این وب‌سایت توسط یک یا چند کسب‌وکار متعلق به شرکت Informa PLC اداره می‌شود و کلیه حقوق کپی‌رایت متعلق به آنهاست. دفتر ثبت‌شده Informa PLC در آدرس 5 Howick Place, London SW1P 1WG واقع شده است. ثبت‌شده در انگلستان و ولز. شماره ثبت: 8860726.
امروزه تقریباً تمام برش‌های لیزری دقیق فلزات و غیرفلزات با استفاده از ابزارهای مجهز به لیزرهای فیبری یا لیزرهای پالس فوق کوتاه (USP) یا گاهی اوقات هر دو انجام می‌شود. در این مقاله، مزایای مختلف این دو لیزر را توضیح خواهیم داد و خواهیم دید که هر دو تولیدکننده چگونه از این لیزرها استفاده می‌کنند. NPX Medical (پلیموث، مینه‌سوتا) یک شرکت پردازش تخصصی قراردادی است که انواع دستگاه‌ها و ابزارهای استقرار، مانند استنت، ایمپلنت و لوله‌های انعطاف‌پذیر را با استفاده از ماشین‌هایی که شامل لیزرهای فیبری هستند، تولید می‌کند. Motion Dynamics زیرمجموعه‌هایی مانند مجموعه‌های "سیم کششی" را که در درجه اول در مغز و اعصاب استفاده می‌شوند، با استفاده از دستگاهی که شامل یک لیزر فمتوثانیه USP و یکی از جدیدترین سیستم‌های هیبریدی شامل لیزرهای فمتوثانیه و فیبری برای حداکثر انعطاف‌پذیری و تطبیق‌پذیری است، تولید می‌کند.
سال‌های زیادی است که بیشتر ریزماشین‌کاری لیزری با استفاده از لیزرهای نانوثانیه‌ای حالت جامد به نام لیزرهای DPSS انجام می‌شود. با این حال، این وضعیت اکنون به لطف توسعه دو نوع لیزر کاملاً متفاوت و در نتیجه مکمل، کاملاً تغییر کرده است. لیزرهای فیبری که در ابتدا برای ارتباطات از راه دور توسعه یافته بودند، به لیزرهای پردازش مواد پرکار در بسیاری از صنایع، اغلب در طول موج‌های نزدیک به مادون قرمز، تبدیل شده‌اند. دلایل موفقیت آن در معماری ساده و مقیاس‌پذیری توان ساده آن نهفته است. این امر منجر به لیزرهایی می‌شود که جمع و جور، بسیار قابل اعتماد و به راحتی در ماشین‌های تخصصی ادغام می‌شوند و عموماً هزینه مالکیت کمتری نسبت به انواع لیزر قدیمی‌تر ارائه می‌دهند. نکته مهم برای ریزماشین‌کاری، پرتو خروجی را می‌توان در یک نقطه کوچک و تمیز با قطر تنها چند میکرون متمرکز کرد، بنابراین برای برش، جوشکاری و حفاری با وضوح بالا ایده‌آل هستند. خروجی‌های آنها نیز بسیار انعطاف‌پذیر و قابل کنترل هستند و نرخ پالس آنها از تک شات تا 170 کیلوهرتز متغیر است. این امر در کنار توان مقیاس‌پذیر، از برش و حفاری سریع پشتیبانی می‌کند.
با این حال، یک نقطه ضعف بالقوه لیزرهای فیبری در میکروماشین‌کاری، ماشینکاری قطعات کوچک و/یا قطعات نازک و ظریف است. مدت زمان پالس طولانی (مثلاً 50 میکروثانیه) منجر به مقدار کمی منطقه تحت تأثیر حرارت (HAZ) مانند مواد ریخته‌گری مجدد و زبری لبه کوچک می‌شود که ممکن است نیاز به پردازش پس از آن داشته باشد. خوشبختانه، لیزرهای جدیدتر - لیزرهای پالس فوق کوتاه (USP) با پالس‌های خروجی فمتوثانیه - مشکل HAZ را از بین می‌برند.
