Este sitio web es operado por una o más empresas propiedad de Informa PLC y todos los derechos de autor son de su propiedad. El domicilio social de Informa PLC es 5 Howick Place, Londres SW1P 1WG. Registrada en Inglaterra y Gales. N.º 8860726.
Hoy en día, casi todo el corte láser de precisión de metales y no metales se realiza utilizando herramientas equipadas con láseres de fibra o láseres de pulso ultracorto (USP), o a veces ambos. En este artículo, explicaremos las diferentes ventajas de los dos láseres y veremos cómo ambos fabricantes los utilizan. NPX Medical (Plymouth, MN) es una empresa de procesamiento especializado por contrato que fabrica una variedad de dispositivos y herramientas de implementación, como stents, implantes y tubos flexibles, utilizando máquinas que incorporan láseres de fibra. Motion Dynamics fabrica subconjuntos, como conjuntos de "alambre de tracción" utilizados principalmente en neurología, utilizando una máquina que incluye un láser de femtosegundo USP y uno de los últimos sistemas híbridos que incluyen láseres de femtosegundo y fibra para máxima flexibilidad y versatilidad.
Durante muchos años, la mayor parte del micromaquinado láser se ha realizado utilizando láseres de nanosegundos de estado sólido llamados láseres DPSS. Sin embargo, esto ha cambiado por completo gracias al desarrollo de dos tipos de láser completamente diferentes y, por lo tanto, complementarios. Originalmente desarrollados para telecomunicaciones, los láseres de fibra se han convertido en láseres de procesamiento de materiales de gran potencia en muchas industrias, a menudo en longitudes de onda del infrarrojo cercano. Las razones de su éxito radican en su arquitectura simple y su directa escalabilidad de potencia. Esto da como resultado láseres compactos, altamente confiables y fáciles de integrar en máquinas especializadas, y generalmente ofrecen un menor costo de propiedad que los tipos de láser más antiguos. Importante para el micromaquinado, el haz de salida se puede enfocar en un punto pequeño y limpio de solo unas pocas micras de diámetro, por lo que son ideales para corte, soldadura y perforación de alta resolución. Sus salidas también son muy flexibles y controlables, con frecuencias de pulso que van desde un solo disparo hasta 170 kHz. Junto con la potencia escalable, esto permite corte y perforación rápidos.
Sin embargo, una desventaja potencial de los láseres de fibra en el micromaquinado es el mecanizado de características pequeñas y/o piezas delgadas y delicadas. Las duraciones de pulso largas (por ejemplo, 50 µs) dan como resultado una pequeña cantidad de zona afectada por el calor (ZAT), como material refundido, y una pequeña rugosidad en los bordes, lo que puede requerir algún procesamiento posterior. Afortunadamente, los láseres más nuevos (láseres de pulso ultracorto [USP] con pulsos de salida de femtosegundos) eliminan el problema de la ZAT.
Con los láseres USP, la mayor parte del calor adicional asociado con el proceso de corte o perforación se disipa en los residuos expulsados ​​antes de que tenga tiempo de difundirse en el material circundante. Los láseres USP con salida de picosegundos se han utilizado durante mucho tiempo en aplicaciones de micromaquinado que involucran plásticos, semiconductores, cerámica y ciertos metales (picosegundos = 10-12 segundos). Sin embargo, para dispositivos metálicos con pilares del tamaño de un cabello humano, la alta conductividad térmica del metal y su diminuto tamaño significan que los láseres de picosegundos no siempre brindan los resultados mejorados que justificarían el mayor costo de los láseres USP anteriores. Esto ha cambiado ahora con la llegada de los láseres de femtosegundo de grado industrial (femtosegundo = 10-15 segundos). Un ejemplo es la serie de láseres Monaco de Coherent Inc. Al igual que los láseres de fibra, su salida es luz infrarroja cercana, lo que significa que pueden cortar o perforar todos los metales utilizados en dispositivos médicos, incluidos acero inoxidable, platino, oro, magnesio, cobalto-cromo, titanio y más, así como no metales. Si bien la combinación de duración de pulso corta y energía de pulso baja evita daño térmico (HAZ), la alta tasa de repetición (MHz) asegura velocidades de rendimiento rentables para muchos dispositivos médicos de alto valor.
Por supuesto, casi nadie en nuestra industria necesita un solo láser. En cambio, necesitan una máquina basada en láser, y ahora hay muchas máquinas especializadas optimizadas para cortar y perforar dispositivos médicos. Un ejemplo es la serie StarCut Tube de Coherent, que se puede utilizar con láseres de fibra, láseres de femtosegundos o como una versión híbrida que incorpora ambos tipos de láser.
