Trang web này được vận hành bởi một hoặc nhiều doanh nghiệp thuộc sở hữu của Informa PLC và tất cả bản quyền thuộc về họ. Văn phòng đăng ký của Informa PLC đặt tại 5 Howick Place, London SW1P 1WG. Đăng ký tại Anh và xứ Wales. Số đăng ký: 8860726.
Ngày nay, hầu hết việc cắt laser chính xác kim loại và phi kim loại đều được thực hiện bằng các công cụ được trang bị laser sợi quang hoặc laser xung cực ngắn (USP), hoặc đôi khi là cả hai. Trong bài viết này, chúng ta sẽ giải thích những ưu điểm khác nhau của hai loại laser và xem cách cả hai nhà sản xuất sử dụng chúng. NPX Medical (Plymouth, MN) là một công ty gia công chuyên nghiệp theo hợp đồng, sản xuất nhiều loại thiết bị và công cụ triển khai, chẳng hạn như stent, cấy ghép và ống mềm, sử dụng máy móc tích hợp laser sợi quang. Motion Dynamics sản xuất các cụm phụ, chẳng hạn như cụm "dây kéo" chủ yếu được sử dụng trong thần kinh học, sử dụng máy bao gồm laser femtosec USP và một trong những hệ thống lai mới nhất bao gồm laser femtosec và laser sợi quang để đạt được tính linh hoạt và đa năng tối đa.
Trong nhiều năm, hầu hết các quá trình gia công vi mô bằng laser đều được thực hiện bằng cách sử dụng laser bán dẫn xung nano giây gọi là laser DPSS. Tuy nhiên, điều này hiện đã hoàn toàn thay đổi nhờ sự phát triển của hai loại laser hoàn toàn khác nhau, và do đó bổ sung cho nhau. Ban đầu được phát triển cho viễn thông, laser sợi quang đã trở thành loại laser xử lý vật liệu chủ lực trong nhiều ngành công nghiệp, thường ở bước sóng cận hồng ngoại. Lý do cho sự thành công của nó nằm ở kiến ​​trúc đơn giản và khả năng mở rộng công suất dễ dàng. Điều này dẫn đến các loại laser nhỏ gọn, độ tin cậy cao và dễ dàng tích hợp vào các máy chuyên dụng, và nhìn chung có chi phí sở hữu thấp hơn so với các loại laser cũ hơn. Quan trọng đối với gia công vi mô, chùm tia đầu ra có thể được hội tụ thành một điểm nhỏ, sạch chỉ vài micromet đường kính, vì vậy chúng lý tưởng cho việc cắt, hàn và khoan độ phân giải cao. Đầu ra của chúng cũng rất linh hoạt và có thể điều khiển được, với tốc độ xung từ một xung đơn đến 170 kHz. Cùng với công suất có thể mở rộng, điều này hỗ trợ việc cắt và khoan nhanh chóng.
Tuy nhiên, một nhược điểm tiềm tàng của laser sợi quang trong gia công vi mô là việc gia công các chi tiết nhỏ và/hoặc các bộ phận mỏng, dễ vỡ. Thời lượng xung dài (ví dụ: 50 µs) dẫn đến một vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) nhỏ, chẳng hạn như vật liệu bị nung chảy lại và độ nhám cạnh nhỏ, có thể cần một số bước xử lý sau gia công. May mắn thay, các loại laser mới hơn—laser xung cực ngắn (USP) với xung đầu ra femto giây—đã loại bỏ được vấn đề HAZ.
Với laser USP, phần lớn nhiệt lượng dư thừa phát sinh trong quá trình cắt hoặc khoan được mang đi cùng với các mảnh vụn bắn ra trước khi kịp khuếch tán vào vật liệu xung quanh. Laser USP với xung picosecond đã được sử dụng từ lâu trong các ứng dụng gia công vi mô liên quan đến nhựa, chất bán dẫn, gốm sứ và một số kim loại nhất định (picosecond = 10-12 giây). Nhưng đối với các thiết bị kim loại có các trụ nhỏ như sợi tóc người, độ dẫn nhiệt cao và kích thước nhỏ bé của kim loại có nghĩa là laser picosecond không phải lúc nào cũng mang lại kết quả cải thiện đủ để biện minh cho chi phí tăng thêm của các laser USP trước đây. Điều này hiện đã thay đổi với sự ra đời của laser femtosecond cấp công nghiệp (femtosecond = 10-15 giây). Một ví dụ là dòng laser Monaco của Coherent Inc. Giống như laser sợi quang, đầu ra của chúng là ánh sáng cận hồng ngoại, có nghĩa là chúng có thể cắt hoặc khoan tất cả các kim loại được sử dụng trong thiết bị y tế, bao gồm thép không gỉ, bạch kim, vàng, magie, coban-crom, titan, v.v., cũng như các phi kim loại. Trong khi sự kết hợp của xung ngắn Thời lượng xung ngắn và năng lượng xung thấp giúp ngăn ngừa hư hỏng do nhiệt (HAZ), trong khi tần số lặp lại cao (MHz) đảm bảo tốc độ xử lý hiệu quả về chi phí cho nhiều thiết bị y tế có giá trị cao.
