Niniejsza witryna internetowa obsługiwana jest przez jedną lub więcej firm będących własnością Informa PLC, a wszelkie prawa autorskie są ich własnością. Siedziba zarejestrowana Informa PLC mieści się pod adresem 5 Howick Place, London SW1P 1WG. Spółka zarejestrowana w Anglii i Walii pod numerem 8860726.
Obecnie niemal całe precyzyjne cięcie laserowe metali i niemetali wykonuje się za pomocą narzędzi wyposażonych w lasery światłowodowe lub lasery o ultrakrótkich impulsach (USP), a czasami oba. W tym artykule wyjaśnimy różne zalety obu laserów i zobaczymy, jak obaj producenci je wykorzystują. NPX Medical (Plymouth, MN) to firma specjalizująca się w obróbce kontraktowej, która produkuje różnorodne urządzenia i narzędzia do wdrażania, takie jak stenty, implanty i elastyczne przewody, przy użyciu maszyn wyposażonych w lasery światłowodowe. Motion Dynamics produkuje podzespoły, takie jak zespoły „drutowe” stosowane głównie w neurologii, wykorzystując maszynę wyposażoną w laser femtosekundowy USP i jeden z najnowszych systemów hybrydowych obejmujących lasery femtosekundowe i światłowodowe, co zapewnia maksymalną elastyczność i wszechstronność.
Przez wiele lat większość mikroobróbki laserowej wykonywano przy użyciu półprzewodnikowych laserów nanosekundowych, zwanych laserami DPSS. Jednakże sytuacja ta uległa całkowitej zmianie dzięki opracowaniu dwóch zupełnie różnych, a zatem uzupełniających się typów laserów. Pierwotnie opracowane dla telekomunikacji, lasery światłowodowe stały się podstawowymi laserami do obróbki materiałów w wielu gałęziach przemysłu, często w zakresie bliskiej podczerwieni. Przyczyny ich sukcesu leżą w prostej architekturze i łatwej skalowalności mocy. W rezultacie powstają lasery kompaktowe, wysoce niezawodne i łatwe do integracji ze specjalistycznymi maszynami, a ogólnie rzecz biorąc, charakteryzujące się niższym kosztem posiadania niż starsze typy laserów. Co ważne dla mikroobróbki, wiązkę wyjściową można skupić w małym, czystym punkcie o średnicy zaledwie kilku mikronów, dzięki czemu idealnie nadają się do cięcia, spawania i wiercenia o wysokiej rozdzielczości. Ich wyjścia są również bardzo elastyczne i kontrolowane, z częstotliwością impulsów od pojedynczego impulsu do 170 kHz. Oprócz skalowalnej mocy, umożliwia to szybkie cięcie i wiercenie.
Potencjalną wadą laserów światłowodowych w mikroobróbce jest jednak obróbka małych elementów i/lub cienkich, delikatnych części. Długie (np. 50 µs) czasy trwania impulsu skutkują niewielką ilością strefy wpływu ciepła (HAZ), np. w przypadku przetopionego materiału, oraz małą chropowatością krawędzi, co może wymagać pewnego przetwarzania końcowego. Na szczęście nowsze lasery — lasery o ultrakrótkich impulsach (USP) z femtosekundowymi impulsami wyjściowymi — eliminują problem strefy HAZ.
W przypadku laserów USP większość dodatkowego ciepła związanego z procesem cięcia lub wiercenia jest odprowadzana wraz z wyrzucanymi odłamkami, zanim zdąży rozproszyć się w otaczającym materiale. Lasery USP z wyjściem pikosekundowym są od dawna stosowane w mikroobróbce tworzyw sztucznych, półprzewodników, ceramiki i niektórych metali (pikosekundy = 10-12 sekund). Jednak w przypadku urządzeń metalowych z filarami wielkości ludzkiego włosa, wysoka przewodność cieplna metalu i jego niewielki rozmiar oznaczają, że lasery pikosekundowe nie zawsze zapewniają lepsze wyniki, które uzasadniałyby wzrost kosztów wcześniejszych laserów USP. Sytuacja ta uległa zmianie wraz z pojawieniem się laserów femtosekundowych klasy przemysłowej (femtosekunda = 10-15 sekund). Przykładem jest seria laserów Monaco firmy Coherent Inc. Podobnie jak lasery światłowodowe, ich wyjściem jest światło bliskiej podczerwieni, co oznacza, że ​​mogą ciąć lub wiercić wszystkie metale stosowane w urządzeniach medycznych, w tym stal nierdzewną, platynę, złoto, magnez, kobalt-chrom, tytan, i wiele innych, a także niemetale. Połączenie krótkiego czasu trwania impulsu i niskiej energii impulsu zapobiega uszkodzeniom termicznym (HAZ), a wysoka częstotliwość powtarzania (MHz) zapewnia opłacalne prędkości przesyłu dla wielu drogich urządzeń medycznych.
