Deze website wordt beheerd door een of meer bedrijven die eigendom zijn van Informa PLC. Alle auteursrechten zijn hun eigendom. Het geregistreerde kantoor van Informa PLC is 5 Howick Place, Londen SW1P 1WG. Geregistreerd in Engeland en Wales. Nr. 8860726.
Tegenwoordig wordt vrijwel al het precisielasersnijden van metalen en niet-metalen uitgevoerd met gereedschappen die zijn uitgerust met fiberlasers of ultrakortepulslasers (USP), 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 contractverwerkingsbedrijf dat diverse apparaten en implementatietools produceert, zoals stents, implantaten en flexibele slangen, met behulp van machines waarin fiberlasers zijn verwerkt. Motion Dynamics produceert subassemblages, zoals "pull wire"-assemblages die voornamelijk worden gebruikt in de neurologie, met behulp van een machine met een USP-femtosecondelaser en een van de nieuwste hybride systemen met femtosecondelasers en fiberlasers voor maximale flexibiliteit en veelzijdigheid.
Jarenlang werden de meeste lasermicrobewerkingen uitgevoerd met nanosecondelasers met een vaste toestand, de zogenaamde DPSS-lasers. Dit is echter volledig veranderd dankzij de ontwikkeling van twee volledig verschillende en dus complementaire lasertypen. Oorspronkelijk ontwikkeld voor de telecommunicatie, zijn fiberlasers in veel industrieën uitgegroeid tot werkpaarden voor materiaalbewerking, vaak op nabij-infrarode golflengten. De redenen voor dit succes liggen in de eenvoudige architectuur en de eenvoudige schaalbaarheid van het vermogen. Dit resulteert in lasers die compact, zeer betrouwbaar en gemakkelijk te integreren zijn in gespecialiseerde machines, en over het algemeen lagere eigendomskosten bieden dan oudere lasertypen. Belangrijk voor microbewerking is dat de uitgangsstraal kan worden gefocust op een klein, schoon plekje van slechts enkele micrometers in diameter, waardoor ze ideaal zijn voor snijden, lassen en boren met hoge resolutie. Hun uitgangen zijn ook zeer flexibel en regelbaar, met pulsfrequenties variërend van single shot tot 170 kHz. Naast het schaalbare vermogen ondersteunt dit snel snijden en boren.
Een mogelijk nadeel van fiberlasers bij microbewerking is echter de bewerking van kleine kenmerken en/of dunne, delicate onderdelen. Lange pulsduren (bijv. 50 µs) resulteren in een kleine hoeveelheid warmte-beïnvloede zone (HAZ), zoals opnieuw gegoten materiaal en een kleine randruwheid, waarvoor mogelijk enige nabewerking nodig is. Gelukkig is het HAZ-probleem opgelost met nieuwere lasers (USP-lasers (ultrakorte puls)) met femtoseconde-uitgangspulsen.
Met USP-lasers wordt het grootste deel van de extra warmte die gepaard gaat met het snij- of boorproces afgevoerd via het uitgeworpen vuil voordat het tijd heeft om te diffunderen in het omringende materiaal. USP-lasers met een output van een picoseconde worden al lang gebruikt in microbewerkingstoepassingen met kunststoffen, halfgeleiders, keramiek en bepaalde metalen (picoseconden = 10-12 seconden). Maar voor metalen apparaten met pilaren ter grootte van een mensenhaar betekenen de hoge thermische geleidbaarheid en het kleine formaat van het metaal dat picosecondelasers niet altijd de verbeterde resultaten leveren die de hogere kosten van eerdere USP-lasers zouden rechtvaardigen. Dit is nu veranderd met de komst van industriële femtosecondelasers (femtoseconde = 10-15 seconden). Een voorbeeld is de Monaco-serie lasers van Coherent Inc. Net als fiberlasers is hun output nabij-infrarood licht, wat betekent dat ze alle metalen kunnen snijden of boren die worden gebruikt in medische apparaten, waaronder roestvrij staal, platina, goud, magnesium, kobaltchroom, titanium en meer, evenals niet-metalen. Terwijl de combinatie van een korte pulsduur en een lage pulsenergie thermische schade (HAZ) voorkomt, zorgt de hoge (MHz) herhalingsfrequentie voor kosteneffectieve doorvoersnelheden voor veel hoogwaardige medische apparaten.
