Цей веб-сайт управляється одним або кількома компаніями, що належать Informa PLC, і всі авторські права належать їм. Зареєстрований офіс Informa PLC знаходиться за адресою: 5 Howick Place, London SW1P 1WG. Зареєстровано в Англії та Уельсі. № 8860726.
Сьогодні майже все прецизійне лазерне різання металів і неметалів виконується за допомогою інструментів, оснащених волоконними лазерами або лазерами ультракоротких імпульсів (USP), або іноді обома. У цій статті ми пояснимо різні переваги цих двох лазерів і розглянемо, як обидва виробники використовують ці лазери. NPX Medical (Плімут, Міннесота) – це контрактна спеціалізована обробна компанія, яка виробляє різноманітні пристрої та інструменти розгортання, такі як стенти, імплантати та гнучкі трубки, використовуючи машини, що містять волоконні лазери. Motion Dynamics виробляє підвузли, такі як вузли «тягнучого дроту», що в основному використовуються в неврології, використовуючи машину, що включає фемтосекундний лазер USP та одну з найновіших гібридних систем, включаючи фемтосекундні та волоконні лазери, для максимальної гнучкості та універсальності.
Протягом багатьох років більшість лазерної мікрообробки виконувалася за допомогою твердотільних наносекундних лазерів, які називаються DPSS-лазерами. Однак зараз це повністю змінилося завдяки розробці двох абсолютно різних, а отже, взаємодоповнюючих типів лазерів. Спочатку розроблені для телекомунікацій, волоконні лазери перетворилися на робочі лазери для обробки матеріалів у багатьох галузях промисловості, часто на довжинах хвиль ближнього інфрачервоного діапазону. Причини їхнього успіху криються в простій архітектурі та простій масштабованості потужності. Це призводить до появи лазерів, які є компактними, високонадійними та легко інтегруються в спеціалізовані машини, і загалом пропонують нижчу вартість володіння, ніж старіші типи лазерів. Важливо, що для мікрообробки вихідний промінь може бути сфокусований у невелику, чисту пляму діаметром лише кілька мікронів, тому вони ідеально підходять для різання, зварювання та свердління з високою роздільною здатністю. Їхні вихідні сигнали також дуже гнучкі та керовані, з частотою імпульсів від одного імпульсу до 170 кГц. Поряд із масштабованою потужністю, це підтримує швидке різання та свердління.
Однак потенційним недоліком волоконних лазерів у мікрообробці є обробка дрібних елементів та/або тонких, делікатних деталей. Тривалі імпульси (наприклад, 50 мкс) призводять до невеликої кількості зони термічного впливу (ЗТВ), такої як переплавлений матеріал, та невеликої шорсткості кромок, що може вимагати певної постобробки. На щастя, новіші лазери — лазери з ультракороткими імпульсами (УКІ) з фемтосекундними вихідними імпульсами — усувають проблему ЗТВ.
У лазерах USP більша частина додаткового тепла, пов'язаного з процесом різання або свердління, виводиться у викиданих уламках, перш ніж вони встигають дифундувати в навколишній матеріал. Лазери USP з пікосекундною потужністю вже давно використовуються в мікрообробці пластмас, напівпровідників, кераміки та деяких металів (пікосекунди = 10-12 секунд). Але для металевих пристроїв зі стовпчиками розміром з людську волосину висока теплопровідність металу та його крихітний розмір означають, що пікосекундні лазери не завжди забезпечують покращені результати, які б виправдали підвищену вартість попередніх лазерів USP. Тепер це змінилося з появою фемтосекундних лазерів промислового класу (фемтосекунда = 10-15 секунд). Прикладом є лазери серії Monaco компанії Coherent Inc. Як і волоконні лазери, їх вихідна потужність - це ближнє інфрачервоне світло, що означає, що вони можуть різати або свердлити всі метали, що використовуються в медичних пристроях, включаючи нержавіючу сталь, платину, золото, магній, кобальт-хром, титан тощо, а також неметали. Хоча поєднання короткої тривалості імпульсу та низького імпульсу... енергія запобігає термічному пошкодженню (HAZ), висока частота повторення (MHz) забезпечує економічно ефективну пропускну здатність для багатьох цінних медичних пристроїв.
Звичайно, майже нікому в нашій галузі не потрібен лише один лазер. Натомість їм потрібен лазерний верстат, і зараз існує багато спеціалізованих верстатів, оптимізованих для різання та свердління медичних пристроїв. Прикладом є серія StarCut Tube від Coherent, яку можна використовувати з волоконними лазерами, фемтосекундними лазерами або як гібридну версію, що поєднує обидва типи лазерів.
