Данный веб-сайт управляется одной или несколькими компаниями, принадлежащими Informa PLC, и все авторские права принадлежат им. Юридический адрес Informa PLC: 5 Howick Place, London SW1P 1WG. Зарегистрировано в Англии и Уэльсе. Регистрационный номер: 8860726.
Сегодня почти вся высокоточная лазерная резка металлов и неметаллов выполняется с использованием инструментов, оснащенных волоконными лазерами или лазерами сверхкоротких импульсов (USP), а иногда и теми, и другими. В этой статье мы объясним различные преимущества этих двух типов лазеров и рассмотрим, как оба производителя используют эти лазеры. Компания NPX Medical (Плимут, Миннесота) — это специализированная компания по контрактной обработке, которая производит различные устройства и инструменты для установки, такие как стенты, имплантаты и гибкие трубки, используя станки, в которых используются волоконные лазеры. Компания Motion Dynamics производит узлы, такие как узлы «протяжного типа», используемые в основном в неврологии, используя станок, который включает в себя фемтосекундный лазер USP и одну из новейших гибридных систем, включающих фемтосекундные и волоконные лазеры для максимальной гибкости и универсальности.
В течение многих лет большая часть лазерной микрообработки выполнялась с использованием твердотельных наносекундных лазеров, называемых DPSS-лазерами. Однако сейчас ситуация полностью изменилась благодаря разработке двух совершенно разных, а следовательно, взаимодополняющих типов лазеров. Волоконные лазеры, первоначально разработанные для телекоммуникаций, превратились в основные лазеры для обработки материалов во многих отраслях промышленности, часто работающие в ближнем инфракрасном диапазоне. Причины их успеха заключаются в простой архитектуре и легко масштабируемой мощности. Это приводит к созданию компактных, высоконадежных лазеров, которые легко интегрируются в специализированные станки и, как правило, имеют более низкую стоимость владения, чем более старые типы лазеров. Что важно для микрообработки, выходной луч может быть сфокусирован в небольшое чистое пятно диаметром всего несколько микрон, поэтому они идеально подходят для высокоточной резки, сварки и сверления. Их выходная мощность также очень гибкая и управляемая, с частотой импульсов от одного импульса до 170 кГц. Наряду с масштабируемой мощностью это обеспечивает быструю резку и сверление.
Однако потенциальным недостатком волоконных лазеров в микрообработке является обработка мелких элементов и/или тонких, хрупких деталей. Длительность импульсов (например, 50 мкс) приводит к образованию небольшого количества зоны термического воздействия (ЗТВ), такой как переплавленный материал и небольшая шероховатость кромок, что может потребовать дополнительной обработки. К счастью, новые лазеры — сверхкороткоимпульсные (СВИ) лазеры с фемтосекундными выходными импульсами — устраняют проблему ЗТВ.
В лазерах с ультракороткоимпульсным излучением (USP) большая часть дополнительного тепла, связанного с процессом резки или сверления, отводится вместе с выбрасываемыми частицами, прежде чем они успеют распространиться в окружающий материал. Лазеры USP с пикосекундным излучением давно используются в микрообработке пластмасс, полупроводников, керамики и некоторых металлов (пикосекунды = 10⁻¹² секунд). Однако для металлических устройств с выступами размером с человеческий волос высокая теплопроводность металла и его крошечные размеры означают, что пикосекундные лазеры не всегда обеспечивают улучшенные результаты, которые оправдали бы более высокую стоимость более ранних лазеров USP. Теперь ситуация изменилась с появлением промышленных фемтосекундных лазеров (фемтосекунды = 10⁻¹⁵ секунд). Примером является серия лазеров Monaco от Coherent Inc. Как и волоконные лазеры, они излучают ближний инфракрасный свет, что означает, что они могут резать или сверлить все металлы, используемые в медицинских устройствах, включая нержавеющую сталь, платину, золото, магний, кобальт-хром, титан и другие, а также неметаллы. Хотя сочетание короткой длительности импульса и низкой энергии импульса предотвращает термическое повреждение (зона термического воздействия), высокая частота повторения (МГц) обеспечивает экономически эффективную скорость обработки для многих дорогостоящих медицинских устройств.
Конечно, в нашей отрасли практически никому не нужен всего один лазер. Вместо этого им требуется лазерный станок, и сейчас существует множество специализированных станков, оптимизированных для резки и сверления медицинских изделий. Примером может служить серия StarCut Tube от Coherent, которую можно использовать с волоконными лазерами, фемтосекундными лазерами или в гибридном варианте, сочетающем оба типа лазеров.
