Acest site web este operat de una sau mai multe companii deținute de Informa PLC, iar toate drepturile de autor sunt deținute de acestea. Sediul social al Informa PLC este 5 Howick Place, Londra SW1P 1WG. Înregistrată în Anglia și Țara Galilor. Nr. 8860726.
Astăzi, aproape toate lucrările de tăiere cu laser de precizie a metalelor și nemetalelor se efectuează folosind unelte echipate cu lasere cu fibră sau lasere cu impulsuri ultrascurte (USP), sau uneori ambele. În acest articol, vom explica diferitele avantaje ale celor două lasere și vom vedea cum utilizează ambii producători aceste lasere. NPX Medical (Plymouth, MN) este o companie de prelucrare specializată pe bază de contract care produce o varietate de dispozitive și instrumente de implementare, cum ar fi stenturi, implanturi și tuburi flexibile, folosind mașini care încorporează lasere cu fibră. Motion Dynamics produce subansambluri, cum ar fi ansambluri de tip „sârmă de tragere” utilizate în principal în neurologie, utilizând o mașină care include un laser femtosecundă USP și unul dintre cele mai recente sisteme hibride, inclusiv lasere femtosecundă și cu fibră, pentru flexibilitate și versatilitate maxime.
Timp de mulți ani, cea mai mare parte a microprelucrarii cu laser a fost efectuată folosind lasere în stare solidă de nanosecunde numite lasere DPSS. Cu toate acestea, acest lucru s-a schimbat complet acum datorită dezvoltării a două tipuri de lasere complet diferite și, prin urmare, complementare. Dezvoltate inițial pentru telecomunicații, laserele cu fibră au devenit lasere extrem de eficiente pentru prelucrarea materialelor în multe industrii, adesea la lungimi de undă în infraroșu apropiat. Motivele succesului său constau în arhitectura sa simplă și scalabilitatea directă a puterii. Acest lucru are ca rezultat lasere compacte, extrem de fiabile și ușor de integrat în mașini specializate și, în general, oferă un cost de proprietate mai mic decât tipurile de lasere mai vechi. Important pentru microprelucrare, fasciculul de ieșire poate fi focalizat într-un punct mic și curat, de doar câțiva microni în diametru, astfel încât sunt ideale pentru tăiere, sudare și găurire de înaltă rezoluție. Ieșirile lor sunt, de asemenea, foarte flexibile și controlabile, cu rate de impulsuri variind de la o singură lovitură până la 170 kHz. Împreună cu puterea scalabilă, acest lucru permite tăierea și găurirea rapidă.
Totuși, un potențial dezavantaj al laserelor cu fibră în microprelucrare este prelucrarea elementelor mici și/sau a pieselor subțiri și delicate. Duratele lungi ale impulsurilor (de exemplu, 50 µs) duc la o cantitate mică de zonă afectată termic (HAZ), cum ar fi materialul refăcut, și la o rugozitate mică a muchiilor, ceea ce poate necesita o anumită post-procesare. Din fericire, laserele mai noi - laserele cu impulsuri ultrascurte (USP) cu impulsuri de ieșire femtosecunde - elimină problema HAZ.
Cu laserele USP, cea mai mare parte a căldurii suplimentare asociate cu procesul de tăiere sau găurire este transportată în resturile ejectate înainte de a avea timp să se difuzeze în materialul din jur. Laserele USP cu ieșire de picosecunde au fost utilizate de mult timp în aplicații de microprelucrare care implică materiale plastice, semiconductori, ceramică și anumite metale (picosecunde = 10-12 secunde). Dar pentru dispozitivele metalice cu piloni de dimensiunea unui fir de păr uman, conductivitatea termică ridicată și dimensiunile mici ale metalului înseamnă că laserele de picosecunde nu oferă întotdeauna rezultatele îmbunătățite care ar justifica costul crescut al laserelor USP anterioare. Acest lucru s-a schimbat acum odată cu apariția laserelor femtosecunde de calitate industrială (femtosecunde = 10-15 secunde). Un exemplu este seria de lasere Monaco de la Coherent Inc. La fel ca laserele cu fibră, ieșirea lor este lumină în infraroșu apropiat, ceea ce înseamnă că pot tăia sau găuri toate metalele utilizate în dispozitivele medicale, inclusiv oțel inoxidabil, platină, aur, magneziu, cobalt-crom, titan și multe altele, precum și nemetale. Deși combinația dintre durata scurtă a impulsului și energia redusă a impulsului previne deteriorarea termică (HAZ), rata mare de repetiție (MHz) asigură viteze de debit rentabile pentru multe dispozitive medicale de mare valoare.