Natuurlijk heeft vrijwel niemand in onze sector genoeg aan slechts één laser. In plaats daarvan hebben ze een machine nodig die op een laser is gebaseerd, en tegenwoordig zijn er veel gespecialiseerde machines die zijn geoptimaliseerd voor het snijden en boren van medische apparaten. Een voorbeeld hiervan is de StarCut Tube-serie van Coherent, die kan worden gebruikt met fiberlasers, femtosecondelasers of als hybride versie waarin beide lasertypen zijn verwerkt.
Wat houdt specialisatie in medische hulpmiddelen in? De meeste van deze hulpmiddelen worden in beperkte batches geproduceerd op basis van aangepaste ontwerpen. Flexibiliteit en gebruiksgemak zijn daarom belangrijke overwegingen. Hoewel veel hulpmiddelen uit blokken worden vervaardigd, moeten sommige onderdelen nauwkeurig uit platte blokken worden vervaardigd. Dezelfde machine moet beide kunnen verwerken om de waarde ervan te maximaliseren. Aan deze behoeften wordt meestal voldaan door CNC-gestuurde multi-assige (xyz en roterend) bewegingen en een gebruiksvriendelijke HMI voor eenvoudige programmering en bediening. In het geval van StarCut Tube wordt een nieuwe optie voor het laden van buizen geleverd met een zijlaadmagazijn (StarFeed genaamd) voor buizen tot 3 m lang 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 eenvoudig aanpasbare toevoermondstukken voor processen waarvoor hulpgas nodig is. Ruimtelijke resolutie is ook bijzonder belangrijk bij het bewerken van zeer kleine onderdelen, wat betekent dat thermomechanische stabiliteit de effecten van trillingen elimineert die vaak optreden in machinewerkplaatsen. De StarCut Tube-serie voldoet aan deze behoefte door het volledige snijdek uit een groot aantal granieten elementen te bouwen.
NPX Medical is een vrij nieuwe contractfabrikant die ontwerp-, engineering- en precisielaser snijdiensten levert aan fabrikanten van medische apparatuur. Het bedrijf, opgericht in 2019, heeft in de branche een reputatie opgebouwd voor kwaliteitsproducten en responsiviteit, en ondersteunt een breed scala aan apparaten, waaronder stents, implantaten, klepstents en flexibele toedieningsbuizen voor soortgelijke diverse chirurgische procedures, interventies, waaronder neurovasculaire, hart-, nier-, 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, legde uit dat "de oprichters jarenlange ervaring in het ontwerpen en produceren van medische apparatuur meebrengen - meer dan 90 jaar in totaal", met eerdere ervaring met StarCut-achtige machines die fiberlasers gebruiken. Veel van ons werk omvat Nitinol-snijden en we weten al dat fiberlasers de snelheid en kwaliteit kunnen bieden die we nodig hebben. Voor apparaten zoals dikwandige buizen en hart kleppen, hebben we snelheid nodig en is de USP-laser mogelijk te langzaam voor onze behoeften. Naast productieorders met een hoog volume - we zijn gespecialiseerd in kleine partijen onderdelen - slechts tussen de 5 en 150 stuks - is het ons doel om deze kleine batch-turnarounds in slechts een paar dagen te voltooien, inclusief ontwerp, programmering, snijden, vormen, nabewerking en inspectie, vergeleken met de weken nadat een bestelling is geplaatst voor grotere bedrijven. "Naast het noemen van snelheid noemde Brenzel de betrouwbaarheid van de machine als een groot voordeel, waardoor er de afgelopen 18 maanden van bijna continue werking geen enkele serviceoproep nodig was.