Що означає спеціалізація на медичних виробах? Більшість цих пристроїв виробляються обмеженими партіями на основі індивідуальних конструкцій. Тому гнучкість та простота використання є ключовими міркуваннями. Хоча багато пристроїв виготовляються із заготовок, деякі компоненти повинні бути точно виготовлені з плоских заготовок; один і той самий верстат повинен обробляти обидва ці фактори, щоб максимізувати свою цінність. Ці потреби зазвичай задовольняються шляхом забезпечення багатоосьового керування ЧПК (xyz та обертання) рухом та зручного HMI для простого програмування та керування. У випадку StarCut Tube новий модуль завантаження труб постачається з боковим магазином завантаження (так званим StarFeed) для труб довжиною до 3 м та сортувальником для нарізаних виробів, що дозволяє повністю автоматизувати виробництво.
Гнучкість процесу цих машин ще більше підвищується завдяки підтримці мокрого та сухого різання та легко регульованим подавальних форсунок для процесів, що потребують допоміжного газу. Просторова роздільна здатність також особливо важлива для обробки дуже малих деталей, а це означає, що термомеханічна стабільність усуває вплив вібрації, яка часто виникає в механічних цехах. Серія StarCut Tube задовольняє цю потребу, будуючи всю ріжучу деку з великою кількістю гранітних елементів.
NPX Medical – це досить новий контрактний виробник, який надає послуги з проектування, інженерії та прецизійного лазерного різання виробникам медичного обладнання. Заснована у 2019 році, компанія здобула репутацію в галузі завдяки якісній продукції та оперативності реагування, підтримуючи широкий спектр пристроїв, включаючи стенти, імплантати, клапанні стенти та гнучкі трубки доставки для аналогічних різноманітних хірургічних процедур, включаючи нейроваскулярні, серцеві, ниркові, спинальні, ортопедичні, гінекологічні та шлунково-кишкові хірургії. Її основним лазерним різаком є ​​StarCut Tube 2+2 з StarFiber 320FC із середньою потужністю 200 Вт. Майк Бренцель, один із засновників NPX, пояснив, що «засновники мають багаторічний досвід проектування та виробництва медичних виробів – понад 90 років загалом», з попереднім досвідом роботи з машинами, подібними до StarCut, з використанням волоконних лазерів. Значна частина нашої роботи пов'язана з різанням нітинолом, і ми вже знаємо, що волоконні лазери можуть забезпечити необхідну нам швидкість та якість. Для таких пристроїв, як товстостінні трубки та серцеві клапани, нам потрібна швидкість, а лазер USP може бути занадто повільним для наших потреб. На додаток до великих обсягів виробничих замовлень – «Ми спеціалізуємося на невеликих партіях деталей – лише від 5 до 150 штук – наша мета – завершити ці невеликі партії оборотів лише за кілька днів, включаючи проектування, програмування, різання, формування, подальшу обробку та перевірку, порівняно з тижнями після розміщення замовлення у великих компаній». Окрім швидкості, Бренцель згадав надійність машини як головну перевагу, оскільки вона не потребує жодного виклику сервісного центру за останні 18 місяців майже безперервної роботи.
Рисунок 2. NPX пропонує різноманітні варіанти постобробки. Матеріал, показаний тут, - нержавіюча сталь T316 із зовнішнім діаметром 5 мм та товщиною стінки 0,254 мм. Ліва частина оброблена мікроструминним струменем, а права - електрополірована.
Окрім нітинольних деталей, компанія також широко використовує кобальтово-хромові сплави, танталові сплави, титанові сплави та багато видів медичних нержавіючих сталей. Джефф Хансен, менеджер з лазерної обробки, пояснює: «Гнучкість верстатів – ще одна важлива перевага, яка дозволяє нам підтримувати різання дуже різноманітних матеріалів, включаючи труби та плоскі поверхні. Ми можемо фокусувати промінь до точки розміром 20 мікрон, що корисно для більш тонких трубок. Деякі з цих трубок мають внутрішній діаметр лише 0,012 дюйма, а високе співвідношення пікової потужності до середньої потужності найновіших волоконних лазерів максимізує нашу швидкість різання, забезпечуючи при цьому бажану якість кромки. Нам абсолютно необхідна швидкість обробки більших виробів із зовнішнім діаметром до 1 дюйма».
Окрім прецизійного різання та швидкого реагування, NPX також пропонує повний спектр технологій постобробки, а також комплексні послуги з проектування, які використовують її великий досвід у галузі. Ці методи включають електрополірування, піскоструминну обробку, травлення, лазерне зварювання, термофіксацію, формування, пасивацію, випробування на втому та випробування на втому, всі з яких є ключовими для виготовлення пристроїв з нітинолу. Використання постобробки для контролю обробки кромок, сказав Бренцель, «зазвичай залежить від того, чи йдеться про застосування з високою чи низькою втомою. Наприклад, деталь з високою втомою, така як серцевий клапан, може зігнутися мільярд разів протягом свого терміну служби в процесі постобробки. Як крок, важливо використовувати піскоструминну обробку для збільшення радіуса всіх кромок. Але компоненти з низькою втомою, такі як системи доставки або напрямні дроти, часто не потребують значної постобробки». Що стосується дизайнерської експертизи, пояснює Брензель, зараз до трьох чвертей клієнтів також користуються їхніми дизайнерськими послугами, щоб скористатися допомогою та навичками NPX в отриманні схвалення FDA. Компанія дуже добре вміє перетворювати концепцію «ескізу серветки» на продукт у його остаточній формі за короткий проміжок часу.