Desigur, aproape nimeni din industria noastră nu are nevoie de un singur laser. În schimb, au nevoie de o mașină bazată pe laser, iar acum există multe mașini specializate optimizate pentru tăierea și găurirea dispozitivelor medicale. Un exemplu este seria StarCut Tube de la Coherent, care poate fi utilizată cu lasere cu fibră, lasere femtosecundă sau ca o versiune hibridă care încorporează ambele tipuri de lasere.
Ce înseamnă specializarea dispozitivelor medicale? Majoritatea acestor dispozitive sunt produse în loturi limitate, bazate pe modele personalizate. Prin urmare, flexibilitatea și ușurința în utilizare sunt aspecte cheie. În timp ce multe dispozitive sunt fabricate din țagle, unele componente trebuie prelucrate cu precizie din țagle plate; aceeași mașină trebuie să le gestioneze pe ambele pentru a-și maximiza valoarea. Aceste nevoi sunt de obicei satisfăcute prin furnizarea unei mișcări controlate CNC pe mai multe axe (xyz și rotative) și a unui HMI ușor de utilizat pentru o programare și un control simplu. În cazul StarCut Tube, o nouă opțiune de modul de încărcare a tuburilor vine cu un magazin de încărcare laterală (numit StarFeed) pentru tuburi cu lungimea de până la 3 m și un sortator pentru produsele tăiate, permițând o producție complet automatizată.
Flexibilitatea procesului acestor mașini este îmbunătățită și mai mult prin suportul pentru tăiere umedă și uscată și prin duzele de livrare ușor reglabile pentru procesele care necesită gaz auxiliar. Rezoluția spațială este, de asemenea, deosebit de importantă pentru prelucrarea pieselor foarte mici, ceea ce înseamnă că stabilitatea termomecanică elimină efectele vibrațiilor întâlnite adesea în atelierele mecanice. Gama StarCut Tube satisface această nevoie prin construirea întregii platforme de tăiere cu un număr mare de elemente din granit.
NPX Medical este un producător contractual relativ nou, care oferă servicii de proiectare, inginerie și tăiere cu laser de precizie producătorilor de dispozitive medicale. Fondată în 2019, compania și-a construit o reputație în industrie pentru produse de calitate și receptivitate, oferind suport pentru o gamă largă de dispozitive, inclusiv stenturi, implanturi, stenturi valvulare și tuburi flexibile de administrare pentru intervenții chirurgicale similare, inclusiv chirurgie neurovasculară, cardiacă, renală, a coloanei vertebrale, ortopedică, ginecologică și gastrointestinală. Principalul său dispozitiv de tăiere cu laser este StarCut Tube 2+2 cu un StarFiber 320FC cu o putere medie de 200 de wați. Mike Brenzel, unul dintre fondatorii NPX, a explicat că „fondatorii aduc ani de experiență în proiectarea și fabricarea dispozitivelor medicale - peste 90 de ani în total”, cu experiență anterioară cu mașini de tip StarCut care utilizează lasere cu fibră. O mare parte din munca noastră implică tăierea cu Nitinol și știm deja că laserele cu fibră pot oferi viteza și calitatea de care avem nevoie. Pentru dispozitive precum tuburile cu pereți groși și valvele cardiace, avem nevoie de viteză, iar laserul USP poate fi prea lent pentru nevoile noastre. În... „Pe lângă comenzile de producție de volum mare – ne specializăm în loturi mici de piese – doar între 5 și 150 de bucăți – obiectivul nostru este de a finaliza aceste execuții în loturi mici în doar câteva zile, inclusiv proiectarea, programarea, tăierea, formarea, post-procesarea și inspecția, comparativ cu săptămânile de după plasarea unei comenzi pentru companiile mai mari.” Pe lângă menționarea vitezei, Brenzel a menționat fiabilitatea mașinii ca un avantaj major, nefiind necesară nicio intervenție de service în ultimele 18 luni de funcționare aproape continuă.
