To spletno mesto upravlja eno ali več podjetij v lasti podjetja Informa PLC in vse avtorske pravice so v njihovi lasti. Registrirani sedež podjetja Informa PLC je na naslovu 5 Howick Place, London SW1P 1WG. Registrirano v Angliji in Walesu. Številka 8860726.
Danes se skoraj vse precizno lasersko rezanje kovin in nekovin izvaja z orodji, opremljenimi z vlakenskimi laserji ali ultrakratkimi impulznimi (USP) laserji, včasih pa z obema. V tem članku bomo razložili različne prednosti obeh laserjev in si ogledali, kako oba proizvajalca uporabljata te laserje. NPX Medical (Plymouth, MN) je specializirano pogodbeno predelovalno podjetje, ki izdeluje različne naprave in orodja za uvajanje, kot so stenti, vsadki in fleksibilne cevi, z uporabo strojev, ki vključujejo vlakenske laserje. Motion Dynamics izdeluje podsestave, kot so sklopi "vlečne žice", ki se uporabljajo predvsem v nevrologiji, z uporabo stroja, ki vključuje femtosekundni laser USP in enega najnovejših hibridnih sistemov, vključno s femtosekundnimi in vlakenskimi laserji za maksimalno prilagodljivost in vsestranskost.
Dolga leta se je večina laserske mikroobdelave izvajala z uporabo trdnih nanosekundnih laserjev, imenovanih DPSS laserji. Vendar se je to zdaj popolnoma spremenilo zaradi razvoja dveh popolnoma različnih in zato komplementarnih vrst laserjev. Vlaken laserji, prvotno razviti za telekomunikacije, so se razvili v delovne laserje za obdelavo materialov v številnih panogah, pogosto na valovnih dolžinah bližnje infrardeče svetlobe. Razlogi za njihov uspeh so v preprosti arhitekturi in enostavni skalabilnosti moči. To ima za posledico laserje, ki so kompaktni, zelo zanesljivi in ​​jih je enostavno integrirati v specializirane stroje, na splošno pa ponujajo nižje stroške lastništva kot starejši tipi laserjev. Pomembno za mikroobdelavo je, da se izhodni žarek lahko usmeri v majhno, čisto mesto s premerom le nekaj mikronov, zato so idealni za rezanje, varjenje in vrtanje z visoko ločljivostjo. Njihovi izhodi so tudi zelo prilagodljivi in ​​nadzorovani, s hitrostjo impulzov od enega samega impulza do 170 kHz. Skupaj s skalabilno močjo to podpira hitro rezanje in vrtanje.
Vendar pa je potencialna pomanjkljivost vlakenskih laserjev pri mikroobdelavi obdelava majhnih elementov in/ali tankih, občutljivih delov. Dolgo trajanje impulzov (npr. 50 µs) povzroči majhno količino območja vpliva toplote (HAZ), kot je ponovno ulit material, in majhno hrapavost robov, kar lahko zahteva nekaj naknadne obdelave. Na srečo novejši laserji – laserji z ultra kratkimi impulzi (USP) s femtosekundnimi izhodnimi impulzi – odpravljajo težavo HAZ.
Pri USP laserjih se večina dodatne toplote, povezane s procesom rezanja ali vrtanja, odnese v izmetnih delcih, preden se ti lahko razpršijo v okoliški material. USP laserji s pikosekundnim izhodom se že dolgo uporabljajo v mikroobdelavi plastike, polprevodnikov, keramike in nekaterih kovin (pikosekunde = 10-12 sekund). Toda pri kovinskih napravah s stebri v velikosti človeškega lasu visoka toplotna prevodnost in majhna velikost kovine pomenita, da pikosekundni laserji ne zagotavljajo vedno boljših rezultatov, ki bi upravičili višje stroške prejšnjih USP laserjev. To se je zdaj spremenilo s prihodom industrijskih femtosekundnih laserjev (femtosekunda = 10-15 sekund). Primer je serija laserjev Monaco podjetja Coherent Inc. Tako kot vlakenski laserji je njihov izhod svetloba bližnje infrardeče svetlobe, kar pomeni, da lahko režejo ali vrtajo vse kovine, ki se uporabljajo v medicinskih pripomočkih, vključno z nerjavnim jeklom, platino, zlatom, magnezijem, kobaltom-kromom, titanom in drugimi, pa tudi nekovinami. Medtem ko kombinacija kratkega trajanja impulza in nizkega impulza energija preprečuje toplotne poškodbe (HAZ), visoka (MHz) hitrost ponovitve zagotavlja stroškovno učinkovite pretočne hitrosti za številne dragocene medicinske pripomočke.
