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Atualmente, quase todo o corte a laser de precisão de metais e não metais é realizado utilizando ferramentas equipadas com lasers de fibra ou lasers de pulso ultracurto (USP), ou às vezes ambos. Neste artigo, explicaremos as diferentes vantagens dos dois lasers e veremos como os fabricantes utilizam essas tecnologias. A NPX Medical (Plymouth, MN) é uma empresa de processamento especializado por contrato que fabrica uma variedade de dispositivos e ferramentas de implantação, como stents, implantes e tubos flexíveis, utilizando máquinas que incorporam lasers de fibra. A Motion Dynamics fabrica subconjuntos, como conjuntos de "fios de tração" usados ​​principalmente em neurologia, utilizando uma máquina que inclui um laser de femtosegundo USP e um dos mais recentes sistemas híbridos, que combina lasers de femtosegundo e de fibra para máxima flexibilidade e versatilidade.
Durante muitos anos, a maior parte da microusinagem a laser foi realizada utilizando lasers de estado sólido de nanossegundos, chamados lasers DPSS. No entanto, isso mudou completamente graças ao desenvolvimento de dois tipos de laser completamente diferentes e, portanto, complementares. Originalmente desenvolvidos para telecomunicações, os lasers de fibra amadureceram e se tornaram lasers de processamento de materiais essenciais em muitos setores, frequentemente em comprimentos de onda próximos ao infravermelho. Os motivos para o seu sucesso residem em sua arquitetura simples e fácil escalabilidade de potência. Isso resulta em lasers compactos, altamente confiáveis ​​e fáceis de integrar em máquinas especializadas, e geralmente oferecem um custo de propriedade menor do que os tipos de laser mais antigos. De forma importante para a microusinagem, o feixe de saída pode ser focalizado em um ponto pequeno e limpo de apenas alguns mícrons de diâmetro, tornando-os ideais para corte, soldagem e perfuração de alta resolução. Suas saídas também são muito flexíveis e controláveis, com taxas de pulso que variam de disparo único a 170 kHz. Juntamente com a potência escalável, isso permite corte e perfuração rápidos.
No entanto, uma desvantagem potencial dos lasers de fibra na microusinagem é a usinagem de detalhes pequenos e/ou peças finas e delicadas. Pulsos de longa duração (por exemplo, 50 µs) resultam em uma pequena quantidade de zona afetada pelo calor (ZAC), como material refundido e pequena rugosidade nas bordas, o que pode exigir algum pós-processamento. Felizmente, lasers mais modernos — lasers de pulso ultracurto (USP) com pulsos de saída de femtosegundos — eliminam o problema da ZAC.
Com lasers de picossegundos (USP), a maior parte do calor extra associado ao processo de corte ou perfuração é dissipada nos detritos ejetados antes que tenha tempo de se difundir no material circundante. Lasers USP com emissão em picossegundos têm sido usados ​​há muito tempo em aplicações de micromecanização envolvendo plásticos, semicondutores, cerâmicas e certos metais (picossegundos = 10⁻¹² segundos). Mas, para dispositivos metálicos com pilares da espessura de um fio de cabelo humano, a alta condutividade térmica e o tamanho diminuto do metal fazem com que os lasers de picossegundos nem sempre proporcionem os resultados aprimorados que justificariam o custo mais elevado dos lasers USP anteriores. Isso mudou com o advento dos lasers de femtosegundos de nível industrial (femtosegundo = 10⁻¹⁵ segundos). Um exemplo é a série de lasers Monaco da Coherent Inc. Assim como os lasers de fibra, sua emissão é de luz infravermelha próxima, o que significa que podem cortar ou perfurar todos os metais usados ​​em dispositivos médicos, incluindo aço inoxidável, platina, ouro, magnésio, cobalto-cromo, titânio e outros. não-metais. Embora a combinação de curta duração de pulso e baixa energia de pulso evite danos térmicos (HAZ), a alta taxa de repetição (MHz) garante velocidades de produção economicamente viáveis ​​para muitos dispositivos médicos de alto valor.
É claro que quase ninguém em nosso setor precisa apenas de um laser. Em vez disso, precisam de uma máquina a laser, e hoje existem muitas máquinas especializadas otimizadas para cortar e perfurar dispositivos médicos. Um exemplo é a série StarCut Tube da Coherent, que pode ser usada com lasers de fibra, lasers de femtosegundo ou em uma versão híbrida que incorpora ambos os tipos de laser.
O que significa especialização em dispositivos médicos? A maioria desses dispositivos é produzida em lotes limitados com base em projetos personalizados. Portanto, flexibilidade e facilidade de uso são considerações essenciais. Embora muitos dispositivos sejam fabricados a partir de tarugos, alguns componentes precisam ser usinados com precisão a partir de tarugos planos; a mesma máquina deve lidar com ambos para maximizar seu valor. Essas necessidades geralmente são atendidas por meio de movimento CNC multieixos (XYZ e rotativo) e uma IHM (Interface Homem-Máquina) intuitiva para programação e controle simplificados. No caso do StarCut Tube, uma nova opção de módulo de carregamento de tubos inclui um magazine de carregamento lateral (chamado StarFeed) para tubos de até 3 m de comprimento e um classificador para produtos cortados, permitindo a produção totalmente automatizada.
