Túto webovú stránku prevádzkuje jedna alebo viacero spoločností, ktoré vlastní spoločnosť Informa PLC, a všetky autorské práva patria im. Registrovaná adresa spoločnosti Informa PLC je 5 Howick Place, Londýn SW1P 1WG. Registrovaná v Anglicku a Walese. Č. 8860726.
Dnes sa takmer všetko presné laserové rezanie kovov a nekovov vykonáva pomocou nástrojov vybavených vláknovými lasermi alebo lasermi s ultrakrátkymi pulzmi (USP), alebo niekedy oboma. V tomto článku vysvetlíme rôzne výhody týchto dvoch laserov a pozrieme sa, ako obaja výrobcovia tieto lasery používajú. NPX Medical (Plymouth, MN) je zmluvná špecializovaná spracovateľská spoločnosť, ktorá vyrába rôzne zariadenia a nástroje na nasadenie, ako sú stenty, implantáty a flexibilné trubice, pomocou strojov, ktoré obsahujú vláknové lasery. Motion Dynamics vyrába podzostavy, ako napríklad zostavy „ťahacieho drôtu“ používané predovšetkým v neurológii, s využitím stroja, ktorý obsahuje femtosekundový laser USP a jeden z najnovších hybridných systémov vrátane femtosekundových a vláknových laserov pre maximálnu flexibilitu a všestrannosť.
Po mnoho rokov sa väčšina laserového mikroobrábania vykonávala pomocou nanosekundových laserov v pevnej fáze nazývaných DPSS lasery. To sa však teraz úplne zmenilo vďaka vývoju dvoch úplne odlišných, a teda komplementárnych typov laserov. Vláknové lasery, pôvodne vyvinuté pre telekomunikácie, sa vyvinuli na ťažné lasery na spracovanie materiálov v mnohých odvetviach, často na vlnových dĺžkach blízkej infračervenej oblasti. Dôvody ich úspechu spočívajú v ich jednoduchej architektúre a priamočiarej škálovateľnosti výkonu. Výsledkom sú lasery, ktoré sú kompaktné, vysoko spoľahlivé a ľahko sa integrujú do špecializovaných strojov a vo všeobecnosti ponúkajú nižšie náklady na vlastníctvo ako staršie typy laserov. Pre mikroobrábanie je dôležité, že výstupný lúč je možné zaostriť do malého, čistého bodu s priemerom len niekoľkých mikrónov, takže sú ideálne na rezanie, zváranie a vŕtanie s vysokým rozlíšením. Ich výstupy sú tiež veľmi flexibilné a ovládateľné, s frekvenciami impulzov od jedného impulzu do 170 kHz. Spolu so škálovateľným výkonom to podporuje rýchle rezanie a vŕtanie.
Potenciálnou nevýhodou vláknových laserov pri mikroobrábaní je však obrábanie malých prvkov a/alebo tenkých, jemných súčiastok. Dlhé trvanie impulzov (napr. 50 µs) vedie k malému množstvu tepelne ovplyvnenej zóny (HAZ), ako je napríklad preliaty materiál, a malej drsnosti hrán, čo môže vyžadovať určité dodatočné spracovanie. Našťastie novšie lasery – lasery s ultrakrátkymi impulzmi (USP) s femtosekundovými výstupnými impulzmi – problém HAZ eliminujú.
Pri USP laseroch sa väčšina dodatočného tepla spojeného s procesom rezania alebo vŕtania odvádza vo vyvrhovaných troskách skôr, ako stihnú difundovať do okolitého materiálu. USP lasery s pikosekundovým výstupom sa už dlho používajú v mikroobrábacích aplikáciách zahŕňajúcich plasty, polovodiče, keramiku a určité kovy (pikosekundy = 10-12 sekúnd). Ale pri kovových zariadeniach so stĺpikmi veľkosti ľudského vlasu vysoká tepelná vodivosť a malá veľkosť kovu znamenajú, že pikosekundové lasery nie vždy poskytujú lepšie výsledky, ktoré by odôvodňovali zvýšené náklady na skoršie USP lasery. Toto sa teraz zmenilo s príchodom priemyselných femtosekundových laserov (femtosekundy = 10-15 sekúnd). Príkladom je laserová séria Monaco od spoločnosti Coherent Inc. Podobne ako vláknové lasery, ich výstupom je blízke infračervené svetlo, čo znamená, že dokážu rezať alebo vŕtať všetky kovy používané v zdravotníckych pomôckach vrátane nehrdzavejúcej ocele, platiny, zlata, horčíka, kobaltu a chrómu, titánu a ďalších, ako aj nekovov. Zatiaľ čo kombinácia krátkeho trvania impulzu a nízkeho impulzu... energia zabraňuje tepelnému poškodeniu (HAZ), vysoká opakovacia frekvencia (MHz) zaisťuje nákladovo efektívne priepustné rýchlosti pre mnoho vysokohodnotných zdravotníckych pomôcok.