Seveda skoraj nihče v naši industriji ne potrebuje samo enega laserja. Namesto tega potrebujejo stroj na osnovi laserja, in zdaj obstaja veliko specializiranih strojev, optimiziranih za rezanje in vrtanje medicinskih pripomočkov. Primer je serija StarCut Tube podjetja Coherent, ki se lahko uporablja z vlaknenimi laserji, femtosekundnimi laserji ali kot hibridna različica, ki vključuje obe vrsti laserjev.
Kaj pomeni specializacija za medicinske pripomočke? Večina teh naprav se proizvaja v omejenih serijah na podlagi zasnov po meri. Zato sta ključna dejavnika prilagodljivost in enostavnost uporabe. Medtem ko je veliko naprav izdelanih iz gredic, je treba nekatere komponente natančno obdelati iz ravnih gredic; isti stroj mora obvladovati oboje, da poveča svojo vrednost. Te potrebe so običajno zadovoljene z zagotavljanjem večosnega CNC krmiljenega (xyz in rotacijsko) gibanja in uporabniku prijaznega HMI za preprosto programiranje in nadzor. V primeru StarCut Tube je nova možnost modula za nalaganje cevi opremljena s stranskim nakladalnim magazinom (imenovanim StarFeed) za cevi dolžine do 3 m in sortirnikom za rezane izdelke, kar omogoča popolnoma avtomatizirano proizvodnjo.
Prilagodljivost procesov teh strojev je dodatno izboljšana s podporo za mokro in suho rezanje ter enostavno nastavljivimi dovodnimi šobami za procese, ki zahtevajo pomožni plin. Prostorska ločljivost je še posebej pomembna tudi za obdelavo zelo majhnih delov, kar pomeni, da termomehanska stabilnost odpravlja učinke vibracij, s katerimi se pogosto srečujemo v strojnih delavnicah. Serija StarCut Tube izpolnjuje to potrebo tako, da celotno rezalno ploščad izdela z velikim številom granitnih elementov.
NPX Medical je dokaj nov pogodbeni proizvajalec, ki proizvajalcem medicinskih pripomočkov zagotavlja storitve načrtovanja, inženiringa in preciznega laserskega rezanja. Podjetje, ustanovljeno leta 2019, si je v industriji ustvarilo sloves kakovostnih izdelkov in odzivnosti, saj podpira široko paleto naprav, vključno s stenti, vsadki, stenti za zaklopke in fleksibilnimi dostavnimi cevmi za podobno raznolike kirurške posege, vključno z nevrovaskularnimi, srčnimi, ledvičnimi, hrbteničnimi, ortopedskimi, ginekološkimi in gastrointestinalnimi posegi. Njihov glavni laserski rezalnik je StarCut Tube 2+2 s StarFiber 320FC s povprečno močjo 200 vatov. Mike Brenzel, eden od ustanoviteljev NPX, je pojasnil, da »ustanovitelji prinašajo dolgoletne izkušnje z načrtovanjem in proizvodnjo medicinskih pripomočkov – skupaj več kot 90 let«, s predhodnimi izkušnjami s stroji, podobnimi StarCutu, ki uporabljajo vlakenske laserje. Veliko našega dela vključuje rezanje z nitinolom in že vemo, da lahko vlakenski laserji zagotovijo hitrost in kakovost, ki jo potrebujemo. Za naprave, kot so debelostenske cevi in ​​srčne zaklopke, potrebujemo hitrost, USP laser pa je morda prepočasen za naše potrebe. Poleg naročil za veliko količino – Specializirani smo za majhne serije delov – le med 5 in 150 kosi – naš cilj je, da te manjše serije obdelave zaključimo v le nekaj dneh, vključno z načrtovanjem, programiranjem, rezanjem, oblikovanjem, naknadno obdelavo in pregledom, v primerjavi s tedni po oddaji naročila pri večjih podjetjih.« Brenzel je poleg hitrosti kot glavno prednost omenil tudi zanesljivost stroja, saj v zadnjih 18 mesecih skoraj neprekinjenega delovanja ni bilo potrebno niti enega servisnega klica.