Dĩ nhiên, hầu như không ai trong ngành của chúng ta chỉ cần một laser. Thay vào đó, họ cần một máy móc dựa trên laser, và hiện nay có rất nhiều máy chuyên dụng được tối ưu hóa cho việc cắt và khoan các thiết bị y tế. Một ví dụ là dòng sản phẩm StarCut Tube của Coherent, có thể được sử dụng với laser sợi quang, laser femtô giây, hoặc như một phiên bản lai kết hợp cả hai loại laser.
Chuyên môn hóa thiết bị y tế nghĩa là gì? Hầu hết các thiết bị này được sản xuất với số lượng hạn chế dựa trên thiết kế riêng. Do đó, tính linh hoạt và dễ sử dụng là những yếu tố quan trọng cần xem xét. Trong khi nhiều thiết bị được sản xuất từ ​​phôi, một số bộ phận phải được gia công chính xác từ phôi phẳng; cùng một máy phải xử lý cả hai để tối đa hóa giá trị của nó. Những nhu cầu này thường được đáp ứng bằng cách cung cấp chuyển động điều khiển CNC đa trục (xyz và quay) và giao diện người dùng HMI thân thiện để lập trình và điều khiển đơn giản. Trong trường hợp của StarCut Tube, tùy chọn mô-đun nạp ống mới đi kèm với kho chứa nạp bên (gọi là StarFeed) dành cho ống dài đến 3 m và bộ phân loại sản phẩm cắt, cho phép sản xuất hoàn toàn tự động.
Tính linh hoạt trong quy trình của các máy này được tăng cường hơn nữa nhờ khả năng hỗ trợ cắt ướt và khô, cùng với các vòi phun điều chỉnh dễ dàng cho các quy trình yêu cầu khí hỗ trợ. Độ phân giải không gian cũng đặc biệt quan trọng đối với việc gia công các chi tiết rất nhỏ, điều này có nghĩa là độ ổn định nhiệt cơ học loại bỏ các tác động của rung động thường gặp trong các xưởng gia công. Dòng máy StarCut Tube đáp ứng nhu cầu này bằng cách chế tạo toàn bộ mặt cắt với số lượng lớn các phần tử bằng đá granit.
NPX Medical là một nhà sản xuất theo hợp đồng khá mới, cung cấp các dịch vụ thiết kế, kỹ thuật và cắt laser chính xác cho các nhà sản xuất thiết bị y tế. Được thành lập vào năm 2019, công ty đã xây dựng được danh tiếng trong ngành nhờ các sản phẩm chất lượng và khả năng đáp ứng nhanh chóng, hỗ trợ nhiều loại thiết bị bao gồm stent, cấy ghép, stent van tim và ống dẫn mềm cho các thủ thuật phẫu thuật đa dạng tương tự, bao gồm phẫu thuật thần kinh mạch máu, tim mạch, thận, cột sống, chỉnh hình, phụ khoa và tiêu hóa. Máy cắt laser chính của công ty là StarCut Tube 2+2® với StarFiber 320FC có công suất trung bình 200 watt. Mike Brenzel, một trong những người sáng lập của NPX, giải thích rằng “những người sáng lập mang đến nhiều năm kinh nghiệm trong thiết kế và sản xuất thiết bị y tế - tổng cộng hơn 90 năm”, với kinh nghiệm trước đây với các máy tương tự StarCut sử dụng laser sợi quang. Phần lớn công việc của chúng tôi liên quan đến việc cắt Nitinol và chúng tôi đã biết rằng laser sợi quang có thể cung cấp tốc độ và chất lượng mà chúng tôi cần. Đối với các thiết bị như ống thành dày và van tim, chúng tôi cần tốc độ, và laser USP có thể là Quá chậm so với nhu cầu của chúng tôi. Bên cạnh các đơn đặt hàng sản xuất số lượng lớn – chúng tôi chuyên sản xuất các lô hàng nhỏ – chỉ từ 5 đến 150 chi tiết – mục tiêu của chúng tôi là hoàn thành các lô hàng nhỏ này chỉ trong vài ngày, bao gồm thiết kế, lập trình, cắt, tạo hình, xử lý sau sản xuất và kiểm tra, so với nhiều tuần sau khi đặt hàng đối với các công ty lớn hơn.” Ngoài tốc độ, Brenzel còn đề cập đến độ tin cậy của máy móc như một lợi thế lớn, không cần bất kỳ cuộc gọi bảo dưỡng nào trong suốt 18 tháng hoạt động gần như liên tục.