Samozrejme, takmer nikto v našom odvetví nepotrebuje len jeden laser. Namiesto toho potrebujú stroj na báze laseru a v súčasnosti existuje mnoho špecializovaných strojov optimalizovaných na rezanie a vŕtanie zdravotníckych pomôcok. Príkladom je séria StarCut Tube od spoločnosti Coherent, ktorá sa dá použiť s vláknovými lasermi, femtosekundovými lasermi alebo ako hybridná verzia zahŕňajúca oba typy laserov.
Čo znamená špecializácia na zdravotnícke pomôcky? Väčšina týchto zariadení sa vyrába v obmedzených dávkach na základe zákazkových návrhov. Preto sú kľúčovými faktormi flexibilita a jednoduchosť použitia. Zatiaľ čo mnohé zariadenia sa vyrábajú z predvalkov, niektoré komponenty musia byť presne opracované z plochých predvalkov; ten istý stroj musí zvládnuť oboje, aby maximalizoval svoju hodnotu. Tieto potreby sa zvyčajne spĺňajú poskytovaním viacosového CNC riadeného (xyz a rotačný) pohybu a užívateľsky prívetivého HMI pre jednoduché programovanie a ovládanie. V prípade StarCut Tube je nový modul na vkladanie rúrok dodávaný s bočným zásobníkom na vkladanie (nazývaným StarFeed) pre rúrky s dĺžkou do 3 m a triedičom pre narezané produkty, čo umožňuje plne automatizovanú výrobu.
Flexibilitu procesu týchto strojov ďalej zvyšuje podpora mokrého a suchého rezania a ľahko nastaviteľné výtlačné trysky pre procesy vyžadujúce pomocný plyn. Priestorové rozlíšenie je obzvlášť dôležité aj pre obrábanie veľmi malých dielov, čo znamená, že termomechanická stabilita eliminuje účinky vibrácií, s ktorými sa často stretávame v strojárňach. Rad StarCut Tube spĺňa túto potrebu tým, že celé rezné ústrojenstvo je vyrobené z veľkého množstva žulových prvkov.
NPX Medical je pomerne nový zmluvný výrobca, ktorý poskytuje výrobcom zdravotníckych pomôcok služby v oblasti dizajnu, inžinierstva a presného laserového rezania. Spoločnosť, založená v roku 2019, si v tomto odvetví vybudovala reputáciu vďaka kvalitným produktom a rýchlej reakcii. Podporuje širokú škálu zariadení vrátane stentov, implantátov, chlopňových stentov a flexibilných podávacích hadíc pre podobne rozmanité chirurgické zákroky, vrátane neurovaskulárnych, srdcových, renálnych, spinálnych, ortopedických, gynekologických a gastrointestinálnych operácií. Jej hlavným laserovým rezačom je StarCut Tube 2+2 so StarFiber 320FC s priemerným výkonom 200 wattov. Mike Brenzel, jeden zo zakladateľov spoločnosti NPX, vysvetlil, že „zakladatelia prinášajú dlhoročné skúsenosti s návrhom a výrobou zdravotníckych pomôcok – celkovo viac ako 90 rokov“, s predchádzajúcimi skúsenosťami so strojmi podobnými StarCut s použitím vláknových laserov. Veľa našej práce zahŕňa rezanie nitinolom a už vieme, že vláknové lasery dokážu poskytnúť rýchlosť a kvalitu, ktorú potrebujeme. Pre zariadenia, ako sú hrubostenné trubice a srdcové chlopne, potrebujeme rýchlosť a laser USP môže byť pre naše potreby príliš pomalý. Okrem veľkoobjemových výrobných objednávok – Špecializujeme sa na malé série dielov – iba medzi 5 a 150 kusmi – naším cieľom je dokončiť tieto malé série obratu v priebehu niekoľkých dní vrátane návrhu, programovania, rezania, tvarovania, následného spracovania a kontroly, v porovnaní s týždňami po zadaní objednávky u väčších spoločností.“ Okrem rýchlosti Brenzel spomenul ako hlavnú výhodu aj spoľahlivosť stroja, ktorý za posledných 18 mesiacov takmer nepretržitej prevádzky nevyžadoval ani jeden servisný zásah.