¿Qué significa la especialización en dispositivos médicos? La mayoría de estos dispositivos se producen en lotes limitados basados ​​en diseños personalizados. Por lo tanto, la flexibilidad y la facilidad de uso son consideraciones clave. Si bien muchos dispositivos se fabrican a partir de palanquillas, algunos componentes deben mecanizarse con precisión a partir de palanquillas planas; la misma máquina debe manejar ambos para maximizar su valor. Estas necesidades generalmente se satisfacen proporcionando movimiento controlado por CNC de múltiples ejes (xyz y rotatorio) y una HMI fácil de usar para una programación y un control simples. En el caso de StarCut Tube, una nueva opción de módulo de carga de tubos viene con un cargador de carga lateral (llamado StarFeed) para tubos de hasta 3 m de longitud y un clasificador para productos cortados, lo que permite una producción completamente automatizada.
La flexibilidad del proceso de estas máquinas se mejora aún más gracias al soporte para corte húmedo y seco y boquillas de suministro fácilmente ajustables para procesos que requieren gas asistente. La resolución espacial también es particularmente importante para el mecanizado de piezas muy pequeñas, lo que significa que la estabilidad termomecánica elimina los efectos de la vibración que a menudo se encuentran en los talleres de máquinas. La gama StarCut Tube satisface esta necesidad al construir toda la plataforma de corte con una gran cantidad de elementos de granito.
NPX Medical es un fabricante por contrato relativamente nuevo que ofrece servicios de diseño, ingeniería y corte láser de precisión a fabricantes de dispositivos médicos. Fundada en 2019, la empresa se ha forjado una reputación en la industria por la calidad de sus productos y su capacidad de respuesta, respaldando una amplia gama de dispositivos, incluidos stents, implantes, stents valvulares y tubos de administración flexibles para procedimientos quirúrgicos igualmente diversos. Intervenciones, incluidas cirugías neurovasculares, cardíacas, renales, de columna, ortopédicas, ginecológicas y gastrointestinales. Su cortadora láser principal es la StarCut Tube 2+2 con una StarFiber 320FC con una potencia promedio de 200 vatios. Mike Brenzel, uno de los fundadores de NPX, explicó: "Los fundadores aportan años de experiencia en diseño y fabricación de dispositivos médicos, más de 90 años en total", con experiencia previa con máquinas similares a StarCut que utilizan láseres de fibra. Gran parte de nuestro trabajo implica el corte de Nitinol y ya sabemos que los láseres de fibra pueden proporcionar la velocidad y la calidad que necesitamos. Para dispositivos como paredes gruesas tubos y válvulas cardíacas, necesitamos velocidad, y el láser USP puede ser demasiado lento para nuestras necesidades. Además de los pedidos de producción de alto volumen (nos especializamos en lotes pequeños de piezas, solo entre 5 y 150 piezas), nuestro objetivo es completar estos plazos de entrega de lotes pequeños en solo unos días, incluido el diseño, la programación, el corte, el conformado, el posprocesamiento y la inspección, en comparación con las semanas posteriores a la realización de un pedido para empresas más grandes”. Además de mencionar la velocidad, Brenzel mencionó la confiabilidad de la máquina como una gran ventaja, ya que no requirió una sola llamada de servicio en los últimos 18 meses de operación casi continua.
Figura 2. NPX ofrece una variedad de opciones de posprocesamiento. El material que se muestra aquí es acero inoxidable T316 con un diámetro exterior de 5 mm y un espesor de pared de 0,254 mm. La parte izquierda está cortada/microgranallada y la parte derecha está electropulida.
Además de las piezas de nitinol, la empresa también utiliza ampliamente aleaciones de cobalto-cromo, tántalo y titanio, así como numerosos tipos de acero inoxidable médico. Jeff Hansen, gerente de procesamiento láser, explica: «La flexibilidad de la máquina es otro activo importante, ya que nos permite cortar una amplia gama de materiales, incluyendo tubos y piezas planas. Podemos enfocar el haz hasta un punto de 20 micras, lo cual resulta útil para... Los tubos delgados son muy útiles. Algunos de estos tubos tienen un diámetro interior de tan solo 0,012″, y la alta relación entre la potencia de pico y la potencia promedio de los láseres de fibra más modernos maximiza nuestra velocidad de corte, a la vez que proporciona la calidad de borde deseada. Necesitamos con urgencia la velocidad de productos más grandes, con un diámetro exterior de hasta 1 pulgada».
Además del corte de precisión y la respuesta rápida, NPX también ofrece una gama completa de tecnologías de posprocesamiento, así como servicios de diseño integrales que aprovechan su amplia experiencia en la industria. Estas técnicas incluyen electropulido, arenado, decapado, soldadura láser, termofijado, conformado, pasivación, pruebas de temperatura Af y pruebas de fatiga, todas ellas clave para la fabricación de dispositivos de Nitinol. El uso del posprocesamiento para controlar el acabado de los bordes, dijo Brenzel, "generalmente depende de si estamos hablando de una aplicación de alta o baja fatiga. Por ejemplo, una pieza de alta fatiga como una válvula cardíaca podría doblarse mil millones de veces durante su vida útil como posprocesamiento. Como paso, es importante usar arenado para aumentar el radio de todos los bordes. Pero los componentes de baja fatiga como los sistemas de entrega o las guías a menudo no requieren un posprocesamiento extenso". En términos de experiencia en diseño, explica Brenzel, ahora hay hasta tres cuartas partes de los clientes que también utilizan sus servicios de diseño para aprovechar la ayuda y las habilidades de NPX para obtener la aprobación de la FDA. La empresa es muy buena en convertir el concepto de "boceto de servilleta" en un producto en su forma final en un corto período de tiempo.