Hình 2. NPX cung cấp nhiều tùy chọn xử lý sau gia công. Vật liệu được hiển thị ở đây là thép không gỉ T316 với đường kính ngoài 5mm và độ dày thành 0,254mm. Phần bên trái được cắt/phun cát siêu mịn và phần bên phải được đánh bóng điện hóa.
Ngoài các bộ phận nitinol, công ty còn sử dụng rộng rãi hợp kim coban-crom, hợp kim tantali, hợp kim titan và nhiều loại thép không gỉ y tế. Jeff Hansen, Giám đốc Xử lý Laser, giải thích: “Tính linh hoạt của máy móc là một lợi thế quan trọng khác, cho phép chúng tôi hỗ trợ cắt nhiều loại vật liệu khác nhau, bao gồm cả ống và tấm phẳng. Chúng tôi có thể tập trung chùm tia xuống điểm 20 micron, rất hữu ích cho việc cắt các ống mỏng. Một số ống này chỉ có đường kính trong 0,012 inch, và tỷ lệ công suất đỉnh trên công suất trung bình cao của các laser sợi quang mới nhất giúp tối đa hóa tốc độ cắt của chúng tôi trong khi vẫn đảm bảo chất lượng cạnh mong muốn. Chúng tôi hoàn toàn cần tốc độ cắt các sản phẩm lớn hơn với đường kính ngoài lên đến 1 inch.”
Ngoài khả năng cắt chính xác và phản hồi nhanh chóng, NPX còn cung cấp đầy đủ các công nghệ xử lý sau gia công, cũng như các dịch vụ thiết kế toàn diện dựa trên kinh nghiệm sâu rộng của công ty trong ngành. Các kỹ thuật này bao gồm đánh bóng điện hóa, phun cát, tẩy gỉ, hàn laser, định hình nhiệt, tạo hình, thụ động hóa, thử nghiệm nhiệt độ Af và thử nghiệm độ bền mỏi, tất cả đều rất quan trọng trong việc chế tạo thiết bị Nitinol. Brenzel cho biết, việc sử dụng xử lý sau gia công để kiểm soát độ hoàn thiện cạnh thường phụ thuộc vào việc chúng ta đang nói về ứng dụng có độ bền mỏi cao hay thấp. Ví dụ, một bộ phận có độ bền mỏi cao như van tim có thể uốn cong hàng tỷ lần trong suốt vòng đời của nó. Như một bước xử lý sau gia công, điều quan trọng là sử dụng phun cát để tăng bán kính của tất cả các cạnh. Nhưng các bộ phận có độ bền mỏi thấp như hệ thống phân phối hoặc dây dẫn hướng thường không yêu cầu xử lý sau gia công rộng rãi. Về chuyên môn thiết kế, Brenzel giải thích, hiện nay có tới ba phần tư khách hàng cũng sử dụng dịch vụ thiết kế của họ để tận dụng sự hỗ trợ và kỹ năng của NPX trong việc xin phê duyệt của FDA. Công ty rất giỏi trong việc biến ý tưởng "phác thảo trên giấy ăn" thành sản phẩm hoàn chỉnh trong thời gian ngắn.
Motion Dynamics (Fruitport, MI) là nhà sản xuất lò xo thu nhỏ, cuộn dây y tế và cụm dây dẫn theo yêu cầu, với sứ mệnh giải quyết các vấn đề của khách hàng, dù phức tạp hay tưởng chừng như bất khả thi, trong thời gian ngắn nhất có thể. Trong lĩnh vực thiết bị y tế, công ty chủ yếu tập trung vào các cụm lắp ráp phức tạp cho phẫu thuật thần kinh mạch máu, bao gồm thiết kế, sản xuất và lắp ráp các cụm dây dẫn chất lượng cao cho các ứng dụng như thiết bị đặt ống thông có thể điều khiển được, bao gồm cả các cụm "dây kéo".
