Ovu web stranicu vodi jedna ili više tvrtki u vlasništvu Informa PLC-a i sva autorska prava pripadaju njima. Registrirano sjedište Informa PLC-a je 5 Howick Place, London SW1P 1WG. Registrirano u Engleskoj i Walesu. Broj 8860726.
Danas se gotovo svo precizno lasersko rezanje metala i nemetala izvodi pomoću alata opremljenih vlaknastim laserima ili laserima ultrakratkog impulsa (USP), ili ponekad oboje. U ovom članku objasnit ćemo različite prednosti dvaju lasera i vidjeti kako oba proizvođača koriste ove lasere. NPX Medical (Plymouth, MN) je tvrtka za ugovornu specijaliziranu obradu koja proizvodi razne uređaje i alate za postavljanje, kao što su stentovi, implantati i fleksibilne cijevi, koristeći strojeve koji uključuju vlaknaste lasere. Motion Dynamics proizvodi podsklopove, kao što su sklopovi "pull wire" koji se prvenstveno koriste u neurologiji, koristeći stroj koji uključuje USP femtosekundni laser i jedan od najnovijih hibridnih sustava koji uključuju femtosekundne i vlaknaste lasere za maksimalnu fleksibilnost i svestranost.
Dugi niz godina većina laserske mikroobrade izvodila se pomoću nanosekundnih lasera u čvrstom stanju koji se nazivaju DPSS laseri. Međutim, to se sada potpuno promijenilo zahvaljujući razvoju dvaju potpuno različitih, a time i komplementarnih tipova lasera. Izvorno razvijeni za telekomunikacije, vlaknasti laseri sazreli su u lasere za obradu materijala u mnogim industrijama, često na valnim duljinama bliskog infracrvenog spektra. Razlozi njihovog uspjeha leže u jednostavnoj arhitekturi i jednostavnoj skalabilnosti snage. To rezultira laserima koji su kompaktni, vrlo pouzdani i lako se integriraju u specijalizirane strojeve, a općenito nude niže troškove vlasništva od starijih tipova lasera. Važno je za mikroobradu da se izlazni snop može fokusirati u malu, čistu točku promjera samo nekoliko mikrona, pa su idealni za rezanje, zavarivanje i bušenje visoke rezolucije. Njihovi izlazi su također vrlo fleksibilni i upravljivi, s frekvencijama impulsa u rasponu od jednog udarca do 170 kHz. Uz skalabilnu snagu, ovo podržava brzo rezanje i bušenje.
Međutim, potencijalni nedostatak vlaknastih lasera u mikroobradi je obrada malih elemenata i/ili tankih, osjetljivih dijelova. Duga (npr. 50 µs) trajanja impulsa rezultiraju malom količinom zone utjecaja topline (HAZ) poput prerađenog materijala i malom hrapavošću ruba, što može zahtijevati određenu naknadnu obradu. Srećom, noviji laseri - laseri s ultrakratkim impulsima (USP) s femtosekundnim izlaznim impulsima - eliminiraju problem HAZ-a.
Kod USP lasera, većina dodatne topline povezane s procesom rezanja ili bušenja odnosi se u izbačenim krhotinama prije nego što se stigne raspršiti u okolni materijal. USP laseri s pikosekundnim izlazom dugo se koriste u mikroobradama koje uključuju plastiku, poluvodiče, keramiku i određene metale (pikosekunde = 10-12 sekundi). No, za metalne uređaje sa stupovima veličine ljudske kose, visoka toplinska vodljivost metala i mala veličina znače da pikosekundni laseri ne pružaju uvijek poboljšane rezultate koji bi opravdali povećanu cijenu ranijih USP lasera. To se sada promijenilo pojavom femtosekundnih lasera industrijske klase (femtosekunda = 10-15 sekundi). Primjer je serija lasera Monaco tvrtke Coherent Inc. Poput vlaknastih lasera, njihov izlaz je svjetlost bliskog infracrvenog zračenja, što znači da mogu rezati ili bušiti sve metale koji se koriste u medicinskim uređajima, uključujući nehrđajući čelik, platinu, zlato, magnezij, kobalt-krom, titan i druge, kao i nemetale. Dok kombinacija kratkog trajanja impulsa i niskog impulsa... energija sprječava toplinska oštećenja (HAZ), visoka (MHz) brzina ponavljanja osigurava isplative brzine protoka za mnoge visokovrijedne medicinske uređaje.