Motion Dynamics (Фрутпорт, Мічиган) – виробник мініатюрних пружин, медичних котушок та дротяних вузлів на замовлення, місія якого полягає у вирішенні проблем клієнтів, якими б складними чи, здавалося б, неможливими вони не були, у найкоротші терміни. У сфері медичних пристроїв компанія в першу чергу зосереджується на складних вузлах для нейроваскулярної хірургії, включаючи проектування, виробництво та складання високоякісних дротяних вузлів для таких застосувань, як керовані катетерні пристрої, зокрема вузли «тягнучого дроту».
Як згадувалося раніше, вибір волоконного чи USP-лазера залежить від інженерних уподобань, а також від типу обладнання та підтримуваних процесів. Кріс Вітем, президент Motion Dynamics, пояснив: «Виходячи з бізнес-моделі, яка зосереджена на нейроваскулярних продуктах, ми можемо досягти відмінних результатів у проектуванні, виконанні та обслуговуванні. Ми використовуємо лазерне різання лише для виробництва компонентів, які ми використовуємо власними силами, для виробництва високоцінних, «складних» компонентів, які стали нашою спеціальністю та репутацією; ми не пропонуємо лазерне різання як контрактну послугу. Ми виявили, що більшість лазерних різів, які ми виконуємо, найкраще виконувати за допомогою USP-лазерів, і протягом багатьох років я використовую трубку StarCut з одним із цих лазерів. Через високий попит на нашу продукцію у нас є дві 8-годинні зміни на день, іноді навіть три зміни, і у 2019 році нам потрібно придбати ще одну трубку StarCut, щоб підтримати це зростання. Але цього разу ми вирішили обрати одну з нових гібридних моделей фемтосекундних USP-лазерів та волоконних лазерів. Ми також поєднали її із завантажувачем/розвантажувачем StarFeed, щоб...» що ми могли б повністю автоматизувати різання – оператор просто клав заготовку. Труба завантажувалася в подавач, і запускалася програмна програма для роботи з продуктом.
Рисунок 3. Цю гнучку трубку для подачі з нержавіючої сталі (показано поруч із гумкою для олівців) було розрізано фемтосекундним лазером Monaco.
Вітем додає, що хоча вони іноді використовують машину для плоского різання, понад 95 відсотків свого часу витрачають на створення або модифікацію циліндричних виробів для своїх керованих катетерів, а саме гіпотрубок, котушок та спіралей, включаючи різання профільованих кінчиків та отворів. Ці компоненти зрештою використовуються в таких процедурах, як відновлення аневризм та видалення тромбів. Це вимагає використання лазерних різаків для різноманітних металів, включаючи нержавіючу сталь, чисте золото, платину та нітинол.
Рисунок 4. У Motion Dynamics також широко використовується лазерне зварювання. Вище котушка приварена до лазерно вирізаної трубки.
Які є варіанти лазерів? Вітем пояснив, що відмінна якість кромки та мінімальні пропили є критично важливими для більшості їхніх компонентів, тому спочатку вони віддали перевагу лазерам USP. Крім того, жоден з матеріалів, які використовує компанія, не може бути різаний одним із цих лазерів, включаючи крихітні золоті компоненти, що використовуються як рентгеноконтрастні маркери в деяких її продуктах. Але він додав, що нові гібридні варіанти, включаючи волоконні лазери та USP, надають їм більше гнучкості в оптимізації питань швидкості/якості кромки. «Немає сумнівів, що волоконна оптика може забезпечити вищі швидкості», – сказав він. «Але через нашу особливу спрямованість застосування це зазвичай означає певний тип постобробки, такий як хімічне та ультразвукове очищення або електрополірування. Тож наявність гібридної машини дозволяє нам вибрати, який загальний процес – лише USP або волокно та постобробка – оптимальний для кожного компонента. Це дозволяє нам дослідити можливість гібридної обробки одного й того ж компонента, особливо там, де задіяні більші діаметри та товщина стінок: навіть швидке різання волоконними лазерами, а потім використовувати фемтосекундний лазер для тонкого різання». Він очікує, що лазер USP залишиться їхнім першим вибором, оскільки більшість їхніх лазерних різів передбачають товщину стінок від 4 до 6 тисяч, хоча вони стикаються з товщиною стінок від 1 до 20 тисяч. Труби з нержавіючої сталі між тисячами.
На завершення, лазерне різання та свердління є ключовими процесами у виробництві різних медичних виробів. Сьогодні, завдяки досягненням у технології основних лазерів та високооптимізованим машинам, налаштованим для конкретних потреб галузі, ці процеси простіші у використанні та забезпечують кращі результати, ніж будь-коли раніше.