Oczywiście, w naszej branży prawie nikt nie potrzebuje tylko jednego lasera. Zamiast tego potrzebne są maszyny wykorzystujące laser, a obecnie dostępnych jest wiele specjalistycznych maszyn zoptymalizowanych pod kątem cięcia i wiercenia urządzeń medycznych. Przykładem jest seria StarCut Tube firmy Coherent, która może być stosowana z laserami światłowodowymi, laserami femtosekundowymi lub jako wersja hybrydowa łącząca oba typy laserów.
Co oznacza specjalizacja w produkcji urządzeń medycznych? Większość tych urządzeń jest produkowana w ograniczonych partiach na podstawie projektów niestandardowych. Dlatego elastyczność i łatwość obsługi są kluczowymi czynnikami. Podczas gdy wiele urządzeń jest produkowanych z półfabrykatów, niektóre komponenty muszą być precyzyjnie obrabiane z płaskich półfabrykatów; ta sama maszyna musi obsługiwać oba te procesy, aby zmaksymalizować jej wartość. Te potrzeby są zazwyczaj zaspokajane poprzez zapewnienie wieloosiowego sterowania CNC (XYZ i obrotowego) oraz przyjaznego dla użytkownika interfejsu HMI do prostego programowania i sterowania. W przypadku StarCut Tube, nowy moduł ładowania rur jest wyposażony w boczny magazyn ładujący (zwany StarFeed) dla rur o długości do 3 m oraz sorter dla ciętych produktów, co umożliwia w pełni zautomatyzowaną produkcję.
Elastyczność procesu tych maszyn jest dodatkowo zwiększona dzięki obsłudze cięcia na mokro i na sucho oraz łatwo regulowanym dyszom doprowadzającym w przypadku procesów wymagających gazu wspomagającego. Rozdzielczość przestrzenna jest szczególnie ważna w przypadku obróbki bardzo małych części, co oznacza, że ​​stabilność termomechaniczna eliminuje wpływ wibracji często występujących w warsztatach maszynowych. Seria StarCut Tube spełnia tę potrzebę, budując cały pokład tnący z dużej liczby elementów granitowych.
NPX Medical to stosunkowo nowa firma zajmująca się produkcją kontraktową, oferująca usługi projektowania, inżynierii i precyzyjnego cięcia laserowego dla producentów urządzeń medycznych. Założona w 2019 roku firma zbudowała reputację w branży dzięki wysokiej jakości produktom i szybkiej reakcji, obsługując szeroką gamę urządzeń, w tym stenty, implanty, stenty zastawkowe i elastyczne rurki doprowadzające do podobnie zróżnicowanych procedur chirurgicznych, w tym zabiegów neurochirurgicznych, kardiologicznych, nerkowych, kręgosłupa, ortopedycznych, ginekologicznych i żołądkowo-jelitowych. Jej głównym laserem tnącym jest StarCut Tube 2+2 z StarFiber 320FC o średniej mocy 200 watów. Mike Brenzel, jeden z założycieli NPX, wyjaśnił, że „założyciele wnoszą lata doświadczenia w projektowaniu i produkcji urządzeń medycznych — łącznie ponad 90 lat”, z wcześniejszym doświadczeniem z maszynami typu StarCut wykorzystującymi lasery światłowodowe. Duża część naszej pracy obejmuje cięcie nitinolem i wiemy już, że lasery światłowodowe mogą zapewnić nam potrzebną prędkość i jakość. W przypadku urządzeń takich jak grubościenne rurek i zastawek serca, potrzebujemy szybkości, a laser USP może być zbyt wolny dla naszych potrzeb. Oprócz zamówień produkcyjnych o dużej objętości – specjalizujemy się w małych partiach części – tylko od 5 do 150 sztuk – naszym celem jest ukończenie tych małych partii w ciągu zaledwie kilku dni, włączając projektowanie, programowanie, cięcie, formowanie, obróbkę końcową i kontrolę, w porównaniu do tygodni po złożeniu zamówienia dla większych firm. Oprócz wspomnienia szybkości, Brenzel wspomniał o niezawodności maszyny jako głównej zalecie, która nie wymagała ani jednej wizyty serwisowej w ciągu ostatnich 18 miesięcy niemal ciągłej pracy.
