Deze website wordt beheerd door een of meer bedrijven die eigendom zijn van Informa PLC en alle auteursrechten berusten bij hen. Het geregistreerde kantoor van Informa PLC is gevestigd op 5 Howick Place, Londen SW1P 1WG. Geregistreerd in Engeland en Wales onder nummer 8860726.
Tegenwoordig wordt vrijwel al het precisielasersnijden van metalen en non-metalen uitgevoerd met machines die zijn uitgerust met fiberlasers of ultrashortpulslasers (USP-lasers), of soms beide. In dit artikel leggen we de verschillende voordelen van de twee lasers uit en bekijken we hoe beide fabrikanten deze lasers gebruiken. NPX Medical (Plymouth, MN) is een gespecialiseerd bedrijf dat in opdracht diverse apparaten en instrumenten produceert, zoals stents, implantaten en flexibele slangen, met behulp van machines die fiberlasers integreren. Motion Dynamics produceert subassemblages, zoals "pull wire"-assemblages die voornamelijk in de neurologie worden gebruikt, met behulp van een machine die een USP-femtosecondelaser en een van de nieuwste hybride systemen combineert, waaronder femtoseconde- en fiberlasers, voor maximale flexibiliteit en veelzijdigheid.
Jarenlang werd het meeste laser-micromachining uitgevoerd met behulp van solid-state nanoseconde lasers, de zogenaamde DPSS-lasers. Dit is echter volledig veranderd dankzij de ontwikkeling van twee totaal verschillende, en daardoor complementaire, lasertypes. Fiberlasers, oorspronkelijk ontwikkeld voor telecommunicatie, zijn uitgegroeid tot de meest gebruikte lasers voor materiaalbewerking in vele industrieën, vaak op nabij-infrarode golflengten. De redenen voor hun succes liggen in hun eenvoudige architectuur en de gemakkelijke schaalbaarheid van het vermogen. Dit resulteert in lasers die compact, zeer betrouwbaar en gemakkelijk te integreren zijn in gespecialiseerde machines, en die over het algemeen lagere gebruikskosten bieden dan oudere lasertypes. Belangrijk voor micromachining is dat de uitgangsstraal kan worden gefocusseerd tot een kleine, zuivere spot met een diameter van slechts enkele microns, waardoor ze ideaal zijn voor snijden, lassen en boren met hoge resolutie. Hun output is ook zeer flexibel en regelbaar, met pulsfrequenties variërend van een enkele puls tot 170 kHz. Samen met het schaalbare vermogen ondersteunt dit snel snijden en boren.
Een potentieel nadeel van fiberlasers bij microbewerking is echter de bewerking van kleine details en/of dunne, delicate onderdelen. Lange pulsduur (bijvoorbeeld 50 µs) resulteert in een kleine hoeveelheid warmtebeïnvloede zone (HAZ), zoals hergesmolten materiaal en een kleine ruwheid van de randen, wat nabewerking kan vereisen. Gelukkig elimineren nieuwere lasers – ultrakorte pulslasers (USP-lasers) met femtoseconde-uitgangspulsen – het HAZ-probleem.
Bij USP-lasers wordt het grootste deel van de extra warmte die vrijkomt tijdens het snijden of boren afgevoerd door het uitgeworpen materiaal voordat het de kans krijgt om zich in het omringende materiaal te verspreiden. USP-lasers met een picoseconde-output worden al lange tijd gebruikt in microbewerkingstoepassingen met kunststoffen, halfgeleiders, keramiek en bepaalde metalen (picoseconde = 10⁻¹² seconden). Maar voor metalen onderdelen met pilaren zo dun als een mensenhaar, zorgen de hoge thermische geleidbaarheid en de kleine afmetingen van het metaal ervoor dat picoseconde-lasers niet altijd de verbeterde resultaten opleveren die de hogere kosten van eerdere USP-lasers zouden rechtvaardigen. Dit is nu veranderd met de komst van industriële femtoseconde-lasers (femtoseconde = 10⁻¹⁵ seconden). Een voorbeeld hiervan is de Monaco-serie lasers van Coherent Inc. Net als fiberlasers produceren ze nabij-infrarood licht, waardoor ze alle metalen die in medische apparaten worden gebruikt, kunnen snijden of boren, waaronder roestvrij staal, platina, goud, magnesium, kobalt-chroom, titanium en meer. niet-metalen. De combinatie van een korte pulsduur en een lage pulsenergie voorkomt thermische schade (HAZ), terwijl de hoge herhalingsfrequentie (MHz) zorgt voor kosteneffectieve doorvoersnelheden voor veel hoogwaardige medische apparaten.