Slika 2. NPX ponuja različne možnosti naknadne obdelave. Prikazani material je nerjaveče jeklo T316 z zunanjim premerom 5 mm in debelino stene 0,254 mm. Levi del je rezan/mikropeskan, desni del pa elektropoliran.
Poleg nitinolnih delov podjetje v veliki meri uporablja tudi kobaltovo-kromove zlitine, tantalove zlitine, titanove zlitine in številne vrste medicinskih nerjavnih jekel. Jeff Hansen, vodja laserske obdelave, pojasnjuje: »Prilagodljivost stroja je še ena pomembna prednost, ki nam omogoča rezanje zelo raznolikih materialov, vključno s cevmi in ploščatimi deli. Žarek lahko usmerimo na mesto velikosti 20 mikronov, kar je uporabno za bolj tanke cevi. Nekatere od teh cevi imajo notranji premer le 0,012 palca, visoko razmerje med največjo močjo in povprečno močjo najnovejših vlakenskih laserjev pa maksimizira našo hitrost rezanja, hkrati pa zagotavlja želeno kakovost robov. Nujno potrebujemo hitrost večjih izdelkov z zunanjim premerom do 1 palca.«
Poleg natančnega rezanja in hitrega odziva NPX ponuja tudi celotno paleto tehnologij naknadne obdelave ter celovite storitve oblikovanja, ki izkoriščajo njegove bogate izkušnje v industriji. Te tehnike vključujejo elektropoliranje, peskanje, dekapiranje, lasersko varjenje, toplotno utrjevanje, oblikovanje, pasivizacijo, testiranje temperature Af in testiranje utrujenosti, kar je vse ključno za izdelavo naprav Nitinol. Uporaba naknadne obdelave za nadzor končne obdelave robov, je dejal Brenzel, »običajno odvisna od tega, ali govorimo o aplikaciji z visoko ali nizko utrujenostjo. Na primer, del z visoko utrujenostjo, kot je srčna zaklopka, se lahko v svoji življenjski dobi kot naknadna obdelava upogne milijardokrat. Kot korak je pomembno uporabiti peskanje za povečanje polmera vseh robov. Vendar komponente z nizko utrujenostjo, kot so dostavni sistemi ali vodilne žice, pogosto ne zahtevajo obsežne naknadne obdelave.« Kar zadeva strokovno znanje na področju oblikovanja, Brenzel pojasnjuje, da zdaj kar tri četrtine strank uporablja njihove oblikovalske storitve, da bi izkoristile pomoč in znanje NPX pri pridobivanju odobritve FDA. Podjetje je zelo dobro v tem, da koncept "skice prtička" v kratkem času spremeni v končni izdelek.
Motion Dynamics (Fruitport, MI) je proizvajalec miniaturnih vzmeti po meri, medicinskih tuljav in žičnih sklopov, katerega poslanstvo je reševanje težav strank, ne glede na to, kako zapletene ali na videz nemogoče so, v najkrajšem možnem času. Pri medicinskih pripomočkih daje poudarek predvsem kompleksnim sklopom za nevrovaskularno kirurgijo, vključno z načrtovanjem, proizvodnjo in sestavljanjem visokokakovostnih žičnih sklopov za aplikacije, kot so vodljive katetrske naprave, vključno s sklopi "vlečne žice".
