Tyto webové stránky provozuje jedna nebo více společností vlastněných společností Informa PLC a veškerá autorská práva jim náleží. Registrované sídlo společnosti Informa PLC je 5 Howick Place, Londýn SW1P 1WG. Registrováno v Anglii a Walesu. Č. 8860726.
Dnes se téměř veškeré přesné laserové řezání kovů i nekovů provádí pomocí nástrojů vybavených vláknovými lasery nebo lasery s ultrakrátkými pulzy (USP), případně obojím. V tomto článku vysvětlíme různé výhody těchto dvou laserů a podíváme se, jak oba výrobci tyto lasery používají. NPX Medical (Plymouth, MN) je specializovaná smluvní zpracovatelská společnost, která vyrábí řadu zařízení a nástrojů pro nasazení, jako jsou stenty, implantáty a flexibilní trubice, pomocí strojů, které obsahují vláknové lasery. Motion Dynamics vyrábí podsestavy, jako jsou sestavy „pull wire“ používané především v neurologii, s využitím stroje, který obsahuje femtosekundový laser USP a jeden z nejnovějších hybridních systémů zahrnujících femtosekundové a vláknové lasery pro maximální flexibilitu a všestrannost.
Po mnoho let se většina laserového mikroobrábění prováděla pomocí nanosekundových laserů v pevné fázi nazývaných DPSS lasery. To se však nyní zcela změnilo díky vývoji dvou zcela odlišných, a tedy doplňkových typů laserů. Vláknové lasery, původně vyvinuté pro telekomunikace, se v mnoha průmyslových odvětvích rozvinuly v pracné lasery pro zpracování materiálů, často na vlnových délkách blízké infračervené oblasti. Důvody jejich úspěchu spočívají v jejich jednoduché architektuře a snadné škálovatelnosti výkonu. Výsledkem jsou lasery, které jsou kompaktní, vysoce spolehlivé a snadno se integrují do specializovaných strojů a obecně nabízejí nižší provozní náklady než starší typy laserů. Pro mikroobrábění je důležité, že výstupní paprsek lze zaostřit do malého, čistého bodu o průměru pouhých několika mikronů, takže jsou ideální pro řezání, svařování a vrtání s vysokým rozlišením. Jejich výstupy jsou také velmi flexibilní a ovladatelné, s pulzními frekvencemi od jednoho záblesku do 170 kHz. Spolu se škálovatelným výkonem to podporuje rychlé řezání a vrtání.
Potenciální nevýhodou vláknových laserů v mikroobrábění je však obrábění malých prvků a/nebo tenkých, jemných součástí. Dlouhé (např. 50 µs) trvání pulzů má za následek malé množství tepelně ovlivněné zóny (HAZ), jako je například přelitý materiál, a malou drsnost hran, což může vyžadovat určité následné zpracování. Naštěstí novější lasery – lasery s ultrakrátkými pulzy (USP) s femtosekundovými výstupními pulzy – problém HAZ eliminují.
U USP laserů je většina přebytečného tepla spojeného s procesem řezání nebo vrtání odváděna ve vymrštěných úlomcích dříve, než se stihnou rozptýlit do okolního materiálu. USP lasery s pikosekundovým výstupem se již dlouho používají v mikroobráběcích aplikacích zahrnujících plasty, polovodiče, keramiku a některé kovy (pikosekundy = 10-12 sekund). U kovových zařízení s pilíři o velikosti lidského vlasu však vysoká tepelná vodivost a malá velikost kovu znamenají, že pikosekundové lasery ne vždy poskytují lepší výsledky, které by ospravedlňovaly zvýšené náklady dřívějších USP laserů. To se nyní změnilo s příchodem femtosekundových laserů průmyslové třídy (femtosekundy = 10-15 sekund). Příkladem je řada laserů Monaco od společnosti Coherent Inc. Stejně jako u vláknových laserů je jejich výstupem blízké infračervené světlo, což znamená, že mohou řezat nebo vrtat všechny kovy používané v lékařských zařízeních, včetně nerezové oceli, platiny, zlata, hořčíku, kobaltu a chromu, titanu a dalších, stejně jako nekovy. Zatímco kombinace krátké doby trvání pulzu a nízkého pulzu... energie zabraňuje tepelnému poškození (HAZ), vysoká opakovací frekvence (MHz) zajišťuje cenově dostupné propustné rychlosti pro mnoho vysoce hodnotných zdravotnických prostředků.