Motion Dynamics (Fruitport, MI) es un fabricante de resortes miniatura personalizados, bobinas médicas y conjuntos de cables cuya misión es resolver los problemas de los clientes, sin importar cuán complejos o aparentemente imposibles sean, en el menor tiempo posible. En dispositivos médicos, enfatiza principalmente en conjuntos complejos para cirugía neurovascular, incluido el diseño, la producción y el ensamblaje de conjuntos de cables de alta calidad para aplicaciones tales como dispositivos de catéter dirigibles, incluidos los conjuntos de "alambre de tracción".
Como se mencionó anteriormente, la elección entre láser de fibra o USP depende de las preferencias de ingeniería, así como del tipo de equipo y procesos que se implementan. Chris Witham, presidente de Motion Dynamics, explicó: “Gracias a un modelo de negocio altamente centrado en productos neurovasculares, podemos ofrecer resultados diferenciados en diseño, ejecución y servicio. Solo utilizamos corte por láser para producir los componentes que utilizamos internamente. Para fabricar los componentes de alto valor y “difíciles” que se han convertido en nuestra especialidad y reputación, no ofrecemos corte por láser como servicio por contrato. Hemos comprobado que la mayoría de los cortes láser que realizamos se realizan mejor con láseres USP, y durante muchos años he utilizado un tubo StarCut con uno de estos láseres. Debido a la fuerte demanda de nuestros productos, trabajamos dos turnos de 8 horas al día, a veces incluso tres, y en 2019 necesitamos adquirir otro tubo StarCut para respaldar este crecimiento. Pero esta vez, decidimos optar por uno de los nuevos modelos híbridos de láseres USP de femtosegundo y láseres de fibra. También lo combinamos con un Cargador/descargador StarFeed para que podamos automatizar completamente el corte: el operador simplemente coloca la pieza en bruto. El tubo se carga en el alimentador y se inicia el programa operativo de software para el producto.
Figura 3. Este tubo de suministro flexible de acero inoxidable (mostrado junto a una goma de borrar de lápiz) ha sido cortado con un láser femtosegundo Monaco.
Witham agrega que, si bien ocasionalmente usan la máquina para cortes planos, más del 95 por ciento de su tiempo lo dedican a crear o modificar productos cilíndricos para sus conjuntos de catéteres dirigibles, a saber, hipotubos, bobinas y espirales, incluido el corte de puntas perfiladas y orificios cortados. Estos componentes se utilizan en última instancia en procedimientos como la reparación de aneurismas y la extracción de trombos. Esto requiere el uso de cortadores láser en una variedad de metales, incluidos acero inoxidable, oro puro, platino y nitinol.
Figura 4. Motion Dynamics también utiliza ampliamente la soldadura láser. Arriba, la bobina ha sido soldada al tubo cortado con láser.
¿Cuáles son las opciones de láser? Witham explicó que una excelente calidad de borde y cortes mínimos son cruciales para la mayoría de sus componentes, por lo que inicialmente prefirieron los láseres USP. Además, ninguno de los materiales que utiliza la empresa puede cortarse con estos láseres, incluidos los diminutos componentes de oro utilizados como marcadores radiopacos en algunos de sus productos. Sin embargo, añadió que las nuevas opciones híbridas, como los láseres de fibra y los USP, les brindan mayor flexibilidad para optimizar la velocidad y la calidad del borde. "Sin duda, la fibra óptica puede proporcionar velocidades más altas", afirmó. "Pero debido a nuestro enfoque de aplicación específico, esto generalmente implica algún tipo de posprocesamiento, como limpieza química y ultrasónica o electropulido. Por lo tanto, contar con una máquina híbrida nos permite elegir el proceso general (USP solo o fibra y posprocesamiento) más adecuado para cada componente. Nos permite explorar la posibilidad del mecanizado híbrido del mismo componente, especialmente cuando se trata de diámetros y espesores de pared mayores: incluso corte rápido con láseres de fibra, y luego usar un láser de femtosegundo para cortes finos". Espera que el láser USP siga siendo su primera opción, ya que la mayoría de sus cortes láser involucran espesores de pared de entre 4 y 6 milésimas de pulgada, aunque también encuentran espesores de pared de entre 1 y 20 milésimas de pulgada. Tubos de acero inoxidable de entre milésimas de pulgada.
En conclusión, el corte y la perforación por láser son procesos clave en la fabricación de diversos dispositivos médicos. Hoy en día, gracias a los avances en la tecnología láser central y a las máquinas altamente optimizadas configuradas para las necesidades específicas de la industria, estos procesos son más fáciles de usar y ofrecen mejores resultados que nunca.