Natuurlijk heeft bijna niemand in onze branche slechts één laser nodig. In plaats daarvan hebben ze een machine nodig die op lasers gebaseerd is, en er zijn tegenwoordig veel gespecialiseerde machines die geoptimaliseerd zijn voor het snijden en boren van medische instrumenten. Een voorbeeld is de StarCut Tube-serie van Coherent, die gebruikt kan worden met fiberlasers, femtoseconde lasers, of als een hybride versie die beide lasertypes combineert.
Wat houdt specialisatie in medische apparaten in? De meeste van deze apparaten worden in beperkte oplages geproduceerd op basis van klantspecifieke ontwerpen. Flexibiliteit en gebruiksgemak zijn daarom cruciale overwegingen. Hoewel veel apparaten uit massief materiaal worden vervaardigd, moeten sommige componenten nauwkeurig uit vlak materiaal worden gefreesd; dezelfde machine moet beide kunnen verwerken om de waarde ervan te maximaliseren. Aan deze eisen wordt meestal voldaan door middel van CNC-gestuurde bewegingen (xyz en roterend) met meerdere assen en een gebruiksvriendelijke HMI voor eenvoudige programmering en bediening. In het geval van StarCut Tube is er een nieuwe optie voor een buislaadmodule met een zijlaadmagazijn (genaamd StarFeed) voor buizen tot 3 meter lengte en een sorteerder voor gesneden producten, waardoor volledig geautomatiseerde productie mogelijk is.
De procesflexibiliteit van deze machines wordt verder vergroot door de ondersteuning voor nat en droog snijden en de eenvoudig verstelbare toevoermondstukken voor processen die hulpgas vereisen. Ruimtelijke resolutie is ook bijzonder belangrijk voor het bewerken van zeer kleine onderdelen, wat betekent dat thermomechanische stabiliteit de effecten van trillingen, die vaak in machinefabrieken voorkomen, elimineert. De StarCut Tube-serie voldoet aan deze behoefte door het gehele snijdek op te bouwen met een groot aantal granieten elementen.
NPX Medical is een relatief nieuwe contractfabrikant die ontwerp-, engineering- en precisielasersnijservices levert aan fabrikanten van medische hulpmiddelen. Het bedrijf, opgericht in 2019, heeft een reputatie opgebouwd in de branche voor hoogwaardige producten en snelle reacties. Het ondersteunt een breed scala aan medische hulpmiddelen, waaronder stents, implantaten, klepstents en flexibele toedieningsbuizen voor uiteenlopende chirurgische ingrepen, zoals neurovasculaire, cardiale, renale, wervelkolom-, orthopedische, gynaecologische en gastro-intestinale chirurgie. De belangrijkste lasersnijder is de StarCut Tube 2+2 met een StarFiber 320FC met een gemiddeld vermogen van 200 watt. Mike Brenzel, een van de oprichters van NPX, legt uit dat "de oprichters jarenlange ervaring hebben in het ontwerpen en produceren van medische hulpmiddelen – in totaal meer dan 90 jaar", met eerdere ervaring met StarCut-achtige machines die gebruikmaken van fiberlasers. Veel van ons werk omvat het snijden van Nitinol en we weten al dat fiberlasers de snelheid en kwaliteit kunnen leveren die we nodig hebben. Voor hulpmiddelen zoals dikwandige buizen en hartkleppen, We hebben snelheid nodig, en de USP-laser is mogelijk te traag voor onze behoeften. Naast grote productieorders – we zijn gespecialiseerd in kleine series onderdelen, slechts tussen de 5 en 150 stuks – is het ons doel om deze kleine series binnen enkele dagen af ​​te ronden, inclusief ontwerp, programmering, snijden, vormen, nabewerking en inspectie, in tegenstelling tot grotere bedrijven die weken nodig hebben na het plaatsen van een bestelling.” Naast de snelheid noemde Brenzel ook de betrouwbaarheid van de machine als een groot voordeel; er was de afgelopen 18 maanden, waarin de machine bijna continu in gebruik was, geen enkele servicebeurt nodig.
