Tätä verkkosivustoa ylläpitää yksi tai useampi Informa PLC:n omistama yritys, ja kaikki tekijänoikeudet omistaa ne. Informa PLC:n rekisteröity toimipaikka on 5 Howick Place, Lontoo SW1P 1WG. Rekisteröity Englannissa ja Walesissa. Nro 8860726.
Nykyään lähes kaikki metallien ja epämetallien tarkkuuslaserleikkaus suoritetaan työkaluilla, jotka on varustettu kuitulasereilla tai ultralyhytpulssilasereilla (USP), tai joskus molemmilla. Tässä artikkelissa selitämme näiden kahden laserin eri edut ja katsomme, miten molemmat valmistajat käyttävät näitä lasereita. NPX Medical (Plymouth, MN) on sopimusvalmistaja, joka valmistaa erilaisia ​​laitteita ja käyttöönottotyökaluja, kuten stenttejä, implantteja ja joustavia letkuja, käyttäen kuitulasereita sisältäviä koneita. Motion Dynamics valmistaa osakokoonpanoja, kuten pääasiassa neurologiassa käytettäviä "vetolankakokoonpanoja", käyttäen konetta, joka sisältää USP:n femtosekuntilaserilla ja yhden uusimmista hybridijärjestelmistä, mukaan lukien femtosekunti- ja kuitulaserit maksimaalisen joustavuuden ja monipuolisuuden saavuttamiseksi.
Monien vuosien ajan lasermikrotyöstö on suoritettu enimmäkseen kiinteän olomuodon nanosekuntilasereilla, joita kutsutaan DPSS-lasereiksi. Tämä on kuitenkin nyt täysin muuttunut kahden täysin erilaisen ja siten toisiaan täydentävän lasertyypin kehittämisen ansiosta. Alun perin televiestintään kehitetyt kuitulaserit ovat kypsyneet monien teollisuudenalojen työjuhta-aineeksi, usein lähi-infrapuna-aallonpituuksilla. Sen menestyksen syyt ovat sen yksinkertainen arkkitehtuuri ja suoraviivainen tehon skaalautuvuus. Tämä johtaa lasereihin, jotka ovat kompakteja, erittäin luotettavia ja helppoja integroida erikoiskoneisiin, ja joiden omistuskustannukset ovat yleensä alhaisemmat kuin vanhemmilla lasertyypeillä. Mikrotyöstön kannalta tärkeää on, että lähtösäde voidaan kohdistaa pieneen, puhtaaseen, vain muutaman mikronin halkaisijaltaan olevaan pisteeseen, joten ne sopivat ihanteellisesti korkean resoluution leikkaukseen, hitsaukseen ja poraukseen. Niiden lähtösignaalit ovat myös erittäin joustavia ja hallittavia, pulssien taajuuksien vaihdellessa yksittäisestä iskusta 170 kHz:iin. Skaalautuvan tehon ohella tämä tukee nopeaa leikkausta ja porausta.
Kuitulasereiden mahdollinen haittapuoli mikrotyöstössä on kuitenkin pienten ominaisuuksien ja/tai ohuiden, herkkien osien työstö. Pitkät (esim. 50 µs) pulssin kestot johtavat pieneen määrään lämpövaikutusalueita (HAZ), kuten uudelleenvalettuun materiaaliin ja pieneen reunan karheuteen, jotka saattavat vaatia jonkin verran jälkikäsittelyä. Onneksi uudemmat laserit – ultralyhytpulssilaserit (USP), joissa on femtosekunnin lähtöpulssit – poistavat HAZ-ongelman.
USP-lasereilla suurin osa leikkaus- tai porausprosessiin liittyvästä ylimääräisestä lämmöstä kulkeutuu pois sinkoutuvien roskien mukana ennen kuin se ehtii diffundoitua ympäröivään materiaaliin. Pikosekuntiteholla varustettuja USP-lasereita on käytetty pitkään mikrokoneistuksessa, jossa käsitellään muoveja, puolijohteita, keramiikkaa ja tiettyjä metalleja (pikosekuntia = 10-12 sekuntia). Mutta metallilaitteissa, joissa on ihmisen hiuksen kokoiset pilarit, metallin korkea lämmönjohtavuus ja pieni koko tarkoittavat, että pikosekuntilaserit eivät aina tarjoa parempia tuloksia, jotka oikeuttaisivat aiempien USP-lasereiden korkeammat kustannukset. Tämä on nyt muuttunut teollisuusluokan femtosekuntilasereiden (femtosekunti = 10-15 sekuntia) myötä. Esimerkkinä tästä on Coherent Inc:n Monaco-laserisarja. Kuten kuitulaserit, niiden teho on lähi-infrapunavaloa, mikä tarkoittaa, että niillä voidaan leikata tai porata kaikkia lääkinnällisissä laitteissa käytettyjä metalleja, mukaan lukien ruostumaton teräs, platina, kulta, magnesium, kobolttikromi, titaani ja paljon muuta, sekä epämetalleja. Lyhyen pulssin keston ja matalan pulssienergian yhdistelmä estää... lämpövaurioiden (HAZ) vuoksi korkea (MHz) toistotaajuus varmistaa kustannustehokkaat läpimenonopeudet monille arvokkaille lääkinnällisille laitteille.