Naravno, gotovo nitko u našoj industriji ne treba samo jedan laser. Umjesto toga, potreban im je stroj baziran na laseru, a sada postoje mnogi specijalizirani strojevi optimizirani za rezanje i bušenje medicinskih uređaja. Primjer je Coherentova serija StarCut Tube, koja se može koristiti s vlaknastim laserima, femtosekundnim laserima ili kao hibridna verzija koja uključuje obje vrste lasera.
Što znači specijalizacija za medicinske uređaje? Većina ovih uređaja proizvodi se u ograničenim serijama na temelju prilagođenih dizajna. Stoga su fleksibilnost i jednostavnost korištenja ključni faktori. Dok se mnogi uređaji proizvode od gredica, neke komponente moraju biti precizno strojno obrađene od ravnih gredica; isti stroj mora podnijeti oboje kako bi se maksimizirala njegova vrijednost. Ove se potrebe obično zadovoljavaju pružanjem višeosnog CNC upravljanog (xyz i rotacijskog) gibanja i korisnički prilagođenog HMI-ja za jednostavno programiranje i kontrolu. U slučaju StarCut Tube, nova opcija modula za utovar cijevi dolazi s bočnim spremnikom za utovar (nazvanim StarFeed) za cijevi duljine do 3 m i sorterom za izrezane proizvode, što omogućuje potpuno automatiziranu proizvodnju.
Fleksibilnost procesa ovih strojeva dodatno je poboljšana podrškom za mokro i suho rezanje i lako podesivim mlaznicama za isporuku za procese koji zahtijevaju pomoćni plin. Prostorna rezolucija također je posebno važna za obradu vrlo malih dijelova, što znači da termomehanička stabilnost eliminira učinke vibracija koje se često susreću u strojarnicama. Serija StarCut Tube zadovoljava ovu potrebu izgradnjom cijele rezne ploče s velikim brojem granitnih elemenata.
NPX Medical je relativno novi ugovorni proizvođač koji pruža usluge dizajna, inženjeringa i preciznog laserskog rezanja proizvođačima medicinskih uređaja. Osnovana 2019. godine, tvrtka je izgradila reputaciju u industriji za kvalitetne proizvode i brzu reakciju, podržavajući širok raspon uređaja, uključujući stentove, implantate, stentove za ventile i fleksibilne cijevi za dostavu za slično raznolike kirurške intervencije, uključujući neurovaskularne, srčane, bubrežne, spinalne, ortopedske, ginekološke i gastrointestinalne kirurgije. Njihov glavni laserski rezač je StarCut Tube 2+2 sa StarFiber 320FC prosječne snage 200 W. Mike Brenzel, jedan od osnivača NPX-a, objasnio je da „osnivači donose dugogodišnje iskustvo u dizajnu i proizvodnji medicinskih uređaja - ukupno više od 90 godina“, s prethodnim iskustvom sa strojevima sličnim StarCutu koji koriste vlaknaste lasere. Velik dio našeg rada uključuje rezanje Nitinolom i već znamo da vlaknasti laseri mogu pružiti brzinu i kvalitetu koja nam je potrebna. Za uređaje poput cijevi s debelim stijenkama i srčanih zalistaka potrebna nam je brzina, a USP laser može biti prespor za naše potrebe. Osim velikih proizvodnih narudžbi – Specijalizirani smo za male serije dijelova – samo između 5 i 150 komada – naš je cilj dovršiti ove male serije obrade u samo nekoliko dana, uključujući dizajn, programiranje, rezanje, oblikovanje, naknadnu obradu i inspekciju, u usporedbi s tjednima nakon što je narudžba izvršena za veće tvrtke.” Uz brzinu, Brenzel je kao glavnu prednost spomenuo pouzdanost stroja, jer nije bio potreban niti jedan servisni poziv tijekom proteklih 18 mjeseci gotovo neprekidnog rada.
