µs)으로 인해 재응고된 재료나 미세한 모서리 거칠기와 같은 열영향부(HAZ)가 발생하여 후처리가 필요할 수 있습니다. 다행히 펨토초 출력 펄스를 사용하는 초단펄스(USP) 레이저와 같은 최신 레이저는 이러한 열영향부 문제를 해결합니다.
초광속(USP) 레이저를 사용하면 절단 또는 드릴링 과정에서 발생하는 대부분의 추가 열이 주변 물질로 확산되기 전에 배출되는 파편에 의해 제거됩니다. 피코초 출력의 USP 레이저는 플라스틱, 반도체, 세라믹 및 특정 금속을 사용하는 미세 가공 분야에 오랫동안 사용되어 왔습니다(피코초 = 10⁻¹²초). 그러나 사람 머리카락 굵기 정도의 기둥이 있는 금속 장치의 경우, 금속의 높은 열전도율과 미세한 크기 때문에 피코초 레이저가 기존 USP 레이저보다 높은 가격을 정당화할 만큼의 개선된 결과를 항상 제공하지는 못했습니다. 하지만 산업용 펨토초 레이저(펨토초 = 10⁻¹⁵초)의 등장으로 이러한 상황이 바뀌었습니다. 코히런트(Coherent Inc.)의 모나코(Monaco) 시리즈 레이저가 그 예입니다. 파이버 레이저와 마찬가지로 펨토초 레이저는 근적외선 영역의 빛을 출력하므로 스테인리스강, 백금, 금, 마그네슘, 코발트-크롬, 티타늄 등 의료 기기에 사용되는 모든 금속을 절단하거나 드릴링할 수 있습니다. 비금속과 마찬가지로, 짧은 펄스 지속 시간과 낮은 펄스 에너지의 조합은 열 손상(HAZ)을 방지하는 반면, 높은(MHz) 반복률은 많은 고가의 의료 기기에 대해 비용 효율적인 처리 속도를 보장합니다.
물론 우리 업계에서 레이저 하나만 필요한 경우는 거의 없습니다. 오히려 레이저 기반 장비가 필요하며, 현재 의료 기기 절단 및 드릴링에 최적화된 다양한 특수 장비가 출시되어 있습니다. 예를 들어 코히런트(Coherent)의 스타컷 튜브(StarCut Tube) 시리즈는 파이버 레이저, 펨토초 레이저 또는 두 가지 유형의 레이저를 모두 사용하는 하이브리드 버전으로 사용할 수 있습니다.
의료기기 전문화란 무엇을 의미할까요? 이러한 기기들은 대부분 맞춤형 설계에 따라 소량 생산됩니다. 따라서 유연성과 사용 편의성이 핵심 고려 사항입니다. 많은 기기가 원자재에서 제조되지만, 일부 부품은 평판 원자재에서 정밀 가공해야 합니다. 효율성을 극대화하기 위해서는 동일한 기계로 두 가지 모두를 처리할 수 있어야 합니다. 이러한 요구 사항은 일반적으로 다축 CNC 제어(XYZ 및 회전) 모션과 간편한 프로그래밍 및 제어를 위한 사용자 친화적인 HMI를 제공함으로써 충족됩니다. StarCut Tube의 경우, 새로운 튜브 로딩 모듈 옵션에는 최대 3m 길이의 튜브를 위한 측면 로딩 매거진(StarFeed)과 절단 제품 분류기가 포함되어 있어 완전 자동화 생산이 가능합니다.
이 기계들의 공정 유연성은 습식 및 건식 절단 지원과 보조 가스가 필요한 공정을 위한 손쉬운 조절식 공급 노즐을 통해 더욱 향상됩니다. 공간 해상도는 매우 작은 부품 가공에 특히 중요하며, 이를 위해서는 열기계적 안정성이 필수적입니다. 스타컷 튜브(StarCut Tube) 시리즈는 다수의 화강암 요소로 전체 절단 데크를 구성하여 이러한 요구 사항을 충족합니다.