Tietenkin lähes kukaan alallamme ei tarvitse vain yhtä laseria. Sen sijaan he tarvitsevat laserpohjaisen koneen, ja nykyään on olemassa monia erikoiskoneita, jotka on optimoitu lääketieteellisten laitteiden leikkaamiseen ja poraamiseen. Esimerkkinä tästä on Coherentin StarCut Tube -sarja, jota voidaan käyttää kuitulasereiden, femtosekuntilasereiden tai hybridiversiona, joka yhdistää molemmat lasertyypit.
Mitä tarkoittaa lääkinnällisten laitteiden erikoistuminen? Useimmat näistä laitteista valmistetaan rajoitetuissa erissä räätälöityjen mallien perusteella. Siksi joustavuus ja helppokäyttöisyys ovat keskeisiä tekijöitä. Vaikka monet laitteet valmistetaan aihioista, jotkin komponentit on työstettävä tarkasti litteistä aihioista; saman koneen on käsiteltävä molempia arvon maksimoimiseksi. Nämä tarpeet täytetään yleensä tarjoamalla moniakselinen CNC-ohjattu (xyz ja pyörivä) liike ja käyttäjäystävällinen käyttöliittymä yksinkertaista ohjelmointia ja ohjausta varten. StarCut Tuben tapauksessa uusi putkenlatausmoduuli sisältää sivulta lastattavan makasiinin (nimeltään StarFeed) jopa 3 metrin pituisille putkille ja lajittelijan leikatuille tuotteille, mikä mahdollistaa täysin automatisoidun tuotannon.
Näiden koneiden prosessijoustavuutta parannetaan entisestään märkä- ja kuivaleikkauksen tuella sekä helposti säädettävillä suuttimilla apukaasua vaativissa prosesseissa. Myös spatiaalinen resoluutio on erityisen tärkeää erittäin pienten osien työstössä, mikä tarkoittaa, että termomekaaninen vakaus eliminoi konepajoissa usein esiintyvän tärinän vaikutukset. StarCut Tube -valikoima vastaa tähän tarpeeseen rakentamalla koko leikkuupinnan suurella määrällä graniittielementtejä.
NPX Medical on melko uusi sopimusvalmistaja, joka tarjoaa suunnittelu-, insinööri- ja tarkkuuslaserleikkauspalveluita lääkinnällisten laitteiden valmistajille. Vuonna 2019 perustettu yritys on rakentanut alalla maineen laadukkaista tuotteista ja reagointikyvystä. Se tukee laajaa valikoimaa laitteita, kuten stenttejä, implantteja, venttiilistenttejä ja joustavia toimitusputkia, sekä erilaisia ​​kirurgisia toimenpiteitä ja interventioita, kuten neurovaskulaarisia, sydän-, munuais-, selkärangan, ortopedisia, gynekologisia ja ruoansulatuskanavan leikkauksia. Sen pääasiallinen laserleikkuri on StarCut Tube 2+2Â, jossa on StarFiber 320FC -leikkuri, jonka keskimääräinen teho on 200 wattia. Yksi NPX:n perustajista, Mike Brenzel, selitti, että "perustajilla on vuosien kokemus lääkinnällisten laitteiden suunnittelusta ja valmistuksesta – yhteensä yli 90 vuotta", ja heillä on aiempaa kokemusta kuitulasereita käyttävistä StarCutin kaltaisista koneista. Suuri osa työstämme sisältää nitinolileikkausta, ja tiedämme jo, että kuitulaserit voivat tarjota tarvitsemamme nopeuden ja laadun. Paksuseinäisten putkien ja sydänläppävikojen kaltaisille laitteille tarvitsemme nopeutta, ja USP-laser voi olla liian hidas tarpeisiimme. Korkean... Volyymituotantotilaukset – olemme erikoistuneet pieniin osaeriin – vain 5–150 kappaletta – tavoitteemme on suorittaa nämä pienet erät muutamassa päivässä, mukaan lukien suunnittelu, ohjelmointi, leikkaus, muovaus, jälkikäsittely ja tarkastus, verrattuna suurempien yritysten viikkoihin tilauksen tekemisen jälkeen. Nopeuden lisäksi Brenzel mainitsi koneen luotettavuuden merkittävänä etuna, sillä se ei ole vaatinut yhtäkään huoltokäyntiä viimeisten 18 kuukauden lähes jatkuvan käytön aikana.