Что означает специализация медицинских изделий? Большинство этих изделий производятся ограниченными партиями по индивидуальным проектам. Поэтому гибкость и простота использования являются ключевыми факторами. Хотя многие изделия изготавливаются из заготовок, некоторые компоненты должны быть точно обработаны из плоских заготовок; для максимальной эффективности один и тот же станок должен обрабатывать и те, и другие. Эти потребности обычно удовлетворяются за счет многоосевого управления с ЧПУ (xyz и вращательного) и удобного интерфейса HMI для простого программирования и управления. В случае с StarCut Tube, новая опция модуля загрузки труб включает боковой загрузочный магазин (называемый StarFeed) для труб длиной до 3 м и сортировщик для нарезанных изделий, что позволяет полностью автоматизировать производство.
Гибкость технологических процессов на этих станках дополнительно повышается за счет поддержки влажной и сухой резки, а также легко регулируемых подающих сопел для процессов, требующих подачи вспомогательного газа. Пространственное разрешение также особенно важно для обработки очень мелких деталей, что означает, что термомеханическая стабильность исключает воздействие вибрации, часто встречающейся в механических цехах. Серия StarCut Tube отвечает этой потребности, поскольку вся режущая платформа состоит из большого количества гранитных элементов.
NPX Medical — относительно новый контрактный производитель, предоставляющий услуги по проектированию, разработке и высокоточной лазерной резке для производителей медицинских изделий. Основанная в 2019 году, компания заслужила репутацию в отрасли благодаря качественной продукции и оперативности, поддерживая широкий спектр устройств, включая стенты, имплантаты, клапанные стенты и гибкие трубки для доставки материалов при различных хирургических вмешательствах, включая нейрососудистые, кардиохирургические, нефрологические, спинальные, ортопедические, гинекологические и желудочно-кишечные операции. Основной лазерный резак компании — StarCut Tube 2+2 с лазером StarFiber 320FC средней мощностью 200 Вт. Майк Брензел, один из основателей NPX, объяснил, что «основатели обладают многолетним опытом проектирования и производства медицинских изделий — более 90 лет в общей сложности», имея опыт работы с аналогичными станками StarCut, использующими волоконные лазеры. Большая часть нашей работы связана с резкой нитинола, и мы уже знаем, что волоконные лазеры могут обеспечить необходимую скорость и качество. Для таких устройств, как толстостенные трубки и сердечные клапаны, нам необходимо скорость, а лазер USP может оказаться слишком медленным для наших нужд. Помимо крупных производственных заказов – мы специализируемся на небольших партиях деталей – всего от 5 до 150 штук – наша цель состоит в том, чтобы выполнять эти небольшие заказы всего за несколько дней, включая проектирование, программирование, резку, формовку, постобработку и контроль качества, в отличие от недель, которые требуются крупным компаниям после размещения заказа. Помимо скорости, Бренцель упомянул надежность станка как главное преимущество, отметив, что за последние 18 месяцев почти непрерывной работы не потребовалось ни одного вызова сервисной службы.
Рисунок 2. Компания NPX предлагает различные варианты постобработки. На рисунке показана нержавеющая сталь T316 с внешним диаметром 5 мм и толщиной стенки 0,254 мм. Левая часть подвергнута резке/микроструйной обработке, а правая — электрополировке.
Помимо деталей из нитинола, компания также широко использует кобальто-хромовые сплавы, танталовые сплавы, титановые сплавы и многие виды медицинской нержавеющей стали. Джефф Хансен, менеджер по лазерной обработке, объясняет: «Гибкость оборудования — еще одно важное преимущество, позволяющее нам обрабатывать очень широкий спектр материалов, включая трубы и плоские заготовки. Мы можем сфокусировать луч до пятна размером 20 микрон, что очень полезно для обработки тонких труб. Некоторые из этих труб имеют внутренний диаметр всего 0,012 дюйма, а высокое отношение пиковой мощности к средней мощности новейших волоконных лазеров максимизирует скорость резки, обеспечивая при этом желаемое качество кромки. Нам абсолютно необходима скорость обработки более крупных изделий с внешним диаметром до 1 дюйма».
Помимо высокоточной резки и быстрого реагирования, NPX также предлагает полный спектр технологий постобработки, а также комплексные услуги по проектированию, основанные на обширном опыте компании в отрасли. Эти методы включают электрополировку, пескоструйную обработку, травление, лазерную сварку, термофиксацию, формовку, пассивацию, испытания на воздействие температуры и испытания на усталость, все из которых являются ключевыми для изготовления устройств из нитинола. Использование постобработки для контроля качества кромок, по словам Брензеля, «обычно зависит от того, говорим ли мы о высоконагруженном или низконагруженном применении. Например, высоконагруженная деталь, такая как сердечный клапан, может изгибаться миллиард раз за свой срок службы. В качестве этапа важно использовать пескоструйную обработку для увеличения радиуса всех кромок. Но низконагруженные компоненты, такие как системы доставки или направляющие проволоки, часто не требуют обширной постобработки». Что касается дизайнерской экспертизы, объясняет Бренцель, то сейчас до трех четвертей клиентов также пользуются услугами NPX по разработке дизайна, чтобы получить одобрение FDA. Компания очень хорошо умеет превращать концепцию «эскиза на салфетке» в готовый продукт в короткие сроки.