Afbeelding 2. NPX biedt diverse nabewerkingsopties. Het hier getoonde materiaal is T316 roestvrij staal met een buitendiameter van 5 mm en een wanddikte van 0,254 mm. Het linker deel is gesneden/microgestraald en het rechter deel is elektrolytisch gepolijst.
Naast nitinol-onderdelen maakt het bedrijf ook veelvuldig gebruik van kobalt-chroomlegeringen, tantaallegeringen, titaniumlegeringen en diverse soorten roestvrij staal voor medische toepassingen. Jeff Hansen, manager laserbewerking, legt uit: “De flexibiliteit van de machines is een andere belangrijke troef, waardoor we een zeer breed scala aan materialen kunnen bewerken, waaronder buizen en vlakke oppervlakken. We kunnen de laserstraal focussen tot een punt van 20 micron, wat handig is voor dunnere buizen. Sommige van deze buizen hebben een binnendiameter van slechts 0,012 inch, en de hoge verhouding tussen piekvermogen en gemiddeld vermogen van de nieuwste fiberlasers maximaliseert onze snijsnelheid met behoud van de gewenste randkwaliteit. We hebben absoluut de snelheid nodig voor grotere producten met een buitendiameter tot 1 inch.”
Naast precisiesnijden en snelle respons biedt NPX ook een volledig scala aan nabewerkingstechnologieën, evenals uitgebreide ontwerpdiensten die gebruikmaken van de ruime ervaring in de branche. Deze technieken omvatten elektropolijsten, zandstralen, beitsen, laserlassen, warmtebehandeling, vormen, passiveren, Af-temperatuurtesten en vermoeiingstesten, die allemaal essentieel zijn voor de fabricage van Nitinol-componenten. Het gebruik van nabewerking om de randafwerking te controleren, hangt volgens Brenzel "meestal af van of het gaat om een ​​toepassing met hoge of lage vermoeiing. Een onderdeel met hoge vermoeiing, zoals een hartklep, kan bijvoorbeeld miljard keer buigen gedurende zijn levensduur. Als nabewerkingsstap is het belangrijk om zandstralen te gebruiken om de radius van alle randen te vergroten. Maar componenten met lage vermoeiing, zoals toedieningssystemen of geleidedraden, vereisen vaak geen uitgebreide nabewerking." Wat betreft ontwerpexpertise, legt Brenzel uit, maakt maar liefst driekwart van de klanten ook gebruik van hun ontwerpdiensten om te profiteren van de hulp en vaardigheden van NPX bij het verkrijgen van FDA-goedkeuring. Het bedrijf is er erg goed in om een ​​concept, dat aanvankelijk op een servetje leek, in korte tijd om te zetten in een eindproduct.
Motion Dynamics (Fruitport, MI) is een fabrikant van op maat gemaakte miniatuurveren, medische spoelen en draadassemblages. Hun missie is om klantproblemen, hoe complex of ogenschijnlijk onmogelijk ook, zo snel mogelijk op te lossen. Binnen de medische sector richt het bedrijf zich met name op complexe assemblages voor neurovasculaire chirurgie, waaronder het ontwerpen, produceren en assembleren van hoogwaardige draadassemblages voor toepassingen zoals stuurbare katheters, inclusief "pull wire"-assemblages.