Figura 2. NPX oferă o varietate de opțiuni de post-procesare. Materialul prezentat aici este oțel inoxidabil T316 cu un diametru exterior de 5 mm și o grosime a peretelui de 0,254 mm. Partea stângă este tăiată/microsablată, iar partea dreaptă este electrolustruită.
Pe lângă piesele din nitinol, compania utilizează pe scară largă și aliaje de cobalt-crom, aliaje de tantal, aliaje de titan și multe tipuri de oțeluri inoxidabile medicale. Jeff Hansen, manager de procesare laser, explică: „Flexibilitatea mașinii este un alt atu important, permițându-ne să susținem tăierea unei game foarte diverse de materiale, inclusiv tuburi și materiale plate. Putem focaliza fasciculul până la un punct de 20 de microni, ceea ce este util pentru mai multe... Tuburile subțiri sunt foarte utile. Unele dintre aceste tuburi au doar un diametru interior de 0,012″, iar raportul ridicat dintre puterea de vârf și puterea medie a celor mai recente lasere cu fibră maximizează viteza noastră de tăiere, oferind în același timp calitatea dorită a muchiilor. Avem absolut nevoie de viteza produselor mai mari, cu un diametru exterior de până la 1 inch.”
Pe lângă tăierea de precizie și răspunsul rapid, NPX oferă și o gamă completă de tehnologii de post-procesare, precum și servicii complete de proiectare care valorifică vasta sa experiență în industrie. Aceste tehnici includ electrolustruirea, sablarea, decaparea, sudarea cu laser, fixarea la căldură, formarea, pasivizarea, testarea la temperatura Af și testarea la oboseală, toate acestea fiind esențiale pentru fabricarea dispozitivelor cu Nitinol. Utilizarea post-procesării pentru a controla finisajul marginilor, a spus Brenzel, „depinde de obicei dacă vorbim despre o aplicație cu oboseală ridicată sau redusă. De exemplu, o piesă cu oboseală ridicată, cum ar fi o valvă cardiacă, s-ar putea îndoi de un miliard de ori pe parcursul duratei sale de viață ca parte a post-procesării. Ca pas, este important să se utilizeze sablarea pentru a crește raza tuturor marginilor. Dar componentele cu oboseală redusă, cum ar fi sistemele de livrare sau firele de ghidare, adesea nu necesită o post-procesare extinsă.” În ceea ce privește expertiza în design, explică Brenzel, există acum până la trei sferturi dintre clienți care folosesc și serviciile lor de design pentru a beneficia de ajutorul și abilitățile NPX în obținerea aprobării FDA. Compania se descurcă foarte bine transformând conceptul de „schiță de șervețel” într-un produs în forma sa finală într-o perioadă scurtă de timp.
Motion Dynamics (Fruitport, MI) este un producător de arcuri miniaturale personalizate, bobine medicale și ansambluri de sârmă, a cărui misiune este de a rezolva problemele clienților, indiferent cât de complexe sau aparent imposibile, în cel mai scurt timp posibil. În domeniul dispozitivelor medicale, se concentrează în principal pe ansambluri complexe pentru chirurgia neurovasculară, inclusiv proiectarea, producția și asamblarea ansamblurilor de sârmă de înaltă calitate pentru aplicații precum dispozitivele de cateter direcționate, inclusiv ansambluri „de tip „sârmă de tragere”.