A flexibilidade de processo dessas máquinas é ainda mais aprimorada pelo suporte para corte a úmido e a seco e bicos de alimentação facilmente ajustáveis ​​para processos que requerem gás auxiliar. A resolução espacial também é particularmente importante para a usinagem de peças muito pequenas, o que significa que a estabilidade termomecânica elimina os efeitos da vibração frequentemente encontrados em oficinas mecânicas. A linha StarCut Tube atende a essa necessidade construindo toda a plataforma de corte com um grande número de elementos de granito.
A NPX Medical é uma fabricante terceirizada relativamente nova que fornece serviços de design, engenharia e corte a laser de precisão para fabricantes de dispositivos médicos. Fundada em 2019, a empresa construiu uma reputação no setor por seus produtos de qualidade e capacidade de resposta, atendendo a uma ampla gama de dispositivos, incluindo stents, implantes, stents valvulares e tubos flexíveis para procedimentos cirúrgicos e intervenções igualmente diversas, como cirurgias neurovasculares, cardíacas, renais, da coluna vertebral, ortopédicas, ginecológicas e gastrointestinais. Sua principal máquina de corte a laser é a StarCut Tube 2+2 com um laser StarFiber 320FC com potência média de 200 watts. Mike Brenzel, um dos fundadores da NPX, explicou que “os fundadores trazem anos de experiência em design e fabricação de dispositivos médicos — mais de 90 anos no total”, com experiência anterior com máquinas semelhantes à StarCut usando lasers de fibra. Grande parte do nosso trabalho envolve o corte de Nitinol e já sabemos que os lasers de fibra podem fornecer a velocidade e a qualidade de que precisamos. Para dispositivos como tubos de paredes espessas e válvulas cardíacas, nós Precisamos de velocidade, e o laser USP pode ser lento demais para as nossas necessidades. Além de pedidos de produção em grande volume – somos especializados em pequenos lotes de peças – entre 5 e 150 unidades – nosso objetivo é concluir esses pequenos lotes em poucos dias, incluindo projeto, programação, corte, conformação, pós-processamento e inspeção, em comparação com as semanas que as grandes empresas levam após a realização do pedido.” Além de mencionar a velocidade, Brenzel destacou a confiabilidade da máquina como uma grande vantagem, não tendo sido necessária nenhuma visita técnica nos últimos 18 meses de operação quase contínua.
Figura 2. A NPX oferece uma variedade de opções de pós-processamento. O material mostrado aqui é aço inoxidável T316 com 5 mm de diâmetro externo e 0,254 mm de espessura de parede. A parte esquerda foi cortada/microjateada e a parte direita foi eletropolida.
Além de peças de nitinol, a empresa também utiliza amplamente ligas de cobalto-cromo, ligas de tântalo, ligas de titânio e muitos tipos de aços inoxidáveis ​​para uso médico. Jeff Hansen, Gerente de Processamento a Laser, explica: “A flexibilidade da máquina é outro recurso importante, permitindo-nos cortar uma gama muito diversificada de materiais, incluindo tubos e peças planas. Podemos focalizar o feixe em um ponto de 20 mícrons, o que é útil para tubos mais finos. Alguns desses tubos têm apenas 0,012 polegadas de diâmetro interno, e a alta relação entre potência de pico e potência média dos lasers de fibra mais modernos maximiza nossa velocidade de corte, mantendo a qualidade de borda desejada. Precisamos absolutamente da velocidade para cortar produtos maiores com diâmetro externo de até 1 polegada.”
Além do corte de precisão e da resposta rápida, a NPX também oferece uma gama completa de tecnologias de pós-processamento, bem como serviços abrangentes de design que aproveitam sua vasta experiência no setor. Essas técnicas incluem eletropolimento, jateamento de areia, decapagem, soldagem a laser, termofixação, conformação, passivação, teste de temperatura Af e teste de fadiga, todas essenciais para a fabricação de dispositivos de Nitinol. Brenzel afirmou que o uso do pós-processamento para controlar o acabamento das bordas “geralmente depende se estamos falando de uma aplicação de alta ou baixa fadiga. Por exemplo, uma peça de alta fadiga, como uma válvula cardíaca, pode se dobrar bilhões de vezes ao longo de sua vida útil, e o pós-processamento, como etapa inicial, é importante usar o jateamento de areia para aumentar o raio de todas as bordas. Mas componentes de baixa fadiga, como sistemas de administração de medicamentos ou fios-guia, geralmente não exigem um pós-processamento extenso.” Em termos de especialização em design, Brenzel explica que atualmente até três quartos dos clientes também utilizam seus serviços de design para aproveitar a ajuda e as habilidades da NPX na obtenção da aprovação do FDA. A empresa é muito boa em transformar o conceito do "esboço em guardanapo" em um produto em sua forma final em um curto período de tempo.