Kuva 2. NPX tarjoaa useita jälkikäsittelyvaihtoehtoja. Tässä esitetty materiaali on T316-ruostumatonta terästä, jonka ulkohalkaisija on 5 mm ja seinämän paksuus 0,254 mm. Vasen osa on leikattu/mikropuhdistettu ja oikea osa sähkökiillotettu.
Nitinoliosien lisäksi yritys käyttää laajasti myös koboltti-kromiseoksia, tantaaliseoksia, titaaniseoksia ja monenlaisia ​​lääketieteellisiä ruostumattomia teräksiä. Jeff Hansen, laserkäsittelypäällikkö, selittää: ”Koneen joustavuus on toinen tärkeä etu, jonka ansiosta voimme tukea hyvin erilaisten materiaalien, kuten putkien ja litteiden, leikkausta. Voimme keskittää säteen 20 mikronin pisteeseen, mikä on hyödyllistä useammille... Ohuet putket ovat erittäin hyödyllisiä. Jotkut näistä putkista ovat vain 0,012 tuuman sisähalkaisijaltaan, ja uusimpien kuitulasereiden korkea huipputehon ja keskitehon suhde maksimoi leikkausnopeutemme ja tarjoaa silti halutun reunanlaadun. Tarvitsemme ehdottomasti suurempien, jopa 1 tuuman ulkohalkaisijan omaavien tuotteiden nopeutta.”
Tarkan leikkauksen ja nopean reagoinnin lisäksi NPX tarjoaa myös täyden valikoiman jälkikäsittelyteknologioita sekä kattavia suunnittelupalveluita, jotka hyödyntävät sen laajaa kokemusta alalta. Näihin tekniikoihin kuuluvat sähkökiillotus, hiekkapuhallus, peittaus, laserhitsaus, lämpökiinnitys, muovaus, passivointi, Af-lämpötilatestaus ja väsymistestaus, jotka kaikki ovat avainasemassa Nitinol-laitteiden valmistuksessa. Jälkikäsittelyn käyttö reunan viimeistelyn hallintaan Brenzelin mukaan "riippuu yleensä siitä, puhummeko erittäin väsyttävästä vai vähän väsyttävästä sovelluksesta. Esimerkiksi erittäin väsyttävä osa, kuten sydänläppä, voi taipua miljardi kertaa elinkaarensa aikana jälkikäsittelyvaiheessa. Yhtenä vaiheena on tärkeää käyttää hiekkapuhallusta kaikkien reunojen säteen lisäämiseksi. Mutta vähän väsyttävät komponentit, kuten syöttöjärjestelmät tai ohjauslangat, eivät usein vaadi laajaa jälkikäsittelyä." Brenzel selittää, että suunnitteluosaamisen osalta jopa kolme neljäsosaa asiakkaista käyttää suunnittelupalveluitaan hyödyntääkseen NPX:n apua ja taitoja FDA:n hyväksynnän saamiseksi. Yritys on erittäin hyvä muuttamaan "lautasliinaluonnoksen" konseptin lopulliseksi tuotteeksi lyhyessä ajassa.
Motion Dynamics (Fruitport, MI) valmistaa mittatilaustyönä valmistettuja miniatyyrijousia, lääketieteellisiä keloja ja lankakokoonpanoja, ja sen tehtävänä on ratkaista asiakkaiden ongelmia mahdollisimman lyhyessä ajassa, olivatpa ne kuinka monimutkaisia ​​tai näennäisesti mahdottomia tahansa. Lääkinnällisissä laitteissa se painottaa ensisijaisesti monimutkaisia ​​kokoonpanoja neurovaskulaariseen kirurgiaan, mukaan lukien korkealaatuisten lankakokoonpanojen suunnittelu, tuotanto ja kokoonpano sovelluksiin, kuten ohjattaviin katetrilaitteisiin, mukaan lukien "vetolankakokoonpanot".