După cum am menționat anterior, alegerea laserului cu fibră sau USP este o chestiune de preferințe inginerești, precum și de tipul de echipament și procese suportate. Chris Witham, președintele Motion Dynamics, a explicat: „Bazându-ne pe un model de afaceri puternic axat pe produse neurovasculare, putem oferi rezultate diferențiate în proiectare, execuție și service. Folosim tăierea cu laser doar pentru a produce componentele pe care le folosim intern, pentru a fabrica componentele „dificile” de mare valoare, care au devenit specialitatea și reputația noastră; nu oferim tăierea cu laser ca serviciu contractual. Am constatat că majoritatea tăierilor cu laser pe care le efectuăm se realizează cel mai bine cu lasere USP și, de mulți ani, am folosit un tub StarCut cu unul dintre aceste lasere. Datorită cererii puternice pentru produsele noastre, avem două ture de 8 ore pe zi, uneori chiar trei ture, iar în 2019 trebuie să achiziționăm un alt tub StarCut pentru a susține această creștere. Dar de data aceasta, am decis să mergem cu unul dintre noile modele hibride de lasere USP femtosecunde și lasere cu fibră. De asemenea, l-am asociat cu un încărcător/descărcător StarFeed, astfel încât…” Am putut automatiza complet tăierea – operatorul pur și simplu pune semifabricatul. Tubul este încărcat în alimentator și programul de operare software pentru produs este pornit.
Figura 3. Acest tub flexibil de alimentare din oțel inoxidabil (prezentat lângă o radieră) a fost tăiat cu un laser femtosecundă Monaco.
Witham adaugă că, deși folosesc ocazional mașina pentru tăiere plană, peste 95% din timp este petrecut creând sau modificând produse cilindrice pentru ansamblurile lor de catetere direcționate, și anume hipotuburi, bobine și spirale, inclusiv tăierea vârfurilor profilate și a găurilor tăiate. Aceste componente sunt utilizate în cele din urmă în proceduri precum repararea anevrismelor și îndepărtarea trombilor. Acest lucru necesită utilizarea unor mașini de tăiat cu laser pe o varietate de metale, inclusiv oțel inoxidabil, aur pur, platină și nitinol.
Figura 4. Motion Dynamics utilizează, de asemenea, pe scară largă sudarea cu laser. Mai sus, bobina a fost sudată pe tubul tăiat cu laser.
Care sunt opțiunile laser? Witham a explicat că o calitate excelentă a muchiilor și tăieturi minime sunt esențiale pentru majoritatea componentelor lor, așa că inițial au preferat laserele USP. În plus, niciunul dintre materialele utilizate de companie nu poate fi tăiat de unul dintre aceste lasere, inclusiv componentele minuscule din aur utilizate ca markeri radioopici în unele dintre produsele sale. Dar a adăugat că noile opțiuni hibride, inclusiv laserele cu fibră și USP-urile, le oferă mai multă flexibilitate în optimizarea problemelor de viteză/calitate a muchiilor. „Nu există nicio îndoială că fibra optică poate oferi viteze mai mari”, a spus el. „Dar, din cauza concentrării noastre specifice asupra aplicației, aceasta înseamnă de obicei un anumit tip de post-procesare, cum ar fi curățarea chimică și cu ultrasunete sau electrolustruirea. Așadar, faptul că avem o mașină hibridă ne permite să alegem ce proces general - USP singur sau fibră și post-procesare - este optim pentru fiecare componentă. Ne permite să explorăm posibilitatea prelucrării hibride a aceleiași componente, în special acolo unde sunt implicate diametre și grosimi de perete mai mari: chiar și tăiere rapidă cu lasere cu fibră, apoi să folosim un laser femtosecundă pentru tăiere fină.” El se așteaptă ca laserul USP să rămână prima lor opțiune, deoarece majoritatea tăierilor laser implică grosimi ale pereților între 4 și 6 mii de litri, deși întâlnesc grosimi ale pereților cuprinse între 1 și 20 mii de litri. Țevi din oțel inoxidabil între mii de litri.
În concluzie, tăierea și găurirea cu laser sunt procese cheie în fabricarea diferitelor dispozitive medicale. Astăzi, datorită progreselor în tehnologia laser de bază și a mașinilor extrem de optimizate și configurate pentru nevoile specifice ale industriei, aceste procese sunt mai ușor de utilizat și oferă rezultate mai bune ca niciodată.