Obrázok 2. NPX ponúka rôzne možnosti dodatočného spracovania. Zobrazený materiál je nehrdzavejúca oceľ T316 s vonkajším priemerom 5 mm a hrúbkou steny 0,254 mm. Ľavá časť je rezaná/mikrootryskávaná a pravá časť je elektrolyticky leštená.
Okrem nitinolových dielov spoločnosť vo veľkej miere využíva aj zliatiny kobaltu a chrómu, tantalu, titánu a mnoho druhov nehrdzavejúcich ocelí pre medicínske účely. Jeff Hansen, manažér laserového spracovania, vysvetľuje: „Flexibilita stroja je ďalším dôležitým prínosom, ktorý nám umožňuje podporovať rezanie veľmi rozmanitých materiálov vrátane rúrok a plochých výrobkov. Lúč dokážeme zaostriť na bod s hrúbkou 20 mikrónov, čo je užitočné pre... Tenké rúrky sú veľmi užitočné. Niektoré z týchto rúrok majú vnútorný priemer iba 0,012″ a vysoký pomer špičkového výkonu k priemernému výkonu najnovších vláknových laserov maximalizuje našu rýchlosť rezania a zároveň poskytuje požadovanú kvalitu hrany. Absolútne potrebujeme rýchlosť väčších produktov s vonkajším priemerom až 1 palec.“
Okrem presného rezania a rýchlej odozvy ponúka spoločnosť NPX aj kompletný sortiment technológií následného spracovania, ako aj komplexné dizajnérske služby, ktoré využívajú jej rozsiahle skúsenosti v tomto odvetví. Medzi tieto techniky patrí elektrolytické leštenie, pieskovanie, morenie, laserové zváranie, tepelná fixácia, tvárnenie, pasivácia, testovanie teploty Af a testovanie únavy, čo všetko je kľúčové pre výrobu zariadení z nitinolu. Brenzel povedal, že použitie následného spracovania na kontrolu povrchovej úpravy hrán „zvyčajne závisí od toho, či hovoríme o aplikácii s vysokou alebo nízkou únavou. Napríklad vysoko únavová časť, ako je srdcová chlopňa, sa môže počas svojej životnosti ohnúť miliardkrát. Ako krok je dôležité použiť pieskovanie na zväčšenie polomeru všetkých hrán. Komponenty s nízkou únavou, ako sú zavádzacie systémy alebo vodiace drôty, však často nevyžadujú rozsiahle následné spracovanie.“ Pokiaľ ide o odborné znalosti v oblasti dizajnu, Brenzel vysvetľuje, že v súčasnosti až tri štvrtiny klientov využívajú aj dizajnérske služby spoločnosti NPX, aby využili pomoc a zručnosti spoločnosti NPX pri získavaní schválenia FDA. Spoločnosť je veľmi dobrá v premene konceptu „náčrtu obrúska“ na produkt v jeho finálnej podobe v krátkom čase.
Spoločnosť Motion Dynamics (Fruitport, MI) je výrobcom miniatúrnych pružín, zdravotníckych cievok a drôtených zostáv na mieru, ktorého poslaním je riešiť problémy zákazníkov, bez ohľadu na to, aké sú zložité alebo zdanlivo nemožné, v čo najkratšom čase. V oblasti zdravotníckych pomôcok sa primárne zameriava na komplexné zostavy pre neurovaskulárnu chirurgiu vrátane návrhu, výroby a montáže vysokokvalitných drôtených zostáv pre aplikácie, ako sú napríklad riaditeľné katétrové zariadenia, vrátane zostáv „ťahacieho drôtu“.