با لیزرهای USP، بیشتر گرمای اضافی مرتبط با فرآیند برش یا سوراخکاری، قبل از اینکه زمان انتشار در مواد اطراف را داشته باشد، در ذرات پرتاب شده حمل می‌شود. لیزرهای USP با خروجی پیکوثانیه مدت‌هاست که در کاربردهای میکروماشین‌کاری شامل پلاستیک، نیمه‌رساناها، سرامیک‌ها و فلزات خاص (پیکوثانیه = 10-12 ثانیه) استفاده می‌شوند. اما برای دستگاه‌های فلزی با ستون‌هایی به اندازه موی انسان، رسانایی حرارتی بالای فلز و اندازه کوچک آن به این معنی است که لیزرهای پیکوثانیه همیشه نتایج بهبود یافته‌ای را که هزینه افزایش یافته لیزرهای USP قبلی را توجیه کند، ارائه نمی‌دهند. این وضعیت اکنون با ظهور لیزرهای فمتوثانیه درجه صنعتی (فمتوثانیه = 10-15 ثانیه) تغییر کرده است. به عنوان مثال، سری لیزرهای Monaco شرکت Coherent Inc. است. مانند لیزرهای فیبری، خروجی آنها نور نزدیک به مادون قرمز است، به این معنی که می‌توانند تمام فلزات مورد استفاده در دستگاه‌های پزشکی، از جمله فولاد ضد زنگ، پلاتین، طلا، منیزیم، کبالت-کروم، تیتانیوم و موارد دیگر را برش داده یا سوراخ کنند، و همچنین غیرفلزات. در حالی که ترکیب مدت زمان کوتاه پالس و انرژی کم پالس از آسیب حرارتی (HAZ) جلوگیری می‌کند، نرخ تکرار بالا (مگاهرتز) سرعت‌های عملیاتی مقرون به صرفه را برای بسیاری از دستگاه‌های پزشکی با ارزش بالا تضمین می‌کند.
البته تقریباً هیچ‌کس در صنعت ما فقط به یک لیزر نیاز ندارد. در عوض، آنها به یک دستگاه مبتنی بر لیزر نیاز دارند و اکنون دستگاه‌های تخصصی زیادی برای برش و سوراخکاری دستگاه‌های پزشکی بهینه شده‌اند. به عنوان مثال، سری StarCut Tube شرکت Coherent می‌تواند با لیزرهای فیبری، لیزرهای فمتوثانیه یا به عنوان یک نسخه ترکیبی که هر دو نوع لیزر را در خود جای داده است، مورد استفاده قرار گیرد.
تخصص در تجهیزات پزشکی به چه معناست؟ اکثر این دستگاه‌ها در دسته‌های محدود و بر اساس طرح‌های سفارشی تولید می‌شوند. بنابراین، انعطاف‌پذیری و سهولت استفاده از ملاحظات کلیدی هستند. در حالی که بسیاری از دستگاه‌ها از بیلت ساخته می‌شوند، برخی از قطعات باید با دقت از بیلت‌های تخت ساخته شوند؛ برای به حداکثر رساندن ارزش، یک دستگاه باید هر دو را مدیریت کند. این نیازها معمولاً با ارائه حرکت چند محوره کنترل شده CNC (xyz و چرخشی) و یک HMI کاربرپسند برای برنامه‌ریزی و کنترل ساده برآورده می‌شوند. در مورد StarCut Tube، یک گزینه جدید ماژول بارگیری لوله با یک مخزن بارگیری جانبی (به نام StarFeed) برای لوله‌هایی تا طول 3 متر و یک مرتب‌کننده برای محصولات برش خورده ارائه می‌شود که امکان تولید کاملاً خودکار را فراهم می‌کند.
انعطاف‌پذیری فرآیند این ماشین‌ها با پشتیبانی از برش خشک و تر و نازل‌های تحویل به راحتی قابل تنظیم برای فرآیندهایی که نیاز به گاز کمکی دارند، بیشتر می‌شود. وضوح مکانی نیز به ویژه برای ماشینکاری قطعات بسیار کوچک مهم است، به این معنی که پایداری ترمومکانیکی اثرات لرزش را که اغلب در کارگاه‌های ماشین‌کاری با آن مواجه می‌شوند، از بین می‌برد. سری StarCut Tube با ساخت کل عرشه برش با تعداد زیادی عنصر گرانیتی، این نیاز را برآورده می‌کند.