Rysunek 2. NPX oferuje szereg opcji obróbki końcowej. Pokazany tu materiał to stal nierdzewna T316 o średnicy zewnętrznej 5 mm i grubości ścianki 0,254 mm. Lewa część jest cięta/mikropiaskowana, a prawa część jest elektropolerowana.
Oprócz części z nitinolu, firma w szerokim zakresie wykorzystuje również stopy kobaltu z chromem, stopy tantalu, stopy tytanu i wiele rodzajów medycznej stali nierdzewnej. Jeff Hansen, kierownik ds. obróbki laserowej, wyjaśnia: „Elastyczność maszyny to kolejny ważny atut, który pozwala nam obsługiwać cięcie bardzo zróżnicowanego asortymentu materiałów, w tym rur i płaskowników. Możemy skupić wiązkę do punktu o średnicy 20 mikronów, co jest przydatne w przypadku bardziej cienkich rur. Bardzo przydatne są cienkie rurki. Niektóre z nich mają średnicę wewnętrzną zaledwie 0,012 cala, a wysoki stosunek mocy szczytowej do mocy średniej najnowszych laserów światłowodowych maksymalizuje naszą prędkość cięcia, zapewniając jednocześnie pożądaną jakość krawędzi. Zdecydowanie potrzebujemy prędkości cięcia większych produktów o średnicy zewnętrznej do 1 cala”.
Oprócz precyzyjnego cięcia i szybkiej reakcji, NPX oferuje również pełną gamę technologii postprocessingu, a także kompleksowe usługi projektowe wykorzystujące bogate doświadczenie firmy w branży. Techniki te obejmują elektropolerowanie, piaskowanie, trawienie, spawanie laserowe, stabilizację cieplną, formowanie, pasywację, testowanie temperatury Af i testowanie zmęczeniowe, które są kluczowe dla wytwarzania urządzeń Nitinol. Wykorzystanie postprocessingu do kontroli wykończenia krawędzi, powiedział Brenzel, „zwykle zależy od tego, czy mówimy o zastosowaniu o wysokim, czy niskim zmęczeniu. Na przykład część o wysokim zmęczeniu, taka jak zastawka serca, może wyginać się miliard razy w ciągu swojego okresu użytkowania jako postprocessing. Jako krok, ważne jest, aby zastosować piaskowanie w celu zwiększenia promienia wszystkich krawędzi. Ale komponenty o niskim zmęczeniu, takie jak systemy wprowadzające lub prowadniki, często nie wymagają rozległego postprocessingu”. Brenzel wyjaśnia, że ​​jeśli chodzi o wiedzę specjalistyczną w zakresie projektowania, obecnie jest ich aż Trzy czwarte klientów korzysta również z usług projektowych, aby skorzystać z pomocy i umiejętności NPX w zakresie uzyskania zatwierdzenia FDA. Firma doskonale radzi sobie z przekształcaniem koncepcji „szkicu na serwetce” w produkt w jego ostatecznej formie w krótkim czasie.
Motion Dynamics (Fruitport, MI) to producent niestandardowych miniaturowych sprężyn, cewek medycznych i zespołów drutowych, którego misją jest rozwiązywanie problemów klientów, niezależnie od tego, jak skomplikowane lub pozornie niemożliwe wydają się one być, w jak najkrótszym czasie. W branży urządzeń medycznych firma specjalizuje się przede wszystkim w złożonych zespołach do chirurgii naczyniowej układu nerwowego, w tym projektowaniu, produkcji i montażu wysokiej jakości zespołów drutowych do zastosowań takich jak sterowalne urządzenia cewnikowe, w tym zespoły „drutowe”.
