Aquest lloc web està gestionat per una o més empreses propietat d'Informa PLC i tots els drets d'autor són propietat d'elles. La seu social d'Informa PLC és 5 Howick Place, Londres SW1P 1WG. Registrada a Anglaterra i Gal·les. Núm. 8860726.
Avui dia, gairebé tot el tall làser de precisió de metalls i no metalls es realitza mitjançant eines equipades amb làsers de fibra o làsers de pols ultracurt (USP), o de vegades tots dos. En aquest article, explicarem els diferents avantatges dels dos làsers i veurem com els dos fabricants utilitzen aquests làsers. NPX Medical (Plymouth, MN) és una empresa de processament especialitzat per contracte que fabrica una varietat de dispositius i eines de desplegament, com ara stents, implants i tubs flexibles, utilitzant màquines que incorporen làsers de fibra. Motion Dynamics fabrica subconjunts, com ara conjunts de "cable d'extracció" utilitzats principalment en neurologia, utilitzant una màquina que inclou un làser de femtosegon USP i un dels sistemes híbrids més recents, inclosos làsers de femtosegon i de fibra, per a una màxima flexibilitat i versatilitat.
Durant molts anys, la major part del micromecanitzat làser s'ha dut a terme mitjançant làsers de nanosegons d'estat sòlid anomenats làsers DPSS. Tanmateix, això ha canviat completament gràcies al desenvolupament de dos tipus de làser completament diferents i, per tant, complementaris. Originalment desenvolupats per a les telecomunicacions, els làsers de fibra han madurat fins a convertir-se en làsers de processament de materials de gran abast en moltes indústries, sovint a longituds d'ona de l'infraroig proper. Les raons del seu èxit resideixen en la seva arquitectura senzilla i la seva escalabilitat de potència directa. Això resulta en làsers compactes, altament fiables i fàcils d'integrar en màquines especialitzades, i generalment ofereixen un cost de propietat inferior que els tipus de làser més antics. És important destacar que per al micromecanitzat el feix de sortida es pot enfocar en un punt petit i net de només uns pocs micres de diàmetre, per la qual cosa són ideals per al tall, la soldadura i la perforació d'alta resolució. Les seves sortides també són molt flexibles i controlables, amb velocitats de pols que van des d'un sol tret fins a 170 kHz. Juntament amb la potència escalable, això permet un tall i una perforació ràpids.
Tanmateix, un possible desavantatge dels làsers de fibra en el micromecanitzat és el mecanitzat de petites característiques i/o peces primes i delicades. Les durades d'impuls llargues (per exemple, 50 µs) donen lloc a una petita quantitat de zona afectada per la calor (HAZ), com ara material refós i una petita rugositat de vora, que pot requerir algun postprocessament. Afortunadament, els làsers més nous (làsers d'impuls ultracurt (USP) amb impulsos de sortida de femtosegons) eliminen el problema de la HAZ.
Amb els làsers USP, la major part de la calor addicional associada al procés de tall o perforació s'emporta les restes expulsades abans que tingui temps de difondre's al material circumdant. Els làsers USP amb sortida de picosegons s'han utilitzat durant molt de temps en aplicacions de micromecanitzat que impliquen plàstics, semiconductors, ceràmica i certs metalls (picosegons = 10-12 segons). Però per a dispositius metàl·lics amb pilars de la mida d'un cabell humà, l'alta conductivitat tèrmica i la mida reduïda del metall fan que els làsers de picosegons no sempre proporcionin els resultats millorats que justificarien l'augment del cost dels làsers USP anteriors. Això ha canviat ara amb l'arribada dels làsers de femtosegons de grau industrial (femtosegons = 10-15 segons). Un exemple és la sèrie de làsers Monaco de Coherent Inc. Igual que els làsers de fibra, la seva sortida és llum infraroja propera, la qual cosa significa que poden tallar o perforar tots els metalls utilitzats en dispositius mèdics, com ara acer inoxidable, platí, or, magnesi, cobalt-crom, titani i més, així com no metalls. Tot i que la combinació de curta durada del pols i baixa energia del pols prevé el dany tèrmic (HAZ), l'alta taxa de repetició (MHz) garanteix velocitats de rendiment rendibles per a molts dispositius mèdics d'alt valor.
Per descomptat, gairebé ningú a la nostra indústria necessita només un làser. En canvi, necessiten una màquina basada en làser, i ara hi ha moltes màquines especialitzades optimitzades per tallar i perforar dispositius mèdics. Un exemple és la sèrie StarCut Tube de Coherent, que es pot utilitzar amb làsers de fibra, làsers de femtosegon o com a versió híbrida que incorpora tots dos tipus de làser.