NPX Medical یک تولیدکننده قراردادی نسبتاً جدید است که خدمات طراحی، مهندسی و برش لیزری دقیق را به تولیدکنندگان تجهیزات پزشکی ارائه می‌دهد. این شرکت که در سال ۲۰۱۹ تأسیس شد، به دلیل محصولات با کیفیت و پاسخگویی بالا، در صنعت شهرت پیدا کرده است و از طیف گسترده‌ای از دستگاه‌ها از جمله استنت، ایمپلنت، استنت دریچه و لوله‌های انتقال انعطاف‌پذیر برای اقدامات جراحی متنوع و مشابه، از جمله جراحی‌های عصبی عروقی، قلبی، کلیوی، ستون فقرات، ارتوپدی، زنان و دستگاه گوارش پشتیبانی می‌کند. برش لیزری اصلی آن StarCut Tube 2+2Â با StarFiber 320FC با قدرت متوسط ​​۲۰۰ وات است. مایک برنزل، یکی از بنیانگذاران NPX، توضیح داد که "بنیانگذاران سال‌ها تجربه طراحی و تولید تجهیزات پزشکی - در مجموع بیش از ۹۰ سال - را با تجربه قبلی با دستگاه‌های مشابه StarCut با استفاده از لیزرهای فیبری به ارمغان می‌آورند. بسیاری از کارهای ما شامل برش نیتینول است و ما از قبل می‌دانیم که لیزرهای فیبری می‌توانند سرعت و کیفیت مورد نیاز ما را فراهم کنند. برای دستگاه‌هایی مانند لوله‌های ضخیم دیواره و دریچه‌های قلب، به سرعت نیاز داریم و لیزر USP ممکن است... برای نیازهای ما خیلی کند است. علاوه بر سفارش‌های تولید با حجم بالا - ما در دسته‌های کوچک قطعات - فقط بین ۵ تا ۱۵۰ قطعه - تخصص داریم - هدف ما این است که این کارهای دسته کوچک را تنها در عرض چند روز انجام دهیم، از جمله طراحی، برنامه‌نویسی، برش، شکل‌دهی، پس‌پردازش و بازرسی، در مقایسه با هفته‌ها پس از ثبت سفارش برای شرکت‌های بزرگتر. برنزل علاوه بر اشاره به سرعت، از قابلیت اطمینان دستگاه به عنوان یک مزیت عمده یاد کرد و گفت که در ۱۸ ماه گذشته که تقریباً به طور مداوم کار کرده، نیازی به حتی یک بار سرویس نداشته است.
شکل ۲. NPX گزینه‌های متنوعی برای پس‌پردازش ارائه می‌دهد. ماده‌ای که در اینجا نشان داده شده است، فولاد ضد زنگ T316 با قطر خارجی ۵ میلی‌متر و ضخامت دیواره ۰.۲۵۴ میلی‌متر است. قسمت چپ برش/میکروبلاست شده و قسمت راست الکتروپولیش شده است.
علاوه بر قطعات نیتینول، این شرکت همچنین به طور گسترده از آلیاژهای کبالت-کروم، آلیاژهای تانتالیوم، آلیاژهای تیتانیوم و انواع مختلفی از فولادهای ضد زنگ پزشکی استفاده می‌کند. جف هانسن، مدیر پردازش لیزر، توضیح می‌دهد: "انعطاف‌پذیری دستگاه یکی دیگر از دارایی‌های مهم است که به ما امکان می‌دهد از برش طیف بسیار متنوعی از مواد، از جمله لوله و تخت، پشتیبانی کنیم. ما می‌توانیم پرتو را تا یک نقطه 20 میکرونی متمرکز کنیم، که برای لوله‌های نازک‌تر بسیار مفید است. برخی از این لوله‌ها تنها 0.012 اینچ قطر داخلی دارند و نسبت بالای توان اوج به توان متوسط ​​جدیدترین لیزرهای فیبری، سرعت برش ما را به حداکثر می‌رساند و در عین حال کیفیت لبه مطلوب را فراهم می‌کند. ما کاملاً به سرعت محصولات بزرگتر با قطر خارجی تا 1 اینچ نیاز داریم."