Slika 2. NPX nudi razne mogućnosti naknadne obrade. Prikazani materijal je nehrđajući čelik T316 s vanjskim promjerom od 5 mm i debljinom stijenke od 0,254 mm. Lijevi dio je rezan/mikropjeskaren, a desni dio je elektropoliran.
Osim nitinolnih dijelova, tvrtka također intenzivno koristi kobalt-krom legure, tantal legure, titan legure i mnoge vrste medicinskih nehrđajućih čelika. Jeff Hansen, voditelj laserske obrade, objašnjava: „Fleksibilnost stroja još je jedna važna prednost koja nam omogućuje podršku rezanju vrlo raznolikog raspona materijala, uključujući cijevi i plosnate dijelove. Možemo fokusirati snop na točku od 20 mikrona, što je korisno za više tankih cijevi. Neke od ovih cijevi imaju unutarnji promjer od samo 0,012″, a visok omjer vršne snage i prosječne snage najnovijih vlaknastih lasera maksimizira našu brzinu rezanja uz istovremeno pružanje željene kvalitete ruba. Apsolutno nam je potrebna brzina većih proizvoda s vanjskim promjerom do 1 inča.“
Uz precizno rezanje i brz odziv, NPX također nudi cijeli niz tehnologija naknadne obrade, kao i sveobuhvatne usluge dizajna koje koriste njegovo opsežno iskustvo u industriji. Ove tehnike uključuju elektropoliranje, pjeskarenje, kiseljenje, lasersko zavarivanje, toplinsko fiksiranje, oblikovanje, pasivizaciju, ispitivanje temperature Af i ispitivanje umora, a sve su to ključne za izradu Nitinol uređaja. Korištenje naknadne obrade za kontrolu završne obrade rubova, rekao je Brenzel, „obično ovisi o tome govorimo li o primjeni s visokim ili niskim umorom. Na primjer, dio s visokim umorom poput srčanog zaliska može se saviti milijardu puta tijekom svog vijeka trajanja kao naknadna obrada. Kao korak, važno je koristiti pjeskarenje za povećanje radijusa svih rubova. Ali komponente s niskim umorom poput sustava za dostavu ili vodilica često ne zahtijevaju opsežnu naknadnu obradu.“ Što se tiče stručnosti u dizajnu, Brenzel objašnjava da sada čak tri četvrtine klijenata također koristi njihove dizajnerske usluge kako bi iskoristili NPX-ovu pomoć i vještine u dobivanju odobrenja FDA. Tvrtka je vrlo dobra u pretvaranju koncepta „skice salvete“ u proizvod u konačnom obliku u kratkom vremenu.
Motion Dynamics (Fruitport, MI) je proizvođač minijaturnih opruga po narudžbi, medicinskih zavojnica i žičanih sklopova čija je misija riješiti probleme kupaca, bez obzira koliko složeni ili naizgled nemogući bili, u najkraćem mogućem roku. U medicinskim uređajima prvenstveno se naglašavaju složeni sklopovi za neurovaskularnu kirurgiju, uključujući dizajn, proizvodnju i montažu visokokvalitetnih žičanih sklopova za primjene kao što su upravljivi kateterski uređaji, uključujući sklopove "pull wire".