Jak wspomniano wcześniej, wybór lasera światłowodowego lub USP jest kwestią preferencji inżynieryjnych, a także rodzaju obsługiwanego sprzętu i procesów. Chris Witham, prezes Motion Dynamics, wyjaśnił: „Opierając się na modelu biznesowym silnie skoncentrowanym na produktach neuronaczyniowych, możemy zapewnić zróżnicowane rezultaty w zakresie projektowania, wykonania i serwisu. Używamy cięcia laserowego wyłącznie do produkcji komponentów, których używamy wewnętrznie. , aby wytwarzać wartościowe, „trudne” komponenty, które stały się naszą specjalnością i reputacją; nie oferujemy cięcia laserowego jako usługi kontraktowej. Odkryliśmy, że większość cięć laserowych, które wykonujemy, najlepiej wykonujemy za pomocą laserów USP i od wielu lat używam tuby StarCut z jednym z tych laserów. Ze względu na duży popyt na nasze produkty mamy dwie 8-godzinne zmiany dziennie, czasami nawet trzy zmiany, a w 2019 roku musimy nabyć kolejną tubę StarCut, aby wesprzeć ten wzrost. Ale tym razem zdecydowaliśmy się na jeden z nowych hybrydowych modeli laserów femtosekundowych USP i laserów światłowodowych. My również połączyliśmy go z podajnikiem/rozładowarką StarFeed, dzięki czemu mogliśmy w pełni zautomatyzować cięcie – operator po prostu wkładał wykrojnik. Rurka była ładowana do podajnika i uruchamiany był program obsługi produktu.
Rysunek 3. Ta elastyczna rurka doprowadzająca ze stali nierdzewnej (pokazana obok gumki do ołówka) została przecięta laserem femtosekundowym Monaco.
Witham dodaje, że chociaż czasami używają maszyny do cięcia płaskiego, ponad 95 procent czasu spędzają na tworzeniu lub modyfikowaniu cylindrycznych produktów do sterowalnych zestawów cewników, mianowicie rurek cewnikowych, cewek i spiral, w tym na cięciu profilowanych końcówek i wycinaniu otworów. Elementy te są ostatecznie wykorzystywane w takich zabiegach, jak naprawa tętniaków i usuwanie zakrzepów. Wymaga to stosowania laserów do cięcia różnych metali, w tym stali nierdzewnej, czystego złota, platyny i nitinolu.
Rysunek 4. Motion Dynamics szeroko wykorzystuje również spawanie laserowe. Na powyższym zdjęciu cewka została przyspawana do rury wyciętej laserowo.
Jakie są opcje laserowe? Witham wyjaśnił, że doskonała jakość krawędzi i minimalne nacięcia są kluczowe dla większości ich komponentów, dlatego początkowo preferowali lasery USP. Ponadto żadnego z materiałów używanych przez firmę nie da się przeciąć jednym z tych laserów, w tym drobnych złotych elementów używanych jako znaczniki radiocieniujące w niektórych produktach. Dodał jednak, że nowe opcje hybrydowe, w tym lasery światłowodowe i USP, dają im większą elastyczność w optymalizacji problemów z prędkością/jakością krawędzi. „Nie ma wątpliwości, że światłowody mogą zapewnić wyższe prędkości” – powiedział. „Jednak ze względu na naszą szczególną specjalizację w zakresie zastosowań, zazwyczaj oznacza to pewien rodzaj obróbki końcowej, takiej jak czyszczenie chemiczne i ultradźwiękowe lub elektropolerowanie. Posiadanie maszyny hybrydowej pozwala nam wybrać, który proces – sam USP, czy obróbka światłowodowa i obróbka końcowa – jest optymalny dla każdego komponentu. Pozwala nam to zbadać możliwość hybrydowej obróbki tego samego komponentu, szczególnie w przypadku większych średnic i grubości ścianek: nawet szybkie cięcie laserami światłowodowymi, a następnie użycie lasera femtosekundowego do precyzyjnego cięcia”. Oczekuje, że laser USP pozostanie ich pierwszym wyborem, ponieważ większość ich cięć laserowych obejmuje grubości ścianek od 4 do 6 tys., choć spotykają się również z grubościami ścianek od 1 do 20 tys. Rury ze stali nierdzewnej o grubości od 1 tys.
Podsumowując, cięcie i wiercenie laserowe stanowią kluczowe procesy w produkcji różnorodnych urządzeń medycznych. Obecnie, dzięki postępowi w technologii laserowej i wysoce zoptymalizowanym maszynom skonfigurowanym pod kątem specyficznych potrzeb branży, procesy te są łatwiejsze w użyciu i zapewniają lepsze wyniki niż kiedykolwiek wcześniej.