Denne hjemmeside drives af en eller flere virksomheder ejet af Informa PLC, og alle ophavsrettigheder ejes af dem. Informa PLC's registrerede kontor er 5 Howick Place, London SW1P 1WG. Registreret i England og Wales. Nr. 8860726.
I dag udføres næsten al præcisionslaserskæring af metaller og ikke-metaller ved hjælp af værktøjer udstyret med fiberlasere eller ultrakorte pulslasere (USP), eller nogle gange begge dele. I denne artikel vil vi forklare de forskellige fordele ved de to lasere og se, hvordan begge producenter bruger disse lasere. NPX Medical (Plymouth, MN) er en kontraktbaseret specialiseret forarbejdningsvirksomhed, der fremstiller en række forskellige enheder og implementeringsværktøjer, såsom stents, implantater og fleksible slanger, ved hjælp af maskiner, der inkorporerer fiberlasere. Motion Dynamics fremstiller underenheder, såsom "pull wire"-enheder, der primært anvendes i neurologi, ved hjælp af en maskine, der inkluderer en USP femtosekundlaser og et af de nyeste hybridsystemer, herunder femtosekund- og fiberlasere, for maksimal fleksibilitet og alsidighed.
I mange år er det meste lasermikrobearbejdning blevet udført ved hjælp af solid-state nanosekundlasere kaldet DPSS-lasere. Dette har dog nu ændret sig fuldstændigt takket være udviklingen af ​​to helt forskellige og derfor komplementære lasertyper. Oprindeligt udviklet til telekommunikation, har fiberlasere modnet til arbejdsheste til materialebearbejdning i mange industrier, ofte ved nær-infrarøde bølgelængder. Årsagerne til dens succes ligger i dens enkle arkitektur og ligefremme skalerbarhed. Dette resulterer i lasere, der er kompakte, yderst pålidelige og nemme at integrere i specialiserede maskiner, og som generelt tilbyder lavere ejeromkostninger end ældre lasertyper. Vigtigt for mikrobearbejdning er, at udgangsstrålen kan fokuseres på et lille, rent punkt på kun et par mikrometer i diameter, så de er ideelle til skæring, svejsning og boring med høj opløsning. Deres output er også meget fleksible og kontrollerbare, med pulshastigheder fra enkelt skud til 170 kHz. Sammen med skalerbar effekt understøtter dette hurtig skæring og boring.
En potentiel ulempe ved fiberlasere i mikrobearbejdning er imidlertid bearbejdningen af ​​små detaljer og/eller tynde, sarte dele. Lange (f.eks. 50 µs) pulsvarigheder resulterer i en lille mængde varmepåvirket zone (HAZ), såsom genstøbt materiale, og lille kantruhed, hvilket kan kræve en vis efterbehandling. Heldigvis eliminerer nyere lasere - ultrakorte pulslasere (USP) med femtosekunds outputpulser - HAZ-problemet.
Med USP-lasere føres det meste af den ekstra varme, der er forbundet med skære- eller boreprocessen, væk i det udstødte affald, før det har tid til at diffundere ind i det omgivende materiale. USP-lasere med picosekunderoutput har længe været brugt i mikrobearbejdningsapplikationer, der involverer plast, halvledere, keramik og visse metaller (picosekunder = 10-12 sekunder). Men for metalenheder med søjler på størrelse med et menneskehår betyder metallets høje varmeledningsevne og lille størrelse, at picosekunderlasere ikke altid giver de forbedrede resultater, der ville retfærdiggøre de øgede omkostninger ved tidligere USP-lasere. Dette har nu ændret sig med fremkomsten af ​​industrielle femtosekundlasere (femtosekund = 10-15 sekunder). Et eksempel er Coherent Inc.'s Monaco-serie af lasere. Ligesom fiberlasere er deres output nær-infrarødt lys, hvilket betyder, at de kan skære eller bore i alle metaller, der anvendes i medicinsk udstyr, herunder rustfrit stål, platin, guld, magnesium, kobolt-krom, titanium og mere, samt ikke-metaller. Mens kombinationen af ​​kort pulsvarighed og lav puls energi forhindrer termisk skade (HAZ), og den høje (MHz) repetitionshastighed sikrer omkostningseffektive gennemløbshastigheder for mange medicinske apparater af høj værdi.
Selvfølgelig har næsten ingen i vores branche brug for kun én laser. I stedet har de brug for en laserbaseret maskine, og der findes nu mange specialiserede maskiner, der er optimeret til at skære og bore i medicinsk udstyr. Et eksempel er Coherents StarCut Tube-serie, som kan bruges med fiberlasere, femtosekundlasere eller som en hybridversion, der inkorporerer begge lasertyper.
