Denna webbplats drivs av ett eller flera företag som ägs av Informa PLC och alla upphovsrätter ägs av dem. Informa PLC:s registrerade kontor är 5 Howick Place, London SW1P 1WG. Registrerat i England och Wales, nr 8860726.
Idag utförs nästan all precisionslaserskärning av metaller och icke-metaller med hjälp av verktyg utrustade med fiberlasrar eller ultrakorta pulslasrar (USP), eller ibland båda. I den här artikeln kommer vi att förklara de olika fördelarna med de två lasrarna och se hur båda tillverkarna använder dessa lasrar. NPX Medical (Plymouth, MN) är ett kontraktsföretag för specialbearbetning som tillverkar en mängd olika enheter och implementeringsverktyg, såsom stentar, implantat och flexibla slangar, med hjälp av maskiner som innehåller fiberlasrar. Motion Dynamics tillverkar delenheter, såsom "dragtrådsenheter" som främst används inom neurologi, med hjälp av en maskin som inkluderar en USP-femtosekundlaser och ett av de senaste hybridsystemen inklusive femtosekund- och fiberlasrar för maximal flexibilitet och mångsidighet.
Under många år har den mesta lasermikrobearbetningen utförts med hjälp av fasta nanosekunderlasrar som kallas DPSS-lasrar. Detta har dock nu helt förändrats tack vare utvecklingen av två helt olika, och därför kompletterande, lasertyper. Ursprungligen utvecklade för telekommunikation, har fiberlasrar mognat till arbetshästar för materialbearbetning i många industrier, ofta vid nära-infraröda våglängder. Anledningarna till dess framgång ligger i dess enkla arkitektur och okomplicerade skalbarhet. Detta resulterar i lasrar som är kompakta, mycket tillförlitliga och enkla att integrera i specialiserade maskiner, och generellt erbjuder en lägre ägandekostnad än äldre lasertyper. Viktigt för mikrobearbetning är att utgångsstrålen kan fokuseras till en liten, ren fläck med bara några få mikrometer i diameter, så de är idealiska för högupplöst skärning, svetsning och borrning. Deras utgångar är också mycket flexibla och kontrollerbara, med pulsfrekvenser från enstaka skott till 170 kHz. Tillsammans med skalbar effekt stöder detta snabb skärning och borrning.
En potentiell nackdel med fiberlasrar vid mikrobearbetning är dock bearbetningen av små detaljer och/eller tunna, ömtåliga delar. Långa pulstider (t.ex. 50 µs) resulterar i en liten mängd värmepåverkad zon (HAZ) såsom omgjutet material och liten kantjämnhet, vilket kan kräva viss efterbehandling. Lyckligtvis eliminerar nyare lasrar – ultrakorta pulslasrar (USP) med femtosekundutgångspulser – problemet med värmepåverkad zon.
Med USP-lasrar transporteras det mesta av den extra värme som är förknippad med skär- eller borrprocessen bort i det utkastade skräpet innan det hinner diffundera in i det omgivande materialet. USP-lasrar med pikosekunder har länge använts i mikrobearbetningsapplikationer som involverar plast, halvledare, keramik och vissa metaller (pikosekunder = 10–12 sekunder). Men för metallanordningar med pelare stora som ett mänskligt hårstrå innebär metallens höga värmeledningsförmåga och lilla storlek att pikosekunderlasrar inte alltid ger de förbättrade resultat som skulle motivera den ökade kostnaden för tidigare USP-lasrar. Detta har nu förändrats med tillkomsten av femtosekundlasrar av industriell kvalitet (femtosekund = 10–15 sekunder). Ett exempel är Coherent Inc.:s Monaco-serie av lasrar. Liksom fiberlasrar är deras utmatning nära infrarött ljus, vilket innebär att de kan skära eller borra alla metaller som används i medicintekniska produkter, inklusive rostfritt stål, platina, guld, magnesium, kobolt-krom, titan med mera, såväl som icke-metaller. Medan kombinationen av kort pulslängd och låg puls energi förhindrar termisk skada (HAZ), den höga (MHz) repetitionsfrekvensen säkerställer kostnadseffektiva genomströmningshastigheter för många högvärdiga medicintekniska produkter.
Naturligtvis behöver nästan ingen i vår bransch bara en laser. Istället behöver de en laserbaserad maskin, och det finns nu många specialiserade maskiner optimerade för skärning och borrning av medicintekniska produkter. Ett exempel är Coherents StarCut Tube-serie, som kan användas med fiberlasrar, femtosekundlasrar eller som en hybridversion som innehåller båda lasertyperna.
