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Heutzutage wird fast das gesamte Präzisionslaserschneiden von Metallen und Nichtmetallen mit Werkzeugen durchgeführt, die mit Faserlasern oder Ultrakurzpulslasern (UKP) oder manchmal mit beidem ausgestattet sind. In diesem Artikel erklären wir die unterschiedlichen Vorteile der beiden Laser und sehen, wie beide Hersteller diese Laser verwenden. NPX Medical (Plymouth, MN) ist ein auf Auftragsverarbeitung spezialisiertes Unternehmen, das eine Vielzahl von Geräten und Einsatzwerkzeugen wie Stents, Implantate und flexible Schläuche unter Verwendung von Maschinen mit Faserlasern herstellt. Motion Dynamics fertigt Unterbaugruppen wie „Zugdraht“-Baugruppen, die hauptsächlich in der Neurologie verwendet werden, unter Verwendung einer Maschine, die einen USP-Femtosekundenlaser und eines der neuesten Hybridsysteme einschließlich Femtosekunden- und Faserlaser für maximale Flexibilität und Vielseitigkeit umfasst.
Viele Jahre lang wurden die meisten Lasermikrobearbeitungen mit Festkörper-Nanosekundenlasern, sogenannten DPSS-Lasern, durchgeführt. Dank der Entwicklung zweier völlig unterschiedlicher und daher komplementärer Lasertypen hat sich dies nun jedoch völlig geändert. Ursprünglich für die Telekommunikation entwickelt, haben sich Faserlaser in vielen Branchen zu leistungsstarken Materialbearbeitungslasern entwickelt, oft bei Wellenlängen im nahen Infrarot. Die Gründe für ihren Erfolg liegen in ihrer einfachen Architektur und der unkomplizierten Leistungsskalierbarkeit. Das Ergebnis sind Laser, die kompakt, äußerst zuverlässig und einfach zu integrieren sind Spezialmaschinen und bieten im Allgemeinen niedrigere Betriebskosten als ältere Lasertypen. Wichtig für die Mikrobearbeitung ist, dass der Ausgangsstrahl auf einen kleinen, sauberen Punkt von nur wenigen Mikrometern Durchmesser fokussiert werden kann, sodass sie sich ideal für hochauflösendes Schneiden, Schweißen und Bohren eignen. Ihre Ausgänge sind außerdem sehr flexibel und steuerbar, mit Impulsraten von Einzelschuss bis 170 kHz. Zusammen mit der skalierbaren Leistung unterstützt dies schnelles Schneiden und Bohren.
Ein potenzieller Nachteil von Faserlasern bei der Mikrobearbeitung ist jedoch die Bearbeitung kleiner Merkmale und/oder dünner, empfindlicher Teile. Lange Pulsdauern (z. B. 50 µs) führen zu einer geringen Menge an Wärmeeinflusszonen (HAZ) wie Umgussmaterial und geringer Kantenrauheit, die möglicherweise eine Nachbearbeitung erfordern. Glücklicherweise beseitigen neuere Laser – Ultrakurzpulslaser (USP) mit Femtosekunden-Ausgangspulsen – das HAZ-Problem.
Bei UKP-Lasern wird der größte Teil der mit dem Schneid- oder Bohrvorgang verbundenen zusätzlichen Wärme in den ausgeworfenen Trümmern abgeführt, bevor diese Zeit haben, in das umgebende Material zu diffundieren. UKP-Laser mit Pikosekunden-Ausgangsleistung werden seit langem in Mikrobearbeitungsanwendungen für Kunststoffe, Halbleiter, Keramik und bestimmte Metalle (Pikosekunden = 10–12 Sekunden) eingesetzt. Bei Metallgeräten mit Säulen von der Größe eines menschlichen Haares ist dies bei Pikosekundenlasern aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit und der geringen Größe des Metalls jedoch nicht immer der Fall liefern die verbesserten Ergebnisse, die die höheren Kosten früherer USP-Laser rechtfertigen würden. Dies hat sich nun mit dem Aufkommen von Femtosekundenlasern in Industriequalität (Femtosekunde = 10–15 Sekunden) geändert. Ein Beispiel ist die Monaco-Laserserie von Coherent Inc.. Wie Faserlaser ist ihre Ausgabe Licht im nahen Infrarotbereich, was bedeutet, dass sie alle in medizinischen Geräten verwendeten Metalle, einschließlich Edelstahl, Platin, Gold, Magnesium, Kobalt-Chrom, Titan und mehr, sowie Nichtmetalle schneiden oder bohren können s.Während die Kombination aus kurzer Pulsdauer und geringer Pulsenergie thermische Schäden (HAZ) verhindert, gewährleistet die hohe (MHz) Wiederholungsrate kostengünstige Durchsatzgeschwindigkeiten für viele hochwertige medizinische Geräte.