Kao što je ranije spomenuto, izbor vlaknastog ili USP lasera stvar je inženjerskih preferencija, kao i vrste opreme i podržanih procesa. Chris Witham, predsjednik tvrtke Motion Dynamics, objasnio je: „Na temelju poslovnog modela koji je uvelike usmjeren na neurovaskularne proizvode, možemo isporučiti diferencirane rezultate u dizajnu, izvedbi i usluzi. Koristimo lasersko rezanje samo za proizvodnju komponenti koje koristimo interno, za proizvodnju visokovrijednih, „teških“ komponenti koje su postale naša specijalnost i ugled; ne nudimo lasersko rezanje kao ugovornu uslugu. Otkrili smo da se većina laserskih rezova koje izvodimo najbolje izvodi USP laserima, a ja već dugi niz godina koristim StarCut cijev s jednim od ovih lasera. Zbog velike potražnje za našim proizvodima, imamo dvije smjene od 8 sati dnevno, ponekad čak i tri smjene, a 2019. godine moramo nabaviti još jednu StarCut cijev kako bismo podržali ovaj rast. Ali ovaj put smo odlučili odabrati jedan od novih hibridnih modela femtosekundnih USP lasera i vlaknastih lasera. Također smo ga uparili sa StarFeed utovarivačem/istovarivačem. da bismo mogli potpuno automatizirati rezanje – operater bi jednostavno stavio blank. Cijev se umetne u ulagač i pokrene se softverski operativni program za proizvod.
Slika 3. Ova fleksibilna cijev za dovod od nehrđajućeg čelika (prikazana pored gumice za olovke) izrezana je Monaco femtosekundnim laserom.
Witham dodaje da iako povremeno koriste stroj za ravno rezanje, više od 95 posto svog vremena troše na izradu ili modificiranje cilindričnih proizvoda za svoje sklopove upravljivih katetera, naime hipotube, zavojnice i spirale, uključujući rezanje profiliranih vrhova i rupa. Ove se komponente u konačnici koriste u postupcima kao što su popravak aneurizme i uklanjanje tromba. To zahtijeva upotrebu laserskih rezača na raznim metalima, uključujući nehrđajući čelik, čisto zlato, platinu i nitinol.
Slika 4. Motion Dynamics također intenzivno koristi lasersko zavarivanje. Gore je zavojnica zavarena na laserski izrezanu cijev.
Koje su laserske opcije? Witham je objasnio da su izvrsna kvaliteta ruba i minimalni rezovi ključni za većinu njihovih komponenti, pa su u početku preferirali USP lasere. Osim toga, nijedan od materijala koje tvrtka koristi ne može se rezati jednim od ovih lasera, uključujući sitne zlatne komponente koje se koriste kao radiopakni markeri u nekim od njihovih proizvoda. No, dodao je da im nove hibridne opcije, uključujući vlaknaste lasere i USP-ove, daju veću fleksibilnost u optimizaciji problema brzine/kvalitete ruba. „Nema sumnje da optička vlakna mogu pružiti veće brzine“, rekao je. „Ali zbog našeg posebnog fokusa na primjenu, to obično znači neku vrstu naknadne obrade, kao što je kemijsko i ultrazvučno čišćenje ili elektropoliranje. Dakle, hibridni stroj nam omogućuje da odaberemo koji je cjelokupni proces – samo USP ili vlakna i naknadna obrada – optimalan za svaku komponentu. Omogućuje nam da istražimo mogućnost hibridne obrade iste komponente, posebno tamo gdje su uključeni veći promjeri i debljine stijenki: čak i brzo rezanje vlaknastim laserima, a zatim upotrijebimo femtosekundni laser za fino rezanje.“ Očekuje da će USP laser ostati njihov prvi izbor jer većina njihovih laserskih rezova uključuje debljine stijenki između 4 i 6 tisuća, iako se susreću s debljinama stijenki u rasponu od 1 do 20 tisuća. Cijevi od nehrđajućeg čelika između tisuća.
Zaključno, lasersko rezanje i bušenje ključni su procesi u proizvodnji raznih medicinskih uređaja. Danas, zahvaljujući napretku u tehnologiji osnovnih lasera i visoko optimiziranim strojevima konfiguriranim za specifične potrebe industrije, ovi su procesi jednostavniji za korištenje i daju bolje rezultate nego ikad prije.