Afbeelding 2. NPX biedt een verscheidenheid aan nabewerkingsopties. Het hier getoonde materiaal is roestvrij staal T316 met een buitendiameter van 5 mm en een wanddikte van 0,254 mm. Het linkerdeel is gesneden/microgestraald en het rechterdeel is elektrolytisch gepolijst.
Naast nitinolonderdelen maakt het bedrijf ook uitgebreid gebruik van kobalt-chroomlegeringen, tantaallegeringen, titaniumlegeringen en vele soorten medisch roestvrij staal. Jeff Hansen, Laser Processing Manager, legt uit: "Machineflexibiliteit is een andere belangrijke troef, waardoor we een zeer breed scala aan materialen kunnen snijden, waaronder buizen en platte materialen. We kunnen de straal focussen tot een punt van 20 micron, wat handig is voor meer... Dunne buizen zijn zeer nuttig. Sommige van deze buizen hebben een binnendiameter van slechts 0,012 inch (ongeveer 0,35 mm), en de hoge verhouding tussen piekvermogen en gemiddeld vermogen van de nieuwste fiberlasers maximaliseert onze snijsnelheid en biedt tegelijkertijd de gewenste randkwaliteit. We hebben absoluut de snelheid nodig van grotere producten met een buitendiameter tot 2,54 cm (1 inch).
Naast precisiesnijden en een snelle respons biedt NPX ook een volledig assortiment nabewerkingstechnologieën en uitgebreide ontwerpservices die gebruikmaken van de uitgebreide ervaring in de branche. Deze technieken omvatten elektrolytisch polijsten, zandstralen, beitsen, laserlassen, warmteharding, vormen, passiveren, AF-temperatuurtesten en vermoeiingstesten, die allemaal essentieel zijn voor de fabricage van Nitinol-apparaten. Het gebruik van nabewerking om de randafwerking te controleren, aldus Brenzel, "hangt meestal af van of we het hebben over een toepassing met hoge of lage vermoeiing. Een onderdeel met hoge vermoeiing, zoals een hartklep, kan bijvoorbeeld gedurende zijn levensduur een miljard keer buigen, omdat een nabewerkingsstap belangrijk is om zandstralen te gebruiken om de radius van alle randen te vergroten. Maar componenten met lage vermoeiing, zoals afgiftesystemen of geleidedraden, vereisen vaak geen uitgebreide nabewerking." Wat betreft ontwerpdeskundigheid, legt Brenzel uit, zijn er inmiddels maar liefst driekwart van de klanten maakt ook gebruik van hun ontwerpdiensten om te profiteren van de hulp en vaardigheden van NPX bij het verkrijgen van FDA-goedkeuring. Het bedrijf is erg goed in het omzetten van het concept van de 'servetetschets' in een korte tijd in de definitieve vorm van een product.
Motion Dynamics (Fruitport, MI) is een fabrikant van op maat gemaakte miniatuurveren, medische spoelen en draadassemblages. De missie van het bedrijf is om de problemen van klanten, hoe complex of schijnbaar onmogelijk ook, zo snel mogelijk op te lossen. Op het gebied van medische apparatuur richt het bedrijf zich voornamelijk op complexe assemblages voor neurovasculaire chirurgie, waaronder het ontwerp, de productie en de assemblage van hoogwaardige draadassemblages voor toepassingen zoals stuurbare katheterapparaten, waaronder "trekdraadassemblages".