Như đã đề cập trước đó, việc lựa chọn laser sợi quang hay laser USP phụ thuộc vào sở thích kỹ thuật cũng như loại thiết bị và quy trình được hỗ trợ. Chris Witham, Chủ tịch của Motion Dynamics, giải thích: “Dựa trên mô hình kinh doanh tập trung cao độ vào các sản phẩm thần kinh mạch máu, chúng tôi có thể mang lại kết quả khác biệt về thiết kế, thực hiện và dịch vụ. Chúng tôi chỉ sử dụng cắt laser để sản xuất các linh kiện mà chúng tôi sử dụng nội bộ, để sản xuất các linh kiện có giá trị cao, “khó” mà đã trở thành chuyên môn và danh tiếng của chúng tôi; chúng tôi không cung cấp dịch vụ cắt laser theo hợp đồng. Chúng tôi nhận thấy rằng hầu hết các vết cắt laser mà chúng tôi thực hiện đều tốt nhất khi sử dụng laser USP, và trong nhiều năm, tôi đã sử dụng StarCut Tube với một trong những loại laser này. Do nhu cầu mạnh mẽ đối với sản phẩm của chúng tôi, chúng tôi có hai ca 8 giờ mỗi ngày, đôi khi thậm chí là ba ca, và vào năm 2019, chúng tôi cần mua thêm một StarCut Tube nữa để hỗ trợ sự tăng trưởng này. Nhưng lần này, chúng tôi quyết định chọn một trong những mô hình lai mới của laser USP femtosec và laser sợi quang. Chúng tôi cũng kết hợp nó với StarFeed Hệ thống nạp/dỡ liệu cho phép tự động hóa hoàn toàn quá trình cắt – người vận hành chỉ cần đặt phôi vào. Ống được nạp vào bộ cấp liệu và chương trình phần mềm vận hành sản phẩm được khởi động.
Hình 3. Ống dẫn bằng thép không gỉ dẻo này (được hiển thị bên cạnh một cục tẩy bút chì) đã được cắt bằng laser femtosec giây Monaco.
Witham cho biết thêm rằng mặc dù thỉnh thoảng họ sử dụng máy để cắt phẳng, nhưng hơn 95% thời gian của họ dành cho việc tạo hoặc sửa đổi các sản phẩm hình trụ cho các cụm ống thông có thể điều khiển được, cụ thể là các ống nhỏ, cuộn dây và hình xoắn ốc, bao gồm cả việc cắt các đầu định hình và cắt lỗ. Các bộ phận này cuối cùng được sử dụng trong các thủ thuật như sửa chữa phình động mạch và loại bỏ huyết khối. Điều này đòi hỏi phải sử dụng máy cắt laser trên nhiều loại kim loại khác nhau bao gồm thép không gỉ, vàng nguyên chất, bạch kim và nitinol.
Hình 4. Motion Dynamics cũng sử dụng rộng rãi phương pháp hàn laser. Hình trên cho thấy cuộn dây đã được hàn vào ống được cắt bằng laser.
Các lựa chọn laser là gì? Witham giải thích rằng chất lượng cạnh tuyệt vời và vết cắt tối thiểu là rất quan trọng đối với hầu hết các linh kiện của họ, vì vậy ban đầu họ ưu tiên laser USP. Ngoài ra, không có vật liệu nào mà công ty sử dụng có thể được cắt bằng một trong những loại laser này, bao gồm cả các linh kiện vàng nhỏ được sử dụng làm điểm đánh dấu cản quang trong một số sản phẩm của họ. Nhưng ông nói thêm rằng các tùy chọn lai mới, bao gồm laser sợi quang và USP, mang lại cho họ sự linh hoạt hơn trong việc tối ưu hóa tốc độ/chất lượng cạnh. “Không nghi ngờ gì nữa, laser sợi quang có thể cung cấp tốc độ cao hơn,” ông nói. “Nhưng do trọng tâm ứng dụng cụ thể của chúng tôi, điều này thường có nghĩa là một số loại xử lý sau, chẳng hạn như làm sạch bằng hóa chất và siêu âm hoặc đánh bóng điện hóa. Vì vậy, việc có một máy lai cho phép chúng tôi lựa chọn quy trình tổng thể nào – chỉ USP hoặc laser sợi quang và xử lý sau – tối ưu cho từng linh kiện. Nó cho phép chúng tôi khám phá khả năng gia công lai cùng một linh kiện, đặc biệt là khi liên quan đến đường kính và độ dày thành lớn hơn: thậm chí cắt nhanh bằng laser sợi quang, sau đó sử dụng laser femtosec để cắt tinh.” Ông dự đoán rằng máy cắt laser USP sẽ vẫn là lựa chọn hàng đầu của họ vì hầu hết các vết cắt laser của họ liên quan đến độ dày thành ống từ 4 đến 6 phần nghìn inch, mặc dù họ cũng gặp phải độ dày thành ống từ 1 đến 20 phần nghìn inch. Ống thép không gỉ có độ dày từ phần nghìn inch trở lên.
Tóm lại, cắt và khoan bằng laser là những quy trình then chốt trong sản xuất nhiều thiết bị y tế. Ngày nay, nhờ những tiến bộ trong công nghệ laser cốt lõi và các máy móc được tối ưu hóa cao, cấu hình phù hợp với nhu cầu cụ thể của ngành, các quy trình này dễ sử dụng hơn và mang lại kết quả tốt hơn bao giờ hết.