A Motion Dynamics (Fruitport, MI) é uma fabricante de molas em miniatura personalizadas, bobinas médicas e conjuntos de fios, cuja missão é resolver os problemas dos clientes, por mais complexos ou aparentemente impossíveis que sejam, no menor tempo possível. Em dispositivos médicos, a empresa se concentra principalmente em conjuntos complexos para cirurgia neurovascular, incluindo o projeto, a produção e a montagem de conjuntos de fios de alta qualidade para aplicações como dispositivos de cateter direcionáveis, incluindo conjuntos de "fio de tração".
Como mencionado anteriormente, a escolha entre laser de fibra ou laser ultrassônico (USP) é uma questão de preferência de engenharia, bem como do tipo de equipamento e processos suportados. Chris Witham, presidente da Motion Dynamics, explicou: “Com base em um modelo de negócios altamente focado em produtos neurovasculares, podemos oferecer resultados diferenciados em design, execução e serviço. Utilizamos o corte a laser apenas para produzir os componentes que usamos internamente. Para fabricar os componentes de alto valor agregado e 'complexos' que se tornaram nossa especialidade e reputação, não oferecemos o corte a laser como um serviço terceirizado. Descobrimos que a maioria dos cortes a laser que realizamos são melhor executados com lasers USP e, por muitos anos, tenho usado um StarCut Tube com um desses lasers. Devido à forte demanda por nossos produtos, temos dois turnos de 8 horas por dia, às vezes até três turnos, e em 2019 precisamos adquirir outro StarCut Tube para suportar esse crescimento. Mas desta vez, decidimos optar por um dos novos modelos híbridos de lasers USP de femtosegundo e lasers de fibra. Também o combinamos com um StarFeed.” Carregador/descarregador para que pudéssemos automatizar completamente o corte – o operador simplesmente coloca o tubo em branco no alimentador e o programa de software que opera o produto é iniciado.
Figura 3. Este tubo flexível de aço inoxidável para administração de medicamentos (mostrado ao lado de uma borracha de lápis) foi cortado com um laser de femtosegundo Monaco.
Witham acrescenta que, embora ocasionalmente usem a máquina para cortes planos, mais de 95% do seu tempo é gasto na criação ou modificação de produtos cilíndricos para seus conjuntos de cateteres direcionáveis, como hipotubos, espirais e bobinas, incluindo o corte de pontas perfiladas e orifícios. Esses componentes são usados ​​em procedimentos como reparo de aneurismas e remoção de trombos. Isso exige o uso de cortadores a laser em diversos metais, incluindo aço inoxidável, ouro puro, platina e nitinol.
Figura 4. A Motion Dynamics também utiliza amplamente a soldagem a laser. Acima, a bobina foi soldada ao tubo cortado a laser.
Quais são as opções de laser? Witham explicou que a excelente qualidade de corte e a mínima largura de corte são cruciais para a maioria de seus componentes, por isso, inicialmente, eles preferiram lasers ultrassônicos (USP). Além disso, nenhum dos materiais que a empresa utiliza pode ser cortado por um desses lasers, incluindo os minúsculos componentes de ouro usados ​​como marcadores radiopacos em alguns de seus produtos. Mas ele acrescentou que as novas opções híbridas, incluindo lasers de fibra e USPs, oferecem mais flexibilidade para otimizar a velocidade e a qualidade do corte. "Não há dúvida de que a fibra óptica pode proporcionar velocidades mais altas", disse ele. "Mas, devido ao nosso foco específico em aplicações, isso geralmente significa algum tipo de pós-processamento, como limpeza química e ultrassônica ou eletropolimento. Portanto, ter uma máquina híbrida nos permite escolher qual processo geral – apenas USP ou fibra e pós-processamento – é o ideal para cada componente. Isso nos permite explorar a possibilidade de usinagem híbrida do mesmo componente, especialmente quando se trata de diâmetros e espessuras de parede maiores: corte rápido com lasers de fibra e, em seguida, usar um laser de femtosegundo para cortes finos." Ele espera que o laser USP continue sendo a primeira opção, pois a maioria dos cortes a laser envolve espessuras de parede entre 4 e 6 milésimos de polegada, embora também encontrem espessuras de parede que variam de 1 a 20 milésimos de polegada. Tubos de aço inoxidável entre milésimos de polegada.
Em conclusão, o corte e a perfuração a laser são processos essenciais na fabricação de diversos dispositivos médicos. Hoje, graças aos avanços na tecnologia laser e às máquinas altamente otimizadas e configuradas para as necessidades específicas da indústria, esses processos são mais fáceis de usar e oferecem melhores resultados do que nunca.