NPX Medical은 의료기기 제조업체에 설계, 엔지니어링 및 정밀 레이저 절단 서비스를 제공하는 비교적 신생 위탁 제조업체입니다. 2019년에 설립된 이 회사는 고품질 제품과 신속한 대응으로 업계에서 명성을 쌓아왔으며, 신경혈관, 심장, 신장, 척추, 정형외과, 부인과 및 위장 수술을 포함한 다양한 수술 절차에 사용되는 스텐트, 임플란트, 판막 스텐트 및 연성 전달 튜브를 비롯한 광범위한 의료기기를 지원합니다. 주력 레이저 절단기는 평균 출력 200와트의 StarFiber 320FC가 장착된 StarCut Tube 2+2입니다. NPX의 설립자 중 한 명인 마이크 브렌젤은 "설립자들은 의료기기 설계 및 제조 분야에서 90년 이상의 경력을 보유하고 있으며, StarCut과 같은 파이버 레이저 장비 사용 경험도 풍부하다"고 설명했습니다. 그는 "우리의 업무 중 상당 부분은 니티놀 절단과 관련이 있으며, 파이버 레이저가 필요한 속도와 품질을 제공할 수 있다는 것을 이미 알고 있다"며, 특히 두꺼운 벽의 튜브나 심장 관련 기기에 파이버 레이저가 적합하다고 덧붙였습니다. 밸브 생산에는 속도가 중요한데, USP 레이저는 우리 요구 사항에 비해 너무 느릴 수 있습니다. 대량 생산 주문 외에도, 우리는 5개에서 150개 사이의 소량 부품 생산을 전문으로 하며, 설계, 프로그래밍, 절단, 성형, 후처리 및 검사를 포함한 모든 과정을 단 며칠 만에 완료하는 것을 목표로 합니다. 이는 대기업의 경우 주문 후 몇 주가 걸리는 것과 대조적입니다. 브렌젤은 속도 외에도 기계의 신뢰성을 주요 장점으로 언급하며, 지난 18개월 동안 거의 지속적으로 가동하는 동안 단 한 번의 서비스 요청도 없었다고 밝혔습니다.
그림 2. NPX는 다양한 후처리 옵션을 제공합니다. 여기에 표시된 재료는 외경 5mm, 벽 두께 0.254mm의 T316 스테인리스강입니다. 왼쪽 부품은 절단/마이크로블라스팅 처리되었고, 오른쪽 부품은 전해연마 처리되었습니다.
니티놀 부품 외에도, 이 회사는 코발트-크롬 합금, 탄탈륨 합금, 티타늄 합금 및 다양한 종류의 의료용 스테인리스강을 광범위하게 사용합니다. 레이저 가공 관리자인 제프 한센은 다음과 같이 설명합니다. “기계의 유연성은 또 다른 중요한 장점으로, 튜브 및 평판을 포함하여 매우 다양한 재료의 절단을 지원할 수 있게 해줍니다. 빔을 20미크론 크기의 스팟으로 집속할 수 있어 매우 얇은 튜브 가공에 유용합니다. 이러한 튜브 중 일부는 내경이 0.012인치에 불과하며, 최신 파이버 레이저의 높은 피크 출력 대 평균 출력 비율은 원하는 모서리 품질을 유지하면서 절단 속도를 극대화합니다. 외경이 최대 1인치인 대형 제품의 경우 빠른 속도가 필수적입니다.”
NPX는 정밀 절단 및 신속한 대응 외에도 업계에서 축적된 풍부한 경험을 바탕으로 다양한 후처리 기술과 종합적인 설계 서비스를 제공합니다. 이러한 기술에는 전해연마, 샌드블라스팅, 산세척, 레이저 용접, 열처리, 성형, 부동태화, AF 온도 테스트 및 피로 테스트가 포함되며, 이 모든 기술은 니티놀 장치 제작에 필수적입니다. 브렌젤은 후처리를 통해 모서리 마감을 제어하는 ​​것에 대해 "일반적으로 고피로 적용 분야인지 저피로 적용 분야인지에 따라 달라집니다. 예를 들어 심장 판막과 같은 고피로 부품은 수명 동안 수십억 번 구부러질 수 있으므로 후처리 단계에서 샌드블라스팅을 사용하여 모든 모서리의 곡률 반경을 증가시키는 것이 중요합니다. 그러나 전달 시스템이나 가이드 와이어와 같은 저피로 부품은 광범위한 후처리가 필요하지 않은 경우가 많습니다."라고 설명했습니다. 브렌젤은 디자인 전문성 측면에서 현재 고객의 4분의 3이 FDA 승인을 받는 데 있어 NPX의 도움과 기술을 활용하기 위해 디자인 서비스도 이용하고 있다고 설명합니다. 이 회사는 "냅킨 스케치" 수준의 아이디어를 단기간에 최종 제품 형태로 구현하는 데 매우 능숙합니다.
모션 다이내믹스(미시간주 프루트포트 소재)는 맞춤형 소형 스프링, 의료용 코일 및 와이어 어셈블리 제조업체로서, 아무리 복잡하거나 불가능해 보이는 문제라도 최단 시간 내에 고객의 문제를 해결하는 것을 사명으로 삼고 있습니다. 의료기기 분야에서는 특히 신경혈관 수술용 복잡한 어셈블리에 중점을 두고 있으며, 조종 가능한 카테터 장치 및 "풀 와이어" 어셈블리와 같은 응용 분야에 사용되는 고품질 와이어 어셈블리의 설계, 생산 및 조립을 전문으로 합니다.