Natürlich braucht in unserer Branche fast niemand nur einen Laser. Stattdessen braucht es eine laserbasierte Maschine, und mittlerweile gibt es viele Spezialmaschinen, die für das Schneiden und Bohren medizinischer Geräte optimiert sind. Ein Beispiel ist die StarCut Tube-Serie von Coherent, die mit Faserlasern, Femtosekundenlasern oder als Hybridversion mit beiden Lasertypen verwendet werden kann.
Was bedeutet Spezialisierung auf medizinische Geräte? Die meisten dieser Geräte werden in begrenzten Stückzahlen auf der Grundlage kundenspezifischer Designs hergestellt. Daher sind Flexibilität und Benutzerfreundlichkeit von entscheidender Bedeutung. Während viele Geräte aus Knüppeln hergestellt werden, müssen einige Komponenten aus flachen Knüppeln präzisionsgefertigt werden;Dieselbe Maschine muss beides beherrschen, um ihren Wert zu maximieren. Diese Anforderungen werden in der Regel durch die Bereitstellung einer mehrachsigen CNC-gesteuerten Bewegung (xyz und rotierend) und einer benutzerfreundlichen HMI für einfache Programmierung und Steuerung erfüllt. Im Fall von StarCut Tube ist ein neues Rohrlademodul mit einem seitlichen Lademagazin (genannt StarFeed) für Rohre mit einer Länge von bis zu 3 m und einem Sortierer für geschnittene Produkte ausgestattet, was eine vollautomatische Produktion ermöglicht.
Die Prozessflexibilität dieser Maschinen wird durch die Unterstützung von Nass- und Trockenschneiden und leicht einstellbaren Förderdüsen für Prozesse, die Hilfsgas erfordern, weiter erhöht. Die räumliche Auflösung ist auch besonders wichtig für die Bearbeitung sehr kleiner Teile, was bedeutet, dass die thermomechanische Stabilität die in Maschinenwerkstätten häufig auftretenden Vibrationseffekte eliminiert. Die StarCut Tube-Reihe erfüllt diesen Bedarf, indem sie das gesamte Mähdeck aus einer großen Anzahl von Granitelementen aufbaut.
NPX Medical ist ein relativ neuer Vertragshersteller, der Design-, Engineering- und Präzisions-Laserschneiddienstleistungen für Hersteller medizinischer Geräte anbietet. Das 2019 gegründete Unternehmen hat sich in der Branche einen Ruf für Qualitätsprodukte und Reaktionsfähigkeit aufgebaut und unterstützt eine breite Palette von Geräten, darunter Stents, Implantate, Klappenstents und flexible Einführschläuche für ähnlich unterschiedliche chirurgische Eingriffe, einschließlich neurovaskulärer, kardialer, renaler, Wirbelsäulen-, orthopädischer, gynäkologischer und gastrointestinaler Chirurgie. Sein wichtigster Laserschneider ist der StarCut Tube 2+2Â mit einem StarFiber 320FC mit einer durchschnittlichen Leistung von 200 Watt. Mike Brenzel, einer der Gründer von NPX, erklärte: „Die Gründer bringen jahrelange Erfahrung in der Entwicklung und Herstellung medizinischer Geräte mit – insgesamt mehr als 90 Jahre“, mit vorheriger Erfahrung mit StarCut-ähnlichen Maschinen, die Faserlaser verwenden. Ein Großteil unserer Arbeit umfasst das Schneiden von Nitinol und wir wissen bereits, dass Faserlaser die Geschwindigkeit und Qualität bieten können, die wir benötigen. Für Geräte wie dickwandige Schläuche und Herzklappen haben wir Wir benötigen Geschwindigkeit, und der UKP-Laser ist möglicherweise zu langsam für unsere Anforderungen. Zusätzlich zu Produktionsaufträgen mit hohem Volumen – wir sind auf kleine Teileserien spezialisiert – nur zwischen 5 und 150 Stück – ist es unser Ziel, diese kleinen Chargen in nur wenigen Tagen abzuwickeln, einschließlich Design, Programmierung, Schneiden, Formen, Nachbearbeitung und Inspektion, im Vergleich zu den Wochen nach der Auftragserteilung bei größeren Unternehmen 8 Monate nahezu ununterbrochener Betrieb.