Kuten aiemmin mainittiin, kuitu- tai USP-laserin valinta riippuu sekä teknisistä mieltymyksistä että tuettujen laitteiden ja prosessien tyypistä. Motion Dynamicsin toimitusjohtaja Chris Witham selitti: ”Neurovaskulaarisiin tuotteisiin keskittyvän liiketoimintamallimme ansiosta voimme tarjota erottuvia tuloksia suunnittelussa, toteutuksessa ja palvelussa. Käytämme laserleikkausta vain niiden komponenttien valmistukseen, joita käytämme itse, ja valmistamme myös arvokkaita, ”vaikeita” komponentteja, joista on tullut erikoisalamme ja maineemme. Emme tarjoa laserleikkausta sopimuspalveluna. Olemme havainneet, että useimmat suorittamamme laserleikkaukset onnistuvat parhaiten USP-lasereilla, ja olen käyttänyt StarCut Tubea jo vuosia yhden näistä lasereista kanssa. Tuotteidemme suuren kysynnän vuoksi meillä on kaksi kahdeksan tunnin vuoroa päivässä, joskus jopa kolme vuoroa, ja vuonna 2019 meidän on hankittava toinen StarCut Tube tukemaan tätä kasvua. Mutta tällä kertaa päätimme valita yhden uusista femtosekunti-USP-lasereiden ja kuitulasereiden hybridimalleista. Yhdistimme sen myös StarFeed-lataajaan/purkuun, jotta voisimme täysin…” automatisoi leikkauksen – käyttäjä yksinkertaisesti asettaa aihion. Putki ladataan syöttölaitteeseen ja tuotteen ohjelmisto käynnistyy.
Kuva 3. Tämä joustava ruostumattomasta teräksestä valmistettu syöttöputki (kuvassa kynän pyyhekumin vieressä) on leikattu Monacon femtosekuntilaserilla.
Witham lisää, että vaikka he käyttävät konetta satunnaisesti tasoleikkaukseen, yli 95 prosenttia heidän ajastaan ​​kuluu sylinterimäisten tuotteiden, kuten hypotubien, kelojen ja spiraalien, luomiseen tai muokkaamiseen ohjattavia katetrikokoonpanojaan varten, mukaan lukien profiloitujen kärkien leikkaaminen ja reikien leikkaaminen. Näitä komponentteja käytetään lopulta toimenpiteissä, kuten aneurysman korjauksessa ja trombin poistossa. Tämä edellyttää laserleikkureiden käyttöä useilla eri metalleilla, kuten ruostumattomalla teräksellä, puhtaalla kullalla, platinalla ja nitinolilla.
Kuva 4. Motion Dynamics käyttää myös laajasti laserhitsausta. Yllä olevassa kuvassa kela on hitsattu laserleikattuun putkeen.
Mitä laservaihtoehtoja on tarjolla? Witham selitti, että erinomainen reunanlaatu ja minimaaliset leikkausraot ovat ratkaisevan tärkeitä useimmille heidän komponenteilleen, joten he aluksi suosivat USP-lasereita. Lisäksi mitään yrityksen käyttämistä materiaaleista ei voida leikata näillä lasereilla, mukaan lukien pienet kultakomponentit, joita käytetään röntgensäteilyä läpäisemättöminä merkkeinä joissakin sen tuotteissa. Hän kuitenkin lisäsi, että uudet hybridivaihtoehdot, kuten kuitulaserit ja USP:t, antavat heille enemmän joustavuutta nopeuden/reunanlaadun optimoinnissa. "Ei ole epäilystäkään siitä, että kuituoptiikka voi tarjota suurempia nopeuksia", hän sanoi. "Mutta erityisen sovelluskeskittymämme vuoksi tämä tarkoittaa yleensä jonkinlaista jälkikäsittelyä, kuten kemiallista ja ultraäänipuhdistusta tai sähkökiillotusta. Hybridikoneen avulla voimme siis valita, mikä kokonaisprosessi – pelkkä USP tai kuitu- ja jälkikäsittelykäsittely – on optimaalinen kullekin komponentille. Se antaa meille mahdollisuuden tutkia saman komponentin hybridityöstömahdollisuuksia, erityisesti silloin, kun kyseessä ovat suuremmat halkaisijat ja seinämän paksuudet: jopa nopea leikkaus kuitulasereilla, ja sitten femtosekuntilaserilla hienoleikkausta." Hän odottaa USP-laserin pysyvän heidän ensisijaisena valintanaan, koska useimpien heidän laserleikkauksiensa seinämänpaksuudet ovat 4–6 tuhatta, vaikka he kohtaavatkin seinämänpaksuuksia 1–20 tuhatta. Ruostumattomasta teräksestä valmistettujen putkien paksuus vaihtelee tuhannen välillä.
Yhteenvetona voidaan todeta, että laserleikkaus ja -poraus ovat keskeisiä prosesseja erilaisten lääkinnällisten laitteiden valmistuksessa. Nykyään ydinlasertekniikan edistymisen ja alan erityistarpeisiin konfiguroitujen erittäin optimoitujen koneiden ansiosta näitä prosesseja on helppo käyttää ja ne tuottavat parempia tuloksia kuin koskaan ennen.