Ako už bolo spomenuté, výber vláknového alebo USP laseru je otázkou inžinierskych preferencií, ako aj typu zariadenia a podporovaných procesov. Chris Witham, prezident spoločnosti Motion Dynamics, vysvetlil: „Na základe obchodného modelu, ktorý je vysoko zameraný na neurovaskulárne produkty, dokážeme dosiahnuť diferencované výsledky v oblasti dizajnu, realizácie a služieb. Na výrobu komponentov, ktoré používame interne, používame iba laserové rezanie, na výrobu vysokohodnotných, „náročných“ komponentov, ktoré sa stali našou špecializáciou a reputáciou; laserové rezanie neponúkame ako zmluvnú službu. Zistili sme, že väčšina laserových rezov, ktoré vykonávame, sa najlepšie vykonáva pomocou USP laserov a už mnoho rokov používam trubicu StarCut s jedným z týchto laserov. Vzhľadom na silný dopyt po našich produktoch máme dve 8-hodinové zmeny denne, niekedy dokonca tri zmeny, a v roku 2019 potrebujeme na podporu tohto rastu zaobstarať ďalšiu trubicu StarCut. Tentoraz sme sa však rozhodli pre jeden z nových hybridných modelov femtosekundových USP laserov a vláknových laserov. Taktiež sme ho spárovali s nakladačom/vykladačom StarFeed, aby...“ že by sme mohli rezanie plne automatizovať – operátor jednoducho vloží polotovar. Rúra sa vloží do podávača a spustí sa softvérový operačný program pre daný produkt.
Obrázok 3. Táto flexibilná prívodná trubica z nehrdzavejúcej ocele (zobrazená vedľa gumy na ceruzky) bola vyrezaná femtosekundovým laserom Monaco.
Witham dodáva, že hoci stroj občas používajú na ploché rezanie, viac ako 95 percent svojho času strávia vytváraním alebo úpravou valcovitých výrobkov pre svoje riaditeľné katétrové zostavy, konkrétne hypotrubíc, cievok a špirál, vrátane rezania profilovaných hrotov a vyrezaných otvorov. Tieto komponenty sa nakoniec používajú pri postupoch, ako je oprava aneuryziem a odstraňovanie trombov. To si vyžaduje použitie laserových rezačiek na rôznych kovoch vrátane nehrdzavejúcej ocele, čistého zlata, platiny a nitinolu.
Obrázok 4. Motion Dynamics tiež vo veľkej miere využíva laserové zváranie. Vyššie je znázornená cievka privarená k laserom rezanej trubici.
Aké sú možnosti laserov? Witham vysvetlil, že vynikajúca kvalita hrán a minimálne rezy sú pre väčšinu ich komponentov kritické, takže spočiatku uprednostňovali USP lasery. Okrem toho žiadny z materiálov, ktoré spoločnosť používa, nemožno rezať jedným z týchto laserov, vrátane drobných zlatých komponentov používaných ako rádioopakné značky v niektorých jej produktoch. Dodal však, že nové hybridné možnosti, vrátane vláknových laserov a USP, im poskytujú väčšiu flexibilitu pri optimalizácii problémov s rýchlosťou/kvalitou hrán. „Niet pochýb o tom, že optické vlákna dokážu poskytnúť vyššie rýchlosti,“ povedal. „Ale kvôli nášmu špecifickému zameraniu na aplikácie to zvyčajne znamená nejaký typ dodatočného spracovania, ako je chemické a ultrazvukové čistenie alebo elektrolytické leštenie. Hybridný stroj nám teda umožňuje vybrať si, ktorý celkový proces – samotný USP alebo vlákno a následné spracovanie – je optimálny pre každý komponent. Umožňuje nám preskúmať možnosť hybridného obrábania toho istého komponentu, najmä ak ide o väčšie priemery a hrúbky stien: dokonca aj rýchle rezanie vláknovými lasermi. Potom použiť femtosekundový laser na jemné rezanie.“ Očakáva, že laser USP zostane ich prvou voľbou, pretože väčšina ich laserových rezov zahŕňa hrúbku steny medzi 4 a 6 tisíc, hoci sa stretávajú s hrúbkou steny od 1 do 20 tisíc. Rúry z nehrdzavejúcej ocele medzi tisíc.
Záverom možno povedať, že laserové rezanie a vŕtanie sú kľúčové procesy pri výrobe rôznych zdravotníckych pomôcok. Dnes sú tieto procesy vďaka pokroku v technológii základných laserov a vysoko optimalizovaným strojom konfigurovaným pre špecifické potreby priemyslu jednoduchšie na používanie a prinášajú lepšie výsledky ako kedykoľvek predtým.