Samozřejmě, v našem odvětví téměř nikdo nepotřebuje jen jeden laser. Místo toho potřebují stroj na bázi laseru a v současnosti existuje mnoho specializovaných strojů optimalizovaných pro řezání a vrtání zdravotnických prostředků. Příkladem je řada StarCut Tube od společnosti Coherent, kterou lze použít s vláknovými lasery, femtosekundovými lasery nebo jako hybridní verzi zahrnující oba typy laserů.
Co znamená specializace na zdravotnické prostředky? Většina těchto zařízení se vyrábí v omezených dávkách na základě zakázkových návrhů. Proto jsou klíčovými faktory flexibilita a snadné použití. Zatímco mnoho zařízení se vyrábí z polotovarů, některé komponenty musí být přesně obrobeny z plochých polotovarů; stejný stroj musí zvládat obojí, aby maximalizoval svou hodnotu. Tyto potřeby jsou obvykle splněny zajištěním víceosého CNC řízeného (xyz a rotačního) pohybu a uživatelsky přívětivého HMI pro jednoduché programování a ovládání. V případě StarCut Tube je nový modul pro vkládání trubek dodáván s bočním zásobníkem pro vkládání (nazývaným StarFeed) pro trubky o délce až 3 m a třídičem pro řezané produkty, což umožňuje plně automatizovanou výrobu.
Flexibilitu procesu těchto strojů dále zvyšuje podpora mokrého i suchého řezání a snadno nastavitelné výtlačné trysky pro procesy vyžadující pomocný plyn. Prostorové rozlišení je také obzvláště důležité pro obrábění velmi malých dílů, což znamená, že termomechanická stabilita eliminuje účinky vibrací, s nimiž se často setkáváme ve strojírnách. Řada StarCut Tube tuto potřebu splňuje tím, že celé řezací ústrojí je vyrobeno z velkého množství žulových prvků.
NPX Medical je poměrně nový smluvní výrobce, který poskytuje výrobcům zdravotnických prostředků služby v oblasti návrhu, inženýrství a přesného laserového řezání. Společnost, založená v roce 2019, si v oboru vybudovala reputaci díky kvalitním produktům a pohotovosti. Podporuje širokou škálu zařízení, včetně stentů, implantátů, chlopňových stentů a flexibilních zaváděcích trubic pro podobně rozmanité chirurgické zákroky, včetně neurovaskulárních, srdečních, renálních, spinálních, ortopedických, gynekologických a gastrointestinálních zákroků. Jejím hlavním laserovým řezacím strojem je StarCut Tube 2+2 s technologií StarFiber 320FC s průměrným výkonem 200 wattů. Mike Brenzel, jeden ze zakladatelů společnosti NPX, vysvětlil, že „zakladatelé přinášejí dlouholeté zkušenosti s návrhem a výrobou zdravotnických prostředků – celkem více než 90 let“, s předchozími zkušenostmi se stroji podobnými StarCut využívajícími vláknové lasery. Velká část naší práce zahrnuje řezání nitinolem a již víme, že vláknové lasery mohou poskytnout rychlost a kvalitu, kterou potřebujeme. U zařízení, jako jsou silnostěnné trubice a srdeční chlopně, potřebujeme rychlost a laser USP může být pro naše potřeby příliš pomalý. Kromě velkoobjemových výrobních zakázek – Specializujeme se na malé série dílů – pouze mezi 5 a 150 kusy – naším cílem je dokončit tyto malé série během několika dní, včetně návrhu, programování, řezání, tváření, následného zpracování a kontroly, ve srovnání s týdny po zadání objednávky u větších společností.“ Kromě rychlosti Brenzel zmínil jako hlavní výhodu spolehlivost stroje, který za posledních 18 měsíců téměř nepřetržitého provozu nevyžadoval jediný servisní zásah.