Компания Motion Dynamics (Фрутпорт, Мичиган) — производитель миниатюрных пружин, медицинских катушек и проволочных узлов, изготавливаемых на заказ. Ее миссия — решать проблемы клиентов, какими бы сложными или, казалось бы, неразрешимыми они ни были, в кратчайшие сроки. В сфере медицинских устройств компания в основном специализируется на сложных узлах для нейрососудистой хирургии, включая проектирование, производство и сборку высококачественных проволочных узлов для таких применений, как управляемые катетерные устройства, в том числе узлы типа «проволока для протягивания».
Как уже упоминалось ранее, выбор волоконного или ультракороткоимпульсного лазера — это вопрос инженерных предпочтений, а также типа используемого оборудования и процессов. Крис Уитем, президент Motion Dynamics, пояснил: «Основываясь на бизнес-модели, в значительной степени ориентированной на нейрососудистые изделия, мы можем обеспечить дифференцированные результаты в проектировании, исполнении и обслуживании. Мы используем лазерную резку только для производства компонентов, которые мы используем собственными силами, для изготовления дорогостоящих, «сложных» компонентов, которые стали нашей специализацией и репутацией; мы не предлагаем лазерную резку в качестве контрактной услуги. Мы обнаружили, что большинство лазерных резок, которые мы выполняем, лучше всего делать с помощью ультракороткоимпульсных лазеров, и в течение многих лет я использую StarCut Tube с одним из таких лазеров. Из-за высокого спроса на нашу продукцию у нас две 8-часовые смены в день, иногда даже три смены, и в 2019 году нам необходимо приобрести еще один StarCut Tube для поддержки этого роста. Но на этот раз мы решили использовать одну из новых гибридных моделей фемтосекундных ультракороткоимпульсных лазеров и волоконных лазеров. Мы также подобрали к ней...» Загрузчик/разгрузчик StarFeed позволил нам полностью автоматизировать резку – оператор просто помещает заготовку трубы, труба загружается в подающее устройство, и запускается программное обеспечение для управления изделием.
Рисунок 3. Эта гибкая трубка из нержавеющей стали (показана рядом с ластиком карандаша) была разрезана фемтосекундным лазером Monaco.
Уитем добавляет, что хотя они иногда используют станок для плоской резки, более 95 процентов их времени уходит на создание или модификацию цилиндрических изделий для их управляемых катетерных узлов, а именно гипотрубок, спиралей и катушек, включая резку профилированных наконечников и отверстий. Эти компоненты в конечном итоге используются в таких процедурах, как лечение аневризм и удаление тромбов. Для этого требуется использование лазерных резаков для обработки различных металлов, включая нержавеющую сталь, чистое золото, платину и нитинол.
Рисунок 4. В Motion Dynamics также широко используется лазерная сварка. На рисунке выше катушка приварена к трубе, вырезанной лазером.
Какие существуют варианты лазерной обработки? Уитэм объяснил, что отличное качество кромок и минимальные пропилы имеют решающее значение для большинства их компонентов, поэтому изначально они предпочитали ультразвуковые лазеры. Кроме того, ни один из материалов, используемых компанией, не может быть разрезан этими лазерами, включая крошечные золотые компоненты, используемые в качестве рентгеноконтрастных маркеров в некоторых ее изделиях. Но он добавил, что новые гибридные варианты, включая волоконные лазеры и ультразвуковые лазеры, дают им больше гибкости в оптимизации вопросов скорости/качества кромок. «Нет сомнений, что волоконная оптика может обеспечить более высокие скорости», — сказал он. «Но из-за нашей конкретной области применения это обычно означает какой-либо вид постобработки, такой как химическая и ультразвуковая очистка или электрополировка. Таким образом, наличие гибридного станка позволяет нам выбирать, какой общий процесс — только ультразвук или волоконный лазер и постобработка — оптимален для каждого компонента. Это позволяет нам изучить возможность гибридной обработки одного и того же компонента, особенно там, где задействованы большие диаметры и толщины стенок: даже быстрая резка волоконными лазерами, а затем использование фемтосекундного лазера для тонкой резки». Он ожидает, что лазер USP останется их предпочтительным выбором, поскольку большинство операций лазерной резки выполняется с толщиной стенок от 4 до 6 тысячных дюйма, хотя они также сталкиваются с толщиной стенок от 1 до 20 тысячных дюйма. Трубы из нержавеющей стали толщиной от тысячных дюйма.
В заключение, лазерная резка и сверление являются ключевыми процессами в производстве различных медицинских изделий. Сегодня, благодаря достижениям в области основных лазерных технологий и высокооптимизированным станкам, разработанным с учетом специфических потребностей отрасли, эти процессы стали проще в использовании и обеспечивают лучшие результаты, чем когда-либо прежде.