Abbildung 2. NPX bietet eine Vielzahl von Nachbearbeitungsoptionen. Das hier gezeigte Material ist T316-Edelstahl mit einem Außendurchmesser von 5 mm und einer Wandstärke von 0,254 mm. Der linke Teil ist geschnitten/mikrogestrahlt und der rechte Teil ist elektropoliert.
Neben Teilen aus Nitinol verwendet das Unternehmen auch in großem Umfang Kobalt-Chrom-Legierungen, Tantallegierungen, Titanlegierungen und viele Arten medizinischer Edelstähle. Jeff Hansen, Laserbearbeitungsmanager, erklärt: „Die Flexibilität der Maschine ist ein weiterer wichtiger Vorteil, der es uns ermöglicht, das Schneiden einer sehr breiten Palette von Materialien, einschließlich Rohren und Flachmaterialien, zu unterstützen.“Wir können den Strahl auf einen 20-Mikrometer-Punkt fokussieren, was für dünnere Röhren sehr nützlich ist.Einige dieser Rohre haben nur einen Innendurchmesser von 0,012 Zoll, und das hohe Verhältnis von Spitzenleistung zu Durchschnittsleistung der neuesten Faserlaser maximiert unsere Schnittgeschwindigkeit und sorgt gleichzeitig für die gewünschte Kantenqualität.Wir brauchen unbedingt die Geschwindigkeit größerer Produkte mit einem Außendurchmesser von bis zu 1 Zoll.“
Neben präzisem Schneiden und schneller Reaktion bietet NPX auch eine umfassende Palette an Nachbearbeitungstechnologien sowie umfassende Designdienstleistungen an, die auf seiner umfangreichen Erfahrung in der Branche basieren. Zu diesen Techniken gehören Elektropolieren, Sandstrahlen, Beizen, Laserschweißen, Wärmefixieren, Formen, Passivieren, Af-Temperaturtests und Ermüdungstests, die alle für die Herstellung von Nitinol-Geräten von entscheidender Bedeutung sind. Brenzel sagte, dass der Einsatz der Nachbearbeitung zur Kontrolle der Kantenbearbeitung „normalerweise davon abhängt, ob es sich um eine hohe Ermüdung handelt.“ oder ermüdungsarmen Einsatz.Beispielsweise kann sich ein stark ermüdendes Teil wie eine Herzklappe im Laufe seiner Lebensdauer als Nachbearbeitung milliardenfach verbiegen. Als ersten Schritt ist es wichtig, Sandstrahlen zu verwenden, um den Radius aller Kanten zu vergrößern.Aber ermüdungsarme Komponenten wie Einführsysteme oder Führungsdrähte erfordern oft keine aufwändige Nachbearbeitung.“In Bezug auf die Designkompetenz, erklärt Brenzel, gibt es mittlerweile bis zu drei Viertel der Kunden, die ihre Designdienstleistungen auch nutzen, um die Hilfe und Fähigkeiten von NPX bei der Erlangung der FDA-Zulassung in Anspruch zu nehmen. Das Unternehmen ist sehr gut darin, das Konzept der „Serviettenskizze“ in kurzer Zeit in ein Produkt in seiner endgültigen Form umzusetzen.
Motion Dynamics (Fruitport, MI) ist ein Hersteller von kundenspezifischen Miniaturfedern, medizinischen Spulen und Drahtbaugruppen, dessen Aufgabe es ist, Kundenprobleme, egal wie komplex oder scheinbar unmöglich, in kürzester Zeit zu lösen. Bei medizinischen Geräten liegt der Schwerpunkt vor allem auf komplexen Baugruppen für die neurovaskuläre Chirurgie, einschließlich der Konstruktion, Produktion und Montage hochwertiger Drahtbaugruppen für Anwendungen wie steuerbare Kathetergeräte, einschließlich „Zugdraht“-Baugruppen.