Obrázek 2. NPX nabízí řadu možností následného zpracování. Zde zobrazený materiál je nerezová ocel T316 s vnějším průměrem 5 mm a tloušťkou stěny 0,254 mm. Levá část je řezaná/mikrootryská a pravá část je elektrolyticky leštěná.
Kromě nitinolových dílů společnost také hojně využívá slitiny kobaltu a chromu, slitiny tantalu, slitiny titanu a mnoho druhů lékařských nerezových ocelí. Jeff Hansen, manažer laserového zpracování, vysvětluje: „Flexibilita stroje je dalším důležitým přínosem, který nám umožňuje podporovat řezání velmi rozmanité škály materiálů, včetně trubek a plochých ploch. Paprsek můžeme zaostřit až na bod o velikosti 20 mikronů, což je užitečné pro... Tenké trubky jsou velmi užitečné. Některé z těchto trubek mají vnitřní průměr pouze 0,012″ a vysoký poměr špičkového výkonu k průměrnému výkonu nejnovějších vláknových laserů maximalizuje naši řeznou rychlost a zároveň poskytuje požadovanou kvalitu hran. Bezpodmínečně potřebujeme rychlost větších produktů s vnějším průměrem až 1 palec.“
Kromě přesného řezání a rychlé odezvy nabízí společnost NPX také kompletní škálu technologií postprocessingu a komplexní konstrukční služby, které využívají její rozsáhlé zkušenosti v oboru. Mezi tyto techniky patří elektrolytické leštění, pískování, moření, laserové svařování, tepelná fixace, tváření, pasivace, testování teploty Af a testování únavy materiálu, což jsou klíčové techniky pro výrobu nitinolových zařízení. Brenzel uvedl, že použití postprocessingu k řízení povrchové úpravy hran „obvykle závisí na tom, zda mluvíme o aplikaci s vysokou nebo nízkou únavou. Například vysoce únavová součást, jako je srdeční chlopeň, se může během své životnosti ohnout miliardkrát. Jako krok je důležité použít pískování ke zvětšení poloměru všech hran. Součásti s nízkou únavou materiálu, jako jsou zaváděcí systémy nebo vodicí dráty, však často nevyžadují rozsáhlé postprocessing.“ Pokud jde o odborné znalosti v oblasti designu, Brenzel vysvětluje, že v současnosti až tři čtvrtiny klientů využívají také jejich designérské služby, aby využily pomoci a dovedností NPX při získávání schválení FDA. Společnost je velmi dobrá v tom, že koncept „ubrousku“ v krátkém čase přemění do finální podoby produktu.
Motion Dynamics (Fruitport, MI) je výrobce zakázkových miniaturních pružin, lékařských cívek a drátových sestav, jehož posláním je řešit problémy zákazníků, bez ohledu na to, jak složité nebo zdánlivě nemožné jsou, v co nejkratším čase. V oblasti zdravotnických prostředků se primárně zaměřuje na komplexní sestavy pro neurovaskulární chirurgii, včetně návrhu, výroby a montáže vysoce kvalitních drátových sestav pro aplikace, jako jsou řiditelné katetrizační zařízení, včetně sestav „pull wire“.