Hvad betyder specialisering af medicinsk udstyr? De fleste af disse enheder produceres i begrænsede partier baseret på brugerdefinerede designs. Derfor er fleksibilitet og brugervenlighed vigtige overvejelser. Mens mange enheder er fremstillet af barrer, skal nogle komponenter præcisionsbearbejdes fra flade barrer; den samme maskine skal håndtere begge dele for at maksimere sin værdi. Disse behov opfyldes normalt ved at tilbyde multiakset CNC-styret (xyz og roterende) bevægelse og et brugervenligt HMI til enkel programmering og styring. I tilfældet med StarCut Tube leveres et nyt rørindlæsningsmodul med et sideindlæsningsmagasin (kaldet StarFeed) til rør op til 3 m i længden og en sorteringsenhed til udskårne produkter, hvilket muliggør fuldautomatiseret produktion.
Maskinernes procesfleksibilitet forbedres yderligere ved understøttelse af våd- og tørskæring og let justerbare tilførselsdyser til processer, der kræver hjælpegas. Rumlig opløsning er også særlig vigtig til bearbejdning af meget små dele, hvilket betyder, at termomekanisk stabilitet eliminerer de vibrationseffekter, der ofte opstår i maskinværksteder. StarCut Tube-serien opfylder dette behov ved at bygge hele skæredækket med et stort antal granitelementer.
NPX Medical er en forholdsvis ny kontraktproducent, der leverer design-, ingeniør- og præcisionslaserskæringstjenester til producenter af medicinsk udstyr. Virksomheden blev grundlagt i 2019 og har opbygget et ry i branchen for kvalitetsprodukter og hurtig respons. Virksomheden understøtter en bred vifte af enheder, herunder stents, implantater, ventilstents og fleksible leveringsrør til lignende forskellige kirurgiske procedurer, herunder neurovaskulær, hjerte-, nyre-, ryg-, ortopædisk, gynækologisk og gastrointestinal kirurgi. Dens primære laserskærer er StarCut Tube 2+2 med en StarFiber 320FC med en gennemsnitlig effekt på 200 watt. Mike Brenzel, en af ​​NPX's grundlæggere, forklarede, at "grundlæggerne bringer mange års erfaring med design og fremstilling af medicinsk udstyr - mere end 90 år i alt", med tidligere erfaring med StarCut-lignende maskiner, der bruger fiberlasere. Meget af vores arbejde involverer Nitinol-skæring, og vi ved allerede, at fiberlasere kan levere den hastighed og kvalitet, vi har brug for. Til enheder som tykvæggede rør og hjerteklapper har vi brug for hastighed, og USP-laseren kan være for langsom til vores behov. Ud over produktionsordrer i store mængder – vi specialiserer os i små partier af dele – kun mellem 5 og 150 stk. – vores mål er at gennemføre disse små batch-omstillingstider på blot et par dage, inklusive design, programmering, skæring, formning, efterbehandling og inspektion, sammenlignet med ugerne efter en ordre er afgivet for større virksomheder.” Ud over at nævne hastighed nævnte Brenzel maskinens pålidelighed som en stor fordel, da den ikke har krævet et eneste serviceopkald i løbet af de sidste 18 måneder med næsten kontinuerlig drift.
Figur 2. NPX tilbyder en række efterbehandlingsmuligheder. Materialet vist her er T316 rustfrit stål med en ydre diameter på 5 mm og en vægtykkelse på 0,254 mm. Den venstre del er skåret/mikroblæst, og den højre del er elektropoleret.
Udover nitinoldele gør virksomheden også i vid udstrækning brug af kobolt-kromlegeringer, tantallegeringer, titanlegeringer og mange typer medicinsk rustfrit stål. Jeff Hansen, laserbearbejdningschef, forklarer: "Maskinfleksibilitet er en anden vigtig fordel, der giver os mulighed for at understøtte skæring af en meget bred vifte af materialer, herunder rør og flade materialer. Vi kan fokusere strålen ned til et 20-mikron punkt, hvilket er nyttigt til mere ... Tynde rør er meget nyttige. Nogle af disse rør har kun en indvendig diameter på 0,012" (0,012"), og det høje forhold mellem spidseffekt og gennemsnitseffekt i de nyeste fiberlasere maksimerer vores skærehastighed, samtidig med at den ønskede kantkvalitet stadig gives. Vi har absolut brug for hastigheden fra større produkter med en udvendig diameter på op til 1 tomme."
Ud over præcisionsskæring og hurtig respons tilbyder NPX også et komplet udvalg af efterbehandlingsteknologier samt omfattende designtjenester, der udnytter deres omfattende erfaring i branchen. Disse teknikker omfatter elektropolering, sandblæsning, bejdsning, lasersvejsning, varmefiksering, formning, passivering, Af-temperaturprøvning og udmattelsesprøvning, som alle er nøglen til fremstilling af Nitinol-enheder. Brugen af ​​efterbehandling til at kontrollere kantfinish, sagde Brenzel, "afhænger normalt af, om vi taler om en applikation med høj eller lav træthed. For eksempel kan en del med høj træthed, som en hjerteklap, bøje en milliard gange i løbet af sin levetid som efterbehandling. Som et trin er det vigtigt at bruge sandblæsning til at øge radius af alle kanter. Men komponenter med lav træthed, som leveringssystemer eller guidewires, kræver ofte ikke omfattende efterbehandling." Med hensyn til designekspertise forklarer Brenzel, at der nu er så mange som ... Tre fjerdedele af kunderne bruger også deres designtjenester til at drage fordel af NPX's hjælp og færdigheder til at opnå FDA-godkendelse. Virksomheden er meget god til at forvandle "servietskitse"-konceptet til et produkt i sin endelige form på kort tid.