Kot smo že omenili, je izbira vlakenskega ali USP laserja stvar inženirskih preferenc, pa tudi vrste opreme in podprtih procesov. Chris Witham, predsednik podjetja Motion Dynamics, je pojasnil: »Na podlagi poslovnega modela, ki je močno osredotočen na nevrovaskularne izdelke, lahko dosežemo različne rezultate pri načrtovanju, izvedbi in storitvah. Lasersko rezanje uporabljamo samo za izdelavo komponent, ki jih uporabljamo interno, za izdelavo visokovrednih, »težavnih« komponent, ki so postale naša specialnost in ugled; laserskega rezanja ne ponujamo kot pogodbene storitve. Ugotovili smo, da je večino laserskih rezov, ki jih izvajamo, najbolje opraviti z USP laserji, in že vrsto let uporabljam cev StarCut z enim od teh laserjev. Zaradi velikega povpraševanja po naših izdelkih imamo dve 8-urni izmeni na dan, včasih celo tri izmene, in leta 2019 moramo pridobiti še eno cev StarCut, da bi podprli to rast. Tokrat pa smo se odločili za enega od novih hibridnih modelov femtosekundnih USP laserjev in vlakenskih laserjev. Povezali smo ga tudi z nakladalnikom/razkladalnikom StarFeed, da ...« da bi lahko rezanje popolnoma avtomatizirali – operater bi preprosto vstavil surovec. Cev se naloži v podajalnik in zažene se programska oprema za izdelek.
Slika 3. Ta fleksibilna dovodna cev iz nerjavečega jekla (prikazana poleg radirke) je bila razrezana z Monaco femtosekundnim laserjem.
Witham dodaja, da čeprav stroj občasno uporabljajo za ravno rezanje, več kot 95 odstotkov svojega časa porabijo za ustvarjanje ali spreminjanje valjastih izdelkov za svoje vodljive katetre, in sicer hipotube, tuljave in spirale, vključno z rezanjem profiliranih konic in izrezanimi luknjami. Te komponente se na koncu uporabljajo v postopkih, kot sta popravilo anevrizme in odstranjevanje trombov. To zahteva uporabo laserskih rezalnikov za različne kovine, vključno z nerjavnim jeklom, čistim zlatom, platino in nitinolom.
Slika 4. Tudi Motion Dynamics pogosto uporablja lasersko varjenje. Zgoraj je tuljava privarjena na lasersko razrezano cev.
Katere so laserske možnosti? Witham je pojasnil, da sta odlična kakovost robov in minimalni rezi ključnega pomena za večino njihovih komponent, zato so sprva dali prednost USP laserjem. Poleg tega nobenega od materialov, ki jih podjetje uporablja, ni mogoče rezati z enim od teh laserjev, vključno z drobnimi zlatimi komponentami, ki se uporabljajo kot radioopakni označevalci v nekaterih njihovih izdelkih. Dodal pa je, da jim nove hibridne možnosti, vključno z vlaknenimi laserji in USP, dajejo večjo fleksibilnost pri optimizaciji vprašanj hitrosti/kakovosti robov. »Ni dvoma, da lahko optična vlakna zagotavljajo višje hitrosti,« je dejal. »Toda zaradi našega posebnega osredotočenosti na uporabo to običajno pomeni neko vrsto naknadne obdelave, kot je kemično in ultrazvočno čiščenje ali elektropoliranje. Hibridni stroj nam torej omogoča, da izberemo, kateri celoten postopek – samo USP ali vlakna in naknadna obdelava – je optimalen za vsako komponento. Omogoča nam, da raziščemo možnost hibridne obdelave iste komponente, zlasti pri večjih premerih in debelinah sten: celo hitro rezanje z vlaknenimi laserji, nato pa za fino rezanje uporabimo femtosekundni laser.« Pričakuje, da bo laser USP ostal njihova prva izbira, saj večina njihovih laserskih rezov vključuje debeline sten med 4 in 6 tisoč, čeprav se srečujejo z debelinami sten od 1 do 20 tisoč. Cevi iz nerjavečega jekla med tisoč.
Skratka, lasersko rezanje in vrtanje sta ključna procesa pri izdelavi različnih medicinskih pripomočkov. Danes so ti procesi, zahvaljujoč napredku v tehnologiji osnovnih laserjev in visoko optimiziranim strojem, konfiguriranim za posebne potrebe industrije, lažji za uporabo in zagotavljajo boljše rezultate kot kdaj koli prej.