علاوه بر برش دقیق و پاسخ سریع، NPX طیف کاملی از فناوری‌های پس‌پردازش و همچنین خدمات طراحی جامع را ارائه می‌دهد که از تجربه گسترده آن در صنعت بهره می‌برد. این تکنیک‌ها شامل الکتروپولیش، سندبلاست، اسیدشویی، جوشکاری لیزری، تثبیت حرارتی، شکل‌دهی، پسیواسیون، تست دمای Af و تست خستگی هستند که همگی برای ساخت دستگاه‌های نیتینول کلیدی هستند. برنزل گفت: استفاده از پس‌پردازش برای کنترل پرداخت لبه "معمولاً به این بستگی دارد که آیا ما در مورد یک کاربرد با خستگی بالا یا خستگی پایین صحبت می‌کنیم. به عنوان مثال، یک قطعه با خستگی بالا مانند دریچه قلب ممکن است در طول عمر خود یک میلیارد بار به عنوان پس‌پردازش خم شود. به عنوان یک مرحله، استفاده از سندبلاست برای افزایش شعاع همه لبه‌ها مهم است. اما اجزای با خستگی پایین مانند سیستم‌های تحویل یا سیم‌های راهنما اغلب به پس‌پردازش گسترده نیاز ندارند." برنزل توضیح می‌دهد که از نظر تخصص طراحی، اکنون سه چهارم مشتریان نیز از خدمات طراحی آنها برای بهره‌مندی از کمک و مهارت‌های NPX در اخذ تأییدیه FDA استفاده می‌کنند. این شرکت در تبدیل مفهوم «طرح دستمال سفره» به یک محصول در شکل نهایی خود در مدت زمان کوتاهی بسیار خوب عمل می‌کند.
شرکت Motion Dynamics (فروتپورت، میشیگان) تولیدکننده فنرهای مینیاتوری سفارشی، کویل‌های پزشکی و مجموعه‌های سیمی است که ماموریت آن حل مشکلات مشتری، صرف نظر از پیچیدگی یا به ظاهر غیرممکن بودن، در کوتاه‌ترین زمان ممکن است. در حوزه تجهیزات پزشکی، این شرکت در درجه اول بر مجموعه‌های پیچیده برای جراحی عصبی عروقی، از جمله طراحی، تولید و مونتاژ مجموعه‌های سیمی با کیفیت بالا برای کاربردهایی مانند دستگاه‌های کاتتر قابل هدایت، از جمله مجموعه‌های "سیم کششی" تأکید دارد.
همانطور که قبلاً ذکر شد، انتخاب لیزر فیبری یا USP هم به ترجیح مهندسی و هم به نوع تجهیزات و فرآیندهای پشتیبانی‌شده بستگی دارد. کریس ویتام، رئیس Motion Dynamics، توضیح داد: «بر اساس یک مدل تجاری که به شدت بر محصولات عصبی-عروقی متمرکز است، می‌توانیم نتایج متمایزی را در طراحی، اجرا و خدمات ارائه دهیم. ما فقط از برش لیزری برای تولید قطعاتی که در داخل شرکت استفاده می‌کنیم، برای تولید قطعات با ارزش بالا و «دشوار» که به تخصص و شهرت ما تبدیل شده‌اند، استفاده می‌کنیم. ما برش لیزری را به عنوان یک سرویس قراردادی ارائه نمی‌دهیم. ما دریافته‌ایم که اکثر برش‌های لیزری که انجام می‌دهیم، به بهترین شکل با لیزرهای USP انجام می‌شوند و سال‌هاست که من از یک لوله StarCut با یکی از این لیزرها استفاده می‌کنم. به دلیل تقاضای زیاد برای محصولات ما، ما دو شیفت ۸ ساعته در روز، گاهی اوقات حتی سه شیفت داریم و در سال ۲۰۱۹ برای پشتیبانی از این رشد، باید یک لوله StarCut دیگر تهیه کنیم. اما این بار، تصمیم گرفتیم با یکی از مدل‌های ترکیبی جدید لیزرهای فمتوثانیه USP و لیزرهای فیبری کار کنیم. ما همچنین آن را با یک StarFeed جفت کردیم.» بارگذاری/بارگیری به طوری که بتوانیم برش را کاملاً خودکار کنیم - اپراتور به سادگی قطعه کار را قرار می‌دهد. لوله در تغذیه‌کننده بارگذاری می‌شود و برنامه عملیاتی نرم‌افزاری برای محصول آغاز می‌شود.