Què significa l'especialització en dispositius mèdics? La majoria d'aquests dispositius es produeixen en lots limitats basats en dissenys personalitzats. Per tant, la flexibilitat i la facilitat d'ús són consideracions clau. Tot i que molts dispositius es fabriquen a partir de lingots, alguns components s'han de mecanitzar amb precisió a partir de lingots plans; la mateixa màquina ha de gestionar tots dos per maximitzar el seu valor. Aquestes necessitats se solen satisfer proporcionant un moviment multieix controlat per CNC (xyz i rotatiu) i una HMI fàcil d'utilitzar per a una programació i un control senzills. En el cas de StarCut Tube, una nova opció de mòdul de càrrega de tubs inclou un carregador de càrrega lateral (anomenat StarFeed) per a tubs de fins a 3 m de longitud i un classificador per a productes tallats, cosa que permet una producció totalment automatitzada.
La flexibilitat del procés d'aquestes màquines es veu millorada encara més per la compatibilitat amb el tall en sec i en humit i les boquilles de subministrament fàcilment ajustables per a processos que requereixen gas d'assistència. La resolució espacial també és particularment important per al mecanitzat de peces molt petites, la qual cosa significa que l'estabilitat termomecànica elimina els efectes de la vibració que sovint es troben als tallers mecànics. La gamma StarCut Tube satisfà aquesta necessitat construint tota la plataforma de tall amb un gran nombre d'elements de granit.
NPX Medical és un fabricant per contracte relativament nou que ofereix serveis de disseny, enginyeria i tall per làser de precisió a fabricants de dispositius mèdics. Fundada el 2019, l'empresa s'ha forjat una reputació a la indústria per la qualitat dels productes i la capacitat de resposta, donant suport a una àmplia gamma de dispositius, com ara stents, implants, stents de vàlvules i tubs d'administració flexibles per a intervencions quirúrgiques similarment diverses, com ara cirurgia neurovascular, cardíaca, renal, de columna vertebral, ortopèdica, ginecològica i gastrointestinal. El seu principal tallador làser és l'StarCut Tube 2+2 amb un StarFiber 320FC amb una potència mitjana de 200 watts. Mike Brenzel, un dels fundadors de NPX, va explicar que "els fundadors aporten anys d'experiència en el disseny i la fabricació de dispositius mèdics, més de 90 anys en total", amb experiència prèvia amb màquines similars a StarCut que utilitzen làsers de fibra. Gran part de la nostra feina implica el tall de nitinol i ja sabem que els làsers de fibra poden proporcionar la velocitat i la qualitat que necessitem. Per a dispositius com ara tubs de paret gruixuda i vàlvules cardíaques, necessitem velocitat, i el làser USP pot ser massa lent per a les nostres necessitats. A més de les comandes de producció d'alt volum (ens especialitzem en lots petits de peces, només entre 5 i 150 peces), el nostre objectiu és completar aquests petits lots en només uns dies, incloent-hi el disseny, la programació, el tall, el conformat, el postprocessament i la inspecció, en comparació amb les setmanes posteriors a la realització d'una comanda per a empreses més grans". A més d'esmentar la velocitat, Brenzel va esmentar la fiabilitat de la màquina com un avantatge important, ja que no va requerir ni una sola visita de servei durant els darrers 18 mesos de funcionament gairebé continu.
Figura 2. NPX ofereix diverses opcions de postprocessament. El material que es mostra aquí és acer inoxidable T316 amb un diàmetre exterior de 5 mm i un gruix de paret de 0,254 mm. La part esquerra està tallada/microgranallada i la part dreta està electropolida.
A més de les peces de nitinol, l'empresa també fa un ús extensiu d'aliatges de cobalt-crom, aliatges de tàntal, aliatges de titani i molts tipus d'acers inoxidables mèdics. Jeff Hansen, gerent de processament làser, explica: "La flexibilitat de la màquina és un altre actiu important, que ens permet admetre el tall d'una gamma molt diversa de materials, inclosos tubs i plans. Podem enfocar el feix fins a un punt de 20 micres, cosa que és útil per a tubs més prims. Alguns d'aquests tubs només tenen un diàmetre interior de 0,012 polzades, i l'alta relació entre la potència màxima i la potència mitjana dels làsers de fibra més recents maximitza la nostra velocitat de tall alhora que proporciona la qualitat de vora desitjada. Necessitem absolutament la velocitat de productes més grans amb un diàmetre exterior de fins a 1 polzada".
A més del tall de precisió i la resposta ràpida, NPX també ofereix una gamma completa de tecnologies de postprocessament, així com serveis de disseny integrals que aprofiten la seva àmplia experiència en la indústria. Aquestes tècniques inclouen electropoliment, sorrejat, decapatge, soldadura làser, termofixació, conformat, passivació, proves de temperatura Af i proves de fatiga, totes elles clau per a la fabricació de dispositius de Nitinol. L'ús del postprocessament per controlar l'acabat de les vores, va dir Brenzel, "normalment depèn de si estem parlant d'una aplicació d'alta o baixa fatiga. Per exemple, una peça d'alta fatiga com una vàlvula cardíaca es pot doblegar mil milions de vegades durant la seva vida útil com a postprocessament. Com a pas, és important utilitzar el sorrejat per augmentar el radi de totes les vores. Però els components de baixa fatiga com els sistemes de lliurament o els cables guia sovint no requereixen un postprocessament extens". Pel que fa a l'experiència en disseny, explica Brenzel, ara hi ha fins a tres quartes parts dels clients que també utilitzen els seus serveis de disseny per aprofitar l'ajuda i les habilitats de NPX per obtenir l'aprovació de la FDA. L'empresa és molt bona a l'hora de convertir el concepte d'"esbós de tovalló" en un producte en la seva forma final en un curt període de temps.