Zoals eerder vermeld, is de keuze voor een fiber- of USP-laser een kwestie van technische voorkeur, evenals het type apparatuur en de ondersteunde processen. Chris Witham, President van Motion Dynamics, legde uit: "Gebaseerd op een bedrijfsmodel dat sterk gericht is op neurovasculaire producten, kunnen we gedifferentieerde resultaten leveren in ontwerp, uitvoering en service. We gebruiken lasersnijden alleen om de componenten te produceren die we in eigen huis gebruiken, om de hoogwaardige, "moeilijke" componenten te vervaardigen die onze specialiteit en reputatie zijn geworden; we bieden lasersnijden niet aan als contractdienst. We hebben ontdekt dat de meeste lasersnedes die we uitvoeren het beste kunnen worden uitgevoerd met USP-lasers, en al jaren gebruik ik een StarCut Tube met een van deze lasers. Vanwege de sterke vraag naar onze producten hebben we twee shifts van 8 uur per dag, soms zelfs drie shifts, en in 2019 moeten we nog een StarCut Tube aanschaffen om deze groei te ondersteunen. Maar deze keer hebben we besloten om te gaan voor een van de nieuwe hybride modellen van femtoseconde USP-lasers en fiberlasers. We hebben deze ook gecombineerd met een StarFeed lader/ontlader, zodat we het snijden volledig konden automatiseren. De operator hoeft alleen nog maar de plaat in te leggen. De buis wordt in de toevoer geladen en het softwareprogramma voor het product wordt gestart.
Figuur 3. Deze flexibele roestvrijstalen toedieningsbuis (weergegeven naast een potloodgum) is gesneden met een Monaco femtoseconde laser.
Witham voegt toe dat ze de machine af en toe gebruiken voor vlak snijden, maar dat ze meer dan 95 procent van hun tijd besteden aan het maken of aanpassen van cilindrische producten voor hun stuurbare katheterassemblages, namelijk hypotubes, coils en spiralen, inclusief het snijden van geprofileerde punten en het snijden van gaten. Deze componenten worden uiteindelijk gebruikt bij ingrepen zoals aneurysma-reparatie en trombusverwijdering. Hiervoor zijn lasersnijders nodig op verschillende metalen, waaronder roestvrij staal, puur goud, platina en nitinol.
Figuur 4. Motion Dynamics maakt ook uitgebreid gebruik van laserlassen. Hierboven is de spoel aan de lasergesneden buis gelast.
Wat zijn de laseropties? Witham legde uit dat uitstekende randkwaliteit en minimale kerven cruciaal zijn voor de meeste componenten, dus gaven ze aanvankelijk de voorkeur aan USP-lasers. Bovendien kan geen van de materialen die het bedrijf gebruikt door een van deze lasers worden gesneden, inclusief de kleine gouden componenten die als radiopake markers 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 snelheids-/randkwaliteitsproblemen. "Er bestaat geen twijfel over dat glasvezels hogere snelheden kunnen bieden," zei hij. "Maar vanwege onze specifieke toepassingsfocus betekent dit meestal een vorm van nabewerking, zoals chemische en ultrasone reiniging of elektrolytisch polijsten. Met een hybride machine kunnen we dus kiezen welk proces – alleen USP of fiber en nabewerking – optimaal is voor elk component. Het stelt ons in staat om de mogelijkheden van hybride bewerking van hetzelfde component te onderzoeken, vooral wanneer het om grotere diameters en wanddiktes gaat: zelfs snel snijden met fiberlasers. Gebruik vervolgens een femtosecondelaser voor fijn snijden." Hij verwacht dat de USP-laser hun eerste keus zal blijven, omdat de meeste van hun lasersnedes wanddiktes tussen 4 en 6 duizend hebben, hoewel ze wanddiktes van 1 tot 20 duizend tegenkomen. Roestvrijstalen buizen tussen de 400 duizend.
Concluderend kunnen we stellen dat lasersnijden en -boren sleutelprocessen zijn bij de productie van diverse medische apparatuur. Tegenwoordig zijn deze processen, dankzij de vooruitgang in de kernlasertechnologie en uiterst geoptimaliseerde machines die zijn geconfigureerd voor de specifieke behoeften van de industrie, eenvoudiger te gebruiken en leveren ze betere resultaten dan ooit tevoren.