Wie bereits erwähnt, ist die Wahl des Faser- oder UKP-Lasers eine Frage der technischen Präferenz sowie der Art der unterstützten Ausrüstung und Prozesse. Chris Witham, Präsident von Motion Dynamics, erklärte: „Basierend auf einem Geschäftsmodell, das sich stark auf neurovaskuläre Produkte konzentriert, können wir differenzierte Ergebnisse in Design, Ausführung und Service liefern.“Für die Eigenfertigung der von uns verwendeten Bauteile nutzen wir ausschließlich Laserschneiden., um die hochwertigen, „schwierigen“ Komponenten herzustellen, die zu unserer Spezialität und unserem Ruf geworden sind;Wir bieten Laserschneiden nicht als Vertragsleistung an.Wir haben festgestellt, dass die meisten Laserschnitte, die wir durchführen, am besten mit UKP-Lasern durchgeführt werden können, und ich verwende seit vielen Jahren ein StarCut-Rohr mit einem dieser Laser.Aufgrund der starken Nachfrage nach unseren Produkten haben wir zwei 8-Stunden-Schichten pro Tag, manchmal sogar drei Schichten, und im Jahr 2019 müssen wir eine weitere StarCut-Röhre erwerben, um dieses Wachstum zu unterstützen.Aber dieses Mal haben wir uns für eines der neuen Hybridmodelle aus Femtosekunden-UKP-Lasern und Faserlasern entschieden.Wir haben es auch mit einem StarFeed-Lade-/Entladegerät gekoppelt, sodass wir das Schneiden vollständig automatisieren konnten – der Bediener legt einfach den Rohling ein. Das Rohr wird in den Feeder geladen und das Software-Betriebsprogramm für das Produkt wird gestartet.
Abbildung 3. Dieses flexible Abgaberohr aus Edelstahl (neben einem Radiergummi abgebildet) wurde mit einem Monaco-Femtosekundenlaser geschnitten.
Witham fügt hinzu, dass sie die Maschine zwar gelegentlich zum Flachschneiden verwenden, aber mehr als 95 Prozent ihrer Zeit damit verbringen, zylindrische Produkte für ihre steuerbaren Katheterbaugruppen zu erstellen oder zu modifizieren, nämlich Hypotubes, Spulen und Spiralen, einschließlich des Schneidens profilierter Spitzen und Löcher. Diese Komponenten werden letztendlich bei Verfahren wie der Aneurysma-Reparatur und der Thrombusentfernung verwendet. Dies erfordert den Einsatz von Laserschneidern auf einer Vielzahl von Metallen, darunter Edelstahl, reines Gold, Platin und Nitinol.
Abbildung 4. Auch bei Motion Dynamics kommt Laserschweißen in großem Umfang zum Einsatz. Oben wurde die Spule an das lasergeschnittene Rohr geschweißt.
Welche Laseroptionen gibt es? Witham erklärte, dass eine hervorragende Kantenqualität und minimale Schnittfugen für die meisten ihrer Komponenten von entscheidender Bedeutung sind, weshalb sie zunächst UKP-Laser bevorzugten. Darüber hinaus kann keines der Materialien, die das Unternehmen verwendet, mit einem dieser Laser geschnitten werden, einschließlich der winzigen Goldkomponenten, die in einigen seiner Produkte als röntgendichte Markierungen verwendet werden. Er fügte jedoch hinzu, dass neue Hybridoptionen, einschließlich Faserlaser und UKPs, ihnen mehr Flexibilität bei der Optimierung von Geschwindigkeits-/Kantenqualitätsproblemen geben. „Es besteht kein Zweifel daran, dass Glasfasern höhere Geschwindigkeiten ermöglichen können.“ Er sagte: „Aber aufgrund unseres besonderen Anwendungsschwerpunkts bedeutet dies normalerweise eine Art Nachbearbeitung, wie zum Beispiel chemische und Ultraschallreinigung oder Elektropolieren.“Mit einer Hybridmaschine können wir also wählen, welcher Gesamtprozess – USP allein oder Faser- und Nachbearbeitungshandhabung – für jede Komponente optimal ist.Es ermöglicht uns, die Möglichkeit einer hybriden Bearbeitung desselben Bauteils zu erkunden, insbesondere bei größeren Durchmessern und Wandstärken: sogar schnelles Schneiden mit Faserlasern, anschließend Einsatz eines Femtosekundenlasers zum Feinschneiden.“Er geht davon aus, dass der UKP-Laser ihre erste Wahl bleiben wird, da die meisten ihrer Laserschnitte Wandstärken zwischen 4 und 6 Tausendstel aufweisen, obwohl sie Wandstärken zwischen 1 und 20 Tausendstel antreffen.Edelstahlrohre zwischen euch.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Laserschneiden und Bohren Schlüsselprozesse bei der Herstellung verschiedener medizinischer Geräte sind. Dank Fortschritten in der Kernlasertechnologie und hochoptimierten Maschinen, die für die spezifischen Anforderungen der Branche konfiguriert sind, sind diese Prozesse heute einfacher anzuwenden und liefern bessere Ergebnisse als je zuvor.