Vad innebär specialisering av medicintekniska produkter? De flesta av dessa produkter tillverkas i begränsade serier baserat på anpassade konstruktioner. Därför är flexibilitet och användarvänlighet viktiga faktorer. Medan många produkter tillverkas av ämnen, måste vissa komponenter precisionsbearbetas från plana ämnen; samma maskin måste hantera båda för att maximera sitt värde. Dessa behov tillgodoses vanligtvis genom att tillhandahålla fleraxlig CNC-styrd (xyz och roterande) rörelse och ett användarvänligt HMI för enkel programmering och styrning. När det gäller StarCut Tube levereras ett nytt rörladdningsmodulalternativ med ett sidladdningsmagasin (kallat StarFeed) för rör upp till 3 m långa och en sorterare för skurna produkter, vilket möjliggör helt automatiserad produktion.
Processflexibiliteten hos dessa maskiner förbättras ytterligare genom stöd för våt- och torrskärning och lätt justerbara tillförselmunstycken för processer som kräver hjälpgas. Rumslig upplösning är också särskilt viktig för bearbetning av mycket små delar, vilket innebär att termomekanisk stabilitet eliminerar de vibrationseffekter som ofta uppstår i verkstäder. StarCut Tube-serien möter detta behov genom att bygga hela skärdäcket med ett stort antal granitelement.
NPX Medical är en relativt ny kontraktstillverkare som tillhandahåller design-, konstruktions- och precisionslaserskärningstjänster till tillverkare av medicintekniska produkter. Företaget grundades 2019 och har byggt upp ett rykte i branschen för kvalitetsprodukter och snabba svarstider, och stöder ett brett utbud av enheter inklusive stentar, implantat, klaffstentar och flexibla leveransrör för liknande olika kirurgiska ingrepp, inklusive neurovaskulär, hjärt-, njur-, rygg-, ortopedisk, gynekologisk och gastrointestinal kirurgi. Dess huvudsakliga laserskärare är StarCut Tube 2+2 med en StarFiber 320FC med en genomsnittlig effekt på 200 watt. Mike Brenzel, en av NPX:s grundare, förklarade att "grundarna har många års erfarenhet av design och tillverkning av medicintekniska produkter - mer än 90 år totalt", med tidigare erfarenhet av StarCut-liknande maskiner som använder fiberlasrar. Mycket av vårt arbete involverar nitinolskärning och vi vet redan att fiberlasrar kan ge den hastighet och kvalitet vi behöver. För enheter som tjockväggiga rör och hjärtklaffar behöver vi hastighet, och USP-lasern kan vara för långsam för våra behov. Utöver produktionsorder i hög volym – vi specialiserar oss på små partier av delar – endast mellan 5 och 150 stycken – vårt mål är att slutföra dessa små partiomsättningar på bara några dagar, inklusive design, programmering, skärning, formning, efterbehandling och inspektion, jämfört med veckorna efter att en beställning har lagts för större företag.” Förutom att nämna hastighet nämnde Brenzel maskinens tillförlitlighet som en stor fördel, eftersom den inte krävde ett enda servicebesök under de senaste 18 månaderna av nästan kontinuerlig drift.
Figur 2. NPX erbjuder en mängd olika efterbehandlingsalternativ. Materialet som visas här är rostfritt stål T316 med en ytterdiameter på 5 mm och en väggtjocklek på 0,254 mm. Den vänstra delen är skuren/mikroblästrad och den högra delen är elektropolerad.
Förutom nitinoldelar använder företaget även i stor utsträckning kobolt-kromlegeringar, tantallegeringar, titanlegeringar och många typer av medicinska rostfria stål. Jeff Hansen, laserbearbetningschef, förklarar: ”Maskinflexibilitet är en annan viktig tillgång som gör att vi kan stödja skärning av en mycket varierad mängd material, inklusive rör och platta. Vi kan fokusera strålen ner till en 20-mikronpunkt, vilket är användbart för mer Tunna rör är mycket användbara. Vissa av dessa rör har bara en innerdiameter på 0,012 tum, och det höga förhållandet mellan toppeffekt och genomsnittlig effekt hos de senaste fiberlasrarna maximerar vår skärhastighet samtidigt som vi fortfarande ger önskad eggkvalitet. Vi behöver absolut hastigheten hos större produkter med en ytterdiameter på upp till 1 tum.”
Förutom precisionsskärning och snabba svar erbjuder NPX även ett komplett utbud av efterbehandlingstekniker, samt omfattande designtjänster som utnyttjar deras omfattande erfarenhet inom branschen. Dessa tekniker inkluderar elektropolering, sandblästring, betning, lasersvetsning, värmehärdning, formning, passivering, Af-temperaturtestning och utmattningstestning, vilka alla är nyckeln till tillverkning av Nitinol-enheter. Att använda efterbehandling för att kontrollera kantfinishen, sa Brenzel, "beror vanligtvis på om vi pratar om en applikation med hög eller låg utmattning. Till exempel kan en del med hög utmattning, som en hjärtklaff, böjas en miljard gånger under sin livstid som efterbehandling. Som ett steg är det viktigt att använda sandblästring för att öka radien på alla kanter. Men komponenter med låg utmattning, som leveranssystem eller styrtrådar, kräver ofta inte omfattande efterbehandling." När det gäller designexpertis, förklarar Brenzel, finns det nu så många som ... Tre fjärdedelar av kunderna använder också deras designtjänster för att dra nytta av NPX:s hjälp och kompetens för att få FDA-godkännande. Företaget är mycket bra på att förvandla "servettskiss"-konceptet till en produkt i sin slutliga form på kort tid.