Zoals eerder vermeld, is de keuze voor een fiberlaser of een USP-laser een kwestie van technische voorkeur, evenals van het type apparatuur en de ondersteunde processen. Chris Witham, President van Motion Dynamics, legt uit: “Op basis van een bedrijfsmodel dat sterk gericht is op neurovasculaire producten, kunnen we onderscheidende resultaten leveren op het gebied van ontwerp, uitvoering en service. We gebruiken lasersnijden alleen voor de productie van de componenten die we intern gebruiken, voor de fabricage van de hoogwaardige, ‘moeilijke’ componenten die onze specialiteit en reputatie zijn geworden; we bieden lasersnijden niet aan als contractservice. We hebben vastgesteld dat de meeste lasersnedes die we uitvoeren het best kunnen worden gedaan met USP-lasers, en ik gebruik al jaren een StarCut Tube met een van deze lasers. Vanwege de grote vraag naar onze producten werken we twee ploegen van 8 uur per dag, soms zelfs drie, en in 2019 moeten we een tweede StarCut Tube aanschaffen om deze groei te ondersteunen. Maar dit keer hebben we gekozen voor een van de nieuwe hybride modellen van femtoseconde USP-lasers en fiberlasers. We hebben deze ook gecombineerd met een StarFeed Laad-/losmechanisme zodat we het snijden volledig konden automatiseren – de operator hoeft alleen maar de blanco buis in de invoer te plaatsen. De buis wordt in de invoerinrichting geladen en het softwareprogramma voor het product wordt gestart.
Afbeelding 3. Deze flexibele roestvrijstalen toedieningsbuis (afgebeeld naast een potloodgum) is gesneden met een Monaco femtoseconde laser.
Witham voegt eraan toe dat hoewel ze de machine af en toe gebruiken voor vlak snijden, ze meer dan 95 procent van hun tijd besteden aan het maken of aanpassen van cilindrische producten voor hun stuurbare katheterassemblages, met name hypotubes, coils en spiralen, inclusief het snijden van geprofileerde uiteinden en het maken van gaten. Deze componenten worden uiteindelijk gebruikt bij procedures zoals aneurysmaherstel en trombusverwijdering. Hiervoor is het gebruik van lasersnijders nodig voor diverse metalen, waaronder roestvrij staal, puur goud, platina en nitinol.
Figuur 4. Motion Dynamics maakt ook veelvuldig gebruik van laserlassen. Hierboven is de spoel aan de lasergesneden buis gelast.
Wat zijn de laseropties? Witham legde uit dat een uitstekende snijkwaliteit en minimale snijranden cruciaal zijn voor de meeste van hun componenten, dus gaven ze aanvankelijk de voorkeur aan USP-lasers. Bovendien kunnen geen van de materialen die het bedrijf gebruikt, door een van deze lasers worden gesneden, inclusief de kleine gouden componenten die als röntgencontrastmarkers in sommige van hun producten worden gebruikt. Maar hij voegde eraan toe dat nieuwe hybride opties, waaronder fiberlasers en USP's, hen meer flexibiliteit bieden bij het optimaliseren van snelheid en snijkwaliteit. "Er bestaat geen twijfel over dat fiberoptica hogere snelheden kan leveren", zei hij. "Maar vanwege onze specifieke toepassingsfocus betekent dit meestal een vorm van nabewerking, zoals chemische en ultrasone reiniging of elektropolijsten. Met een hybride machine kunnen we dus kiezen welk algeheel proces – alleen USP of fiberlaser met nabewerking – optimaal is voor elk component. Het stelt ons in staat om de mogelijkheid van hybride bewerking van hetzelfde component te onderzoeken, vooral bij grotere diameters en wanddiktes: zelfs snel snijden met fiberlasers, en vervolgens een femtoseconde laser gebruiken voor fijn snijden." Hij verwacht dat de USP-laser hun eerste keuze zal blijven, omdat de meeste lasersneden betrekking hebben op wanddiktes tussen 4 en 6 duizendste inch, hoewel ze ook wanddiktes tegenkomen van 1 tot 20 duizendste inch. Roestvrijstalen buizen tussen duizendste inch.
Kortom, lasersnijden en -boren zijn essentiële processen bij de productie van diverse medische hulpmiddelen. Dankzij de vooruitgang in lasertechnologie en sterk geoptimaliseerde machines die zijn afgestemd op de specifieke behoeften van de industrie, zijn deze processen tegenwoordig eenvoudiger te gebruiken en leveren ze betere resultaten dan ooit tevoren.