Motion Dynamics (Fruitport, MI) és un fabricant de molles miniaturitzades personalitzades, bobines mèdiques i conjunts de cables, la missió del qual és resoldre els problemes dels clients, per complexos o aparentment impossibles que siguin, en el menor temps possible. En dispositius mèdics, emfatitza principalment els conjunts complexos per a la cirurgia neurovascular, incloent-hi el disseny, la producció i el muntatge de conjunts de cables d'alta qualitat per a aplicacions com ara dispositius de catèter orientables, inclosos els conjunts de "cable de tracció".
Com s'ha esmentat anteriorment, l'elecció del làser de fibra o USP és una qüestió de preferència d'enginyeria, així com del tipus d'equip i processos compatibles. Chris Witham, president de Motion Dynamics, va explicar: "Basant-nos en un model de negoci molt centrat en productes neurovasculars, podem oferir resultats diferenciats en disseny, execució i servei. Només utilitzem el tall per làser per produir els components que utilitzem internament, per fabricar els components d'alt valor i "difícils" que s'han convertit en la nostra especialitat i reputació; no oferim el tall per làser com a servei contractat. Hem descobert que la majoria dels talls per làser que realitzem es fan millor amb làsers USP, i durant molts anys he estat utilitzant un tub StarCut amb un d'aquests làsers. A causa de la forta demanda dels nostres productes, tenim dos torns de 8 hores al dia, de vegades fins i tot tres torns, i el 2019 vam haver d'adquirir un altre tub StarCut per donar suport a aquest creixement. Però aquesta vegada, vam decidir optar per un dels nous models híbrids de làsers USP de femtosegons i làsers de fibra. També el vam emparellar amb un carregador/descarregador StarFeed perquè..." podríem automatitzar completament el tall: l'operador simplement col·loca la peça en blanc. El tub es carrega a l'alimentador i s'inicia el programa operatiu del producte.
Figura 3. Aquest tub flexible d'acer inoxidable (que es mostra al costat d'una goma d'esborrar) s'ha tallat amb un làser de femtosegons de Monaco.
Witham afegeix que, tot i que ocasionalment utilitzen la màquina per a talls plans, més del 95 per cent del seu temps el dediquen a crear o modificar productes cilíndrics per als seus conjunts de catèters orientables, és a dir, hipotubs, bobines i espirals, incloent-hi el tall de puntes perfilades i forats de tall. Aquests components s'utilitzen finalment en procediments com la reparació d'aneurismes i l'extracció de trombes. Això requereix l'ús de talladores làser en una varietat de metalls, com ara acer inoxidable, or pur, platí i nitinol.
Figura 4. Motion Dynamics també utilitza àmpliament la soldadura làser. A dalt, la bobina s'ha soldat al tub tallat amb làser.
Quines són les opcions de làser? Witham va explicar que una qualitat de vora excel·lent i uns talls mínims són fonamentals per a la majoria dels seus components, per la qual cosa inicialment van preferir els làsers USP. A més, cap dels materials que utilitza l'empresa es pot tallar amb un d'aquests làsers, inclosos els petits components d'or utilitzats com a marcadors radiopacos en alguns dels seus productes. Però va afegir que les noves opcions híbrides, inclosos els làsers de fibra i els USP, els donen més flexibilitat a l'hora d'optimitzar els problemes de velocitat/qualitat de vora. "No hi ha dubte que la fibra òptica pot proporcionar velocitats més altes", va dir. "Però a causa del nostre enfocament particular en l'aplicació, això normalment significa algun tipus de postprocessament, com ara neteja química i ultrasònica o electropoliment. Per tant, tenir una màquina híbrida ens permet triar quin procés general (USP sol o fibra i postprocessament) és òptim per a cada component. Ens permet explorar la possibilitat del mecanitzat híbrid del mateix component, especialment quan hi ha diàmetres i gruixos de paret més grans: fins i tot tall ràpid amb làsers de fibra. Després, utilitzeu un làser de femtosegons per a un tall fi". Espera que el làser USP continuï sent la seva primera opció, ja que la majoria dels seus talls amb làser impliquen gruixos de paret d'entre 4 i 6 mil·lèsimes, tot i que troben gruixos de paret que oscil·len entre 1 i 20 mil·lèsimes. Tubs d'acer inoxidable d'entre mil·lèsimes.
En conclusió, el tall i la perforació amb làser són processos clau en la fabricació de diversos dispositius mèdics. Avui dia, gràcies als avenços en la tecnologia làser bàsica i a les màquines altament optimitzades i configurades per a les necessitats específiques de la indústria, aquests processos són més fàcils d'utilitzar i ofereixen millors resultats que mai.