Motion Dynamics (Fruitport, MI) är en tillverkare av specialanpassade miniatyrfjädrar, medicinska spolar och trådaggregat vars uppdrag är att lösa kundernas problem, oavsett hur komplexa eller till synes omöjliga de är, på kortast möjliga tid. Inom medicintekniska produkter betonar företaget främst komplexa enheter för neurovaskulär kirurgi, inklusive design, produktion och montering av högkvalitativa trådaggregat för tillämpningar som styrbara kateteranordningar, inklusive "dragtrådsenheter".
Som tidigare nämnts är valet av fiber- eller USP-laser en fråga om tekniska preferenser såväl som vilken typ av utrustning och processer som stöds. Chris Witham, VD för Motion Dynamics, förklarade: ”Baserat på en affärsmodell som är starkt fokuserad på neurovaskulära produkter kan vi leverera differentierade resultat inom design, utförande och service. Vi använder endast laserskärning för att producera de komponenter vi använder internt, för att tillverka de högvärdiga, ”svåra” komponenterna som har blivit vår specialitet och vårt rykte; vi erbjuder inte laserskärning som en kontraktstjänst. Vi har funnit att de flesta laserskärningar vi utför bäst görs med USP-lasrar, och i många år har jag använt ett StarCut Tube med en av dessa lasrar. På grund av den starka efterfrågan på våra produkter har vi två 8-timmarsskift om dagen, ibland till och med treskift, och under 2019 behöver vi förvärva ytterligare ett StarCut Tube för att stödja denna tillväxt. Men den här gången bestämde vi oss för att gå med en av de nya hybridmodellerna av femtosekund USP-lasrar och fiberlasrar. Vi parade den också ihop med en StarFeed-lastare/avlastare så att vi kunde helt automatisera skärningen – operatören lägger helt enkelt i ämnet. Röret laddas i mataren och programvaran för produkten startas.
Figur 3. Detta flexibla tillförselsrör i rostfritt stål (visas bredvid ett suddgummi) har skurits med en Monaco femtosekundlaser.
Witham tillägger att även om de ibland använder maskinen för planskärning, så ägnas mer än 95 procent av deras tid åt att skapa eller modifiera cylindriska produkter för sina styrbara kateteraggregat, nämligen hypotuber, spolar och spiraler, inklusive skärning av profilerade spetsar och hål. Dessa komponenter används slutligen i procedurer som aneurysmreparation och trombborttagning. Detta kräver användning av laserskärare på en mängd olika metaller, inklusive rostfritt stål, rent guld, platina och nitinol.
Figur 4. Motion Dynamics använder även lasersvetsning i stor utsträckning. Ovan har spolen svetsats fast på det laserskurna röret.
Vilka laseralternativ finns det? Witham förklarade att utmärkt kantkvalitet och minimala skärsnitt är avgörande för de flesta av deras komponenter, så de föredrog initialt USP-lasrar. Dessutom kan inget av de material som företaget använder skäras av någon av dessa lasrar, inklusive de små guldkomponenterna som används som radiopaka markörer i vissa av deras produkter. Men han tillade att nya hybridalternativ, inklusive fiberlasrar och USP, ger dem mer flexibilitet i att optimera hastighets-/kantkvalitetsproblem. ”Det råder ingen tvekan om att fiberoptik kan ge högre hastigheter”, sa han. ”Men på grund av vårt specifika applikationsfokus innebär detta vanligtvis någon typ av efterbehandling, såsom kemisk och ultraljudsrengöring eller elektropolering. Så att ha en hybridmaskin gör att vi kan välja vilken övergripande process – enbart USP eller fiber- och efterbehandlingshantering – som är optimal för varje komponent. Det gör att vi kan utforska möjligheten till hybridbearbetning av samma komponent, särskilt där större diametrar och väggtjocklekar är inblandade: även snabb skärning med fiberlasrar. Använd sedan en femtosekundlaser för finskärning.” Han förväntar sig att USP-lasern kommer att förbli deras förstaval eftersom de flesta av deras laserskärningar innebär väggtjocklekar mellan 4 och 6 tusen, även om de stöter på väggtjocklekar från 1–20 tusen. Rostfria stålrör mellan tusen.
Sammanfattningsvis är laserskärning och borrning viktiga processer vid tillverkning av olika medicintekniska produkter. Idag, tack vare framsteg inom kärnlaserteknik och mycket optimerade maskiner konfigurerade för branschens specifika behov, är dessa processer enklare att använda och ger bättre resultat än någonsin tidigare.