Motion Dynamics (Fruitport, MI) er en producent af specialfremstillede miniaturefjedre, medicinske spoler og trådsamlinger, hvis mission er at løse kundernes problemer, uanset hvor komplekse eller tilsyneladende umulige de er, på kortest mulig tid. Inden for medicinsk udstyr lægger virksomheden primært vægt på komplekse samlinger til neurovaskulær kirurgi, herunder design, produktion og samling af trådsamlinger af høj kvalitet til applikationer som styrbare kateteranordninger, herunder "træktråd"-samlinger.
Som tidligere nævnt er valget af fiber- eller USP-laser et spørgsmål om teknisk præference samt typen af ​​udstyr og processer, der understøttes. Chris Witham, President for Motion Dynamics, forklarede: "Baseret på en forretningsmodel, der er stærkt fokuseret på neurovaskulære produkter, kan vi levere differentierede resultater inden for design, udførelse og service. Vi bruger kun laserskæring til at producere de komponenter, vi bruger internt, til at fremstille de værdifulde, "vanskelige" komponenter, der er blevet vores speciale og omdømme; vi tilbyder ikke laserskæring som en kontraktservice. Vi har fundet ud af, at de fleste laserskæringer, vi udfører, bedst udføres med USP-lasere, og i mange år har jeg brugt et StarCut Tube med en af ​​disse lasere. På grund af den stærke efterspørgsel efter vores produkter har vi to 8-timers vagter om dagen, nogle gange endda tre vagter, og i 2019 er vi nødt til at anskaffe endnu et StarCut Tube for at understøtte denne vækst. Men denne gang besluttede vi at gå med en af ​​de nye hybridmodeller af femtosekund USP-lasere og fiberlasere. Vi parrede den også med en StarFeed loader/unloader, så vi..." kunne automatisere skæringen fuldt ud – operatøren sætter blot emnet i. Røret lægges i føderen, og softwareprogrammet til produktet startes.
Figur 3. Dette fleksible tilførselsrør i rustfrit stål (vist ved siden af ​​et blyantsviskelæder) er blevet skåret med en Monaco femtosekundlaser.
Witham tilføjer, at selvom de lejlighedsvis bruger maskinen til fladskæring, bruger de mere end 95 procent af deres tid på at skabe eller modificere cylindriske produkter til deres styrbare kateteraggregater, nemlig hypotuber, coils og spiraler, herunder skæring af profilerede spidser og huller. Disse komponenter bruges i sidste ende i procedurer som aneurismereparation og fjernelse af tromber. Dette kræver brug af laserskærere på en række forskellige metaller, herunder rustfrit stål, rent guld, platin og nitinol.
Figur 4. Motion Dynamics bruger også lasersvejsning i vid udstrækning. Ovenfor er spolen svejset til det laserskårne rør.
Hvilke lasermuligheder er der? Witham forklarede, at fremragende kantkvalitet og minimale snit er afgørende for de fleste af deres komponenter, så de foretrak i starten USP-lasere. Derudover kan ingen af ​​de materialer, virksomheden bruger, skæres af en af ​​disse lasere, inklusive de små guldkomponenter, der bruges som røntgenfaste markører i nogle af deres produkter. Men han tilføjede, at nye hybridmuligheder, herunder fiberlasere og USP'er, giver dem mere fleksibilitet i at optimere hastigheds-/kantkvalitetsproblemer. "Der er ingen tvivl om, at fiberoptik kan give højere hastigheder," sagde han. "Men på grund af vores særlige applikationsfokus betyder dette normalt en form for efterbehandling, såsom kemisk og ultralydsrensning eller elektropolering. Så at have en hybridmaskine giver os mulighed for at vælge, hvilken overordnet proces - USP alene eller fiber- og efterbehandlingshåndtering - der er optimal for hver komponent. Det giver os mulighed for at undersøge muligheden for hybridbearbejdning af den samme komponent, især hvor der er tale om større diametre og vægtykkelser: selv hurtig skæring med fiberlasere. Brug derefter en femtosekundlaser til finskæring." Han forventer, at USP-laseren fortsat vil være deres førstevalg, fordi de fleste af deres laserskæringer involverer vægtykkelser mellem 4 og 6 thousandvidde, selvom de støder på vægtykkelser fra 1-20 thousandvidde. Rustfrit stålrør mellem thousandvidde.
Afslutningsvis er laserskæring og boring nøgleprocesser i fremstillingen af ​​forskellige medicinske apparater. I dag, takket være fremskridt inden for kernelaserteknologi og stærkt optimerede maskiner konfigureret til industriens specifikke behov, er disse processer nemmere at bruge og leverer bedre resultater end nogensinde før.