شکل ۳. این لوله انتقال انعطاف‌پذیر از جنس فولاد ضد زنگ (که در کنار یک پاک‌کن مداد نشان داده شده است) با لیزر فمتوثانیه موناکو برش داده شده است.
ویتام اضافه می‌کند که اگرچه آنها گاهی اوقات از این دستگاه برای برش مسطح استفاده می‌کنند، اما بیش از ۹۵ درصد از وقت خود را صرف ایجاد یا اصلاح محصولات استوانه‌ای برای مجموعه‌های کاتتر قابل هدایت خود، یعنی هیپوتیوب‌ها، کویل‌ها و مارپیچ‌ها، از جمله برش نوک‌های پروفیل شده و سوراخ‌های برش، می‌کنند. این اجزا در نهایت در رویه‌هایی مانند ترمیم آنوریسم و ​​​​حذف ترومبوز استفاده می‌شوند. این امر مستلزم استفاده از برش‌های لیزری بر روی فلزات مختلف از جمله فولاد ضد زنگ، طلای خالص، پلاتین و نیتینول است.
شکل ۴. شرکت Motion Dynamics همچنین به طور گسترده از جوشکاری لیزری استفاده می‌کند. در بالا، سیم‌پیچ به لوله برش لیزری جوش داده شده است.
گزینه‌های لیزر چیست؟ ویتام توضیح داد که کیفیت عالی لبه و حداقل بریدگی برای اکثر قطعات آنها بسیار مهم است، بنابراین آنها در ابتدا لیزرهای USP را ترجیح دادند. علاوه بر این، هیچ یک از موادی که شرکت استفاده می‌کند، از جمله اجزای کوچک طلا که به عنوان نشانگرهای رادیواپک در برخی از محصولات آن استفاده می‌شوند، توسط یکی از این لیزرها قابل برش نیستند. اما او افزود که گزینه‌های ترکیبی جدید، از جمله لیزرهای فیبری و USPها، به آنها انعطاف‌پذیری بیشتری در بهینه‌سازی مسائل مربوط به سرعت/کیفیت لبه می‌دهد. او گفت: «شکی نیست که فیبر نوری می‌تواند سرعت بالاتری را فراهم کند. اما به دلیل تمرکز خاص ما بر کاربرد، این معمولاً به معنای نوعی پس‌پردازش، مانند تمیزکاری شیمیایی و اولتراسونیک یا الکتروپولیش است. بنابراین داشتن یک دستگاه ترکیبی به ما این امکان را می‌دهد که انتخاب کنیم کدام فرآیند کلی - USP به تنهایی یا فیبر و پس‌پردازش - برای هر قطعه بهینه است. این به ما امکان می‌دهد امکان ماشینکاری ترکیبی همان قطعه را بررسی کنیم، به خصوص در مواردی که قطرها و ضخامت‌های دیواره بزرگتری مد نظر است: حتی برش سریع با لیزرهای فیبری، سپس از لیزر فمتوثانیه برای برش ظریف استفاده کنید.» او انتظار دارد که لیزر USP همچنان انتخاب اول آنها باقی بماند زیرا بیشتر برش‌های لیزری آنها شامل ضخامت دیواره بین ۴ تا ۶ هزار است، اگرچه با ضخامت دیواره بین ۱ تا ۲۰ هزار نیز مواجه می‌شوند. لوله‌های فولادی ضد زنگ بین هزار.
در نتیجه، برش و سوراخکاری لیزری فرآیندهای کلیدی در ساخت دستگاه‌های مختلف پزشکی هستند. امروزه، به لطف پیشرفت در فناوری اصلی لیزر و ماشین‌های بسیار بهینه‌شده‌ای که برای نیازهای خاص صنعت پیکربندی شده‌اند، استفاده از این فرآیندها آسان‌تر شده و نتایج بهتری نسبت به گذشته ارائه می‌دهند.