Jak již bylo zmíněno, volba vláknového nebo USP laseru je otázkou inženýrských preferencí, stejně jako typu zařízení a podporovaných procesů. Chris Witham, prezident společnosti Motion Dynamics, vysvětlil: „Na základě obchodního modelu, který je vysoce zaměřen na neurovaskulární produkty, můžeme dosáhnout odlišných výsledků v oblasti návrhu, provedení a služeb. Laserové řezání používáme pouze k výrobě komponent, které používáme interně, k výrobě vysoce hodnotných, „obtížných“ komponent, které se staly naší specialitou a reputací; laserové řezání nenabízíme jako smluvní službu. Zjistili jsme, že většina laserových řezů, které provádíme, se nejlépe provádí pomocí USP laserů, a já už mnoho let používám trubici StarCut s jedním z těchto laserů. Vzhledem k silné poptávce po našich produktech máme denně dvě 8hodinové směny, někdy i tři směny, a v roce 2019 potřebujeme pořídit další trubici StarCut, abychom tento růst podpořili. Tentokrát jsme se však rozhodli pro jeden z nových hybridních modelů femtosekundových USP laserů a vláknových laserů. Také jsme ho spárovali se zavaděčem/vyvaděčem StarFeed, takže…“ že bychom mohli řezání plně automatizovat – operátor jednoduše vloží polotovar. Trubka se vloží do podavače a spustí se softwarový operační program pro daný produkt.
Obrázek 3. Tato flexibilní nerezová dodávací trubice (zobrazená vedle gumy na tužky) byla vyříznuta femtosekundovým laserem Monaco.
Witham dodává, že ačkoli stroj občas používají k plochému řezání, více než 95 procent svého času tráví vytvářením nebo úpravou válcových produktů pro své řiditelné katetrové sestavy, konkrétně hypotrubic, spirál a spirál, včetně řezání profilovaných hrotů a otvorů. Tyto komponenty se nakonec používají při postupech, jako je oprava aneurysmatu a odstraňování trombu. To vyžaduje použití laserových řezaček na různé kovy, včetně nerezové oceli, ryzího zlata, platiny a nitinolu.
Obrázek 4. Motion Dynamics také hojně využívá laserové svařování. Nahoře je cívka přivařena k laserově řezané trubce.
Jaké jsou možnosti laseru? Witham vysvětlil, že pro většinu jejich součástí jsou klíčové vynikající kvalita hran a minimální řezné spáry, takže zpočátku preferovali USP lasery. Navíc žádný z materiálů, které společnost používá, nelze řezat jedním z těchto laserů, včetně drobných zlatých součástek používaných jako rentgenkontrastní markery v některých jejích produktech. Dodal však, že nové hybridní možnosti, včetně vláknových laserů a USP, jim dávají větší flexibilitu při optimalizaci problémů s rychlostí/kvalitou hran. „Není pochyb o tom, že optická vlákna mohou poskytovat vyšší rychlosti,“ řekl. „Ale vzhledem k našemu specifickému aplikačnímu zaměření to obvykle znamená nějaký typ následného zpracování, jako je chemické a ultrazvukové čištění nebo elektrolytické leštění. Hybridní stroj nám tedy umožňuje zvolit si, který celkový proces – samotný USP nebo vlákno a následné zpracování – je pro každou součást optimální. Umožňuje nám prozkoumat možnost hybridního obrábění stejné součásti, zejména tam, kde se jedná o větší průměry a tloušťky stěn: dokonce i rychlé řezání vláknovými lasery. Poté použít femtosekundový laser pro jemné řezání.“ Očekává, že laser USP zůstane jejich první volbou, protože většina jejich laserových řezů zahrnuje tloušťku stěny mezi 4 a 6 tisíci, ačkoli se setkávají s tloušťkou stěny od 1 do 20 tisíc. Nerezové trubky mezi tisíci.
Závěrem lze říci, že laserové řezání a vrtání jsou klíčovými procesy při výrobě různých zdravotnických prostředků. Dnes jsou tyto procesy díky pokroku v technologii základních laserů a vysoce optimalizovaným strojům konfigurovaným pro specifické potřeby průmyslu snadněji použitelné a přinášejí lepší výsledky než kdykoli předtím.