앞서 언급했듯이 파이버 레이저 또는 USP 레이저의 선택은 엔지니어링 선호도뿐만 아니라 지원되는 장비 및 공정 유형에 따라 결정됩니다. 모션 다이내믹스의 사장인 크리스 위덤은 다음과 같이 설명했습니다. “신경혈관 제품에 특화된 비즈니스 모델을 기반으로 설계, 제작 및 서비스에서 차별화된 결과를 제공할 수 있습니다. 당사는 자체적으로 사용하는 부품 생산에만 레이저 절단을 사용합니다. 당사의 전문 분야이자 명성이 된 고부가가치 ‘까다로운’ 부품을 제조하는 데 레이저 절단을 활용하며, 레이저 절단을 위탁 서비스로 제공하지는 않습니다. 당사는 대부분의 레이저 절단 작업이 USP 레이저로 가장 잘 이루어진다는 것을 알게 되었고, 수년 동안 이러한 레이저 중 하나와 함께 StarCut Tube를 사용해 왔습니다. 당사 제품에 대한 수요가 높아 하루 8시간씩 2교대, 때로는 3교대까지 운영하고 있으며, 2019년에는 이러한 성장을 지원하기 위해 StarCut Tube를 하나 더 구매해야 했습니다. 하지만 이번에는 펨토초 USP 레이저와 파이버 레이저가 결합된 새로운 하이브리드 모델을 선택하기로 했습니다. 또한 StarFeed와 함께 사용하기로 했습니다. 로더/언로더를 통해 절단 공정을 완전히 자동화할 수 있습니다. 작업자는 단순히 블랭크를 투입하기만 하면 됩니다. 튜브가 공급 장치에 로드되고 제품 작동을 위한 소프트웨어 프로그램이 시작됩니다.
그림 3. 이 유연한 스테인리스 스틸 전달 튜브(연필 지우개 옆에 표시됨)는 모나코 펨토초 레이저로 절단되었습니다.
위덤은 가끔 평면 절단에도 레이저 절단기를 사용하지만, 작업 시간의 95% 이상은 조종 가능한 카테터 조립체, 즉 하이포튜브, 코일, 스파이럴 등의 원통형 제품을 제작하거나 수정하는 데 사용한다고 덧붙였습니다. 여기에는 프로파일 팁 절단 및 구멍 가공도 포함됩니다. 이러한 부품들은 궁극적으로 동맥류 복구 및 혈전 제거와 같은 시술에 사용됩니다. 이를 위해서는 스테인리스강, 순금, 백금, 니티놀 등 다양한 금속에 레이저 절단기를 사용해야 합니다.
그림 4. 모션 다이내믹스(Motion Dynamics)는 레이저 용접도 광범위하게 사용합니다. 위 사진은 코일을 레이저로 절단한 튜브에 용접한 모습입니다.
레이저 옵션은 무엇인가요? 위덤은 대부분의 부품에 있어 뛰어난 절단면 품질과 최소한의 절단 폭이 매우 중요하기 때문에 초기에는 USP 레이저를 선호했다고 설명했습니다. 또한, 회사에서 사용하는 재료 중 어떤 것도 이러한 레이저로는 절단할 수 없으며, 일부 제품에 방사선 불투과성 마커로 사용되는 미세한 금 부품도 마찬가지입니다. 하지만 그는 파이버 레이저와 USP를 포함한 새로운 하이브리드 옵션을 통해 속도/절단면 품질 문제를 최적화하는 데 더 많은 유연성을 확보할 수 있다고 덧붙였습니다. "파이버 레이저가 더 빠른 속도를 제공할 수 있다는 것은 의심의 여지가 없습니다."라고 그는 말했습니다. "하지만 저희의 특정 응용 분야 특성상, 이는 일반적으로 화학 세척, 초음파 세척 또는 전해 연마와 같은 후처리 공정을 의미합니다. 따라서 하이브리드 장비를 사용하면 각 부품에 가장 적합한 전체 공정(USP 단독 또는 파이버 레이저와 후처리)을 선택할 수 있습니다. 특히 직경과 벽 두께가 큰 부품의 경우, 동일한 부품에 대해 하이브리드 가공 가능성을 모색할 수 있습니다. 예를 들어, 파이버 레이저로 빠른 절단을 한 후 펨토초 레이저로 정밀 절단을 할 수 있습니다." 그는 대부분의 레이저 절단 작업에서 벽 두께가 4~6천분의 1인치 사이이기 때문에 USP 레이저가 여전히 최우선 선택이 될 것으로 예상하지만, 1~20천분의 1인치에 이르는 벽 두께의 작업도 접하게 된다고 합니다. 스테인리스강 파이프는 1천분의 1인치에서 6천분의 1인치 사이입니다.
결론적으로, 레이저 절단 및 드릴링은 다양한 의료기기 제조에 있어 핵심적인 공정입니다. 오늘날, 핵심 레이저 기술의 발전과 업계의 특정 요구에 맞춰 최적화된 장비 덕분에 이러한 공정은 이전보다 훨씬 쉽게 사용할 수 있고 더 나은 결과를 제공합니다.