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Oggi, quasi tutto il taglio laser di precisione di metalli e non metalli viene eseguito utilizzando strumenti dotati di laser a fibra o laser a impulsi ultracorti (USP), o talvolta entrambi. In questo articolo, spiegheremo i diversi vantaggi dei due laser e vedremo come entrambi i produttori utilizzano questi laser. bugie, come i gruppi "pull wire" utilizzati principalmente in neurologia, utilizzando una macchina che include un laser a femtosecondi USP e uno dei più recenti sistemi ibridi che include laser a femtosecondi e fibra per la massima flessibilità e versatilità.
Per molti anni, la maggior parte delle microlavorazioni laser è stata eseguita utilizzando laser a nanosecondi a stato solido chiamati laser DPSS. Tuttavia, ora questo è completamente cambiato grazie allo sviluppo di due tipi di laser completamente diversi e quindi complementari. Originariamente sviluppati per le telecomunicazioni, i laser a fibra sono diventati laser per la lavorazione dei materiali in molti settori, spesso a lunghezze d'onda del vicino infrarosso. Le ragioni del suo successo risiedono nella sua semplice architettura e nella semplice scalabilità della potenza. macchine e generalmente offrono un costo di proprietà inferiore rispetto ai tipi di laser più vecchi. È importante per la microlavorazione, il raggio di uscita può essere focalizzato in un punto piccolo e pulito di soli pochi micron di diametro, quindi sono ideali per il taglio, la saldatura e la foratura ad alta risoluzione. Le loro uscite sono anche molto flessibili e controllabili, con frequenze di impulso che vanno da colpo singolo a 170 kHz. Insieme alla potenza scalabile, questo supporta il taglio e la foratura veloci.
Tuttavia, un potenziale svantaggio dei laser a fibra nella microlavorazione è la lavorazione di piccole caratteristiche e/o parti sottili e delicate. Le durate degli impulsi lunghi (ad es. 50 µs) comportano una piccola quantità di zona interessata dal calore (HAZ) come il materiale di rifusione e la piccola rugosità del bordo, che può richiedere una post-elaborazione.
Con i laser USP, la maggior parte del calore extra associato al processo di taglio o perforazione viene portato via dai detriti espulsi prima che abbia il tempo di diffondersi nel materiale circostante. I laser USP con uscita in picosecondi sono stati a lungo utilizzati in applicazioni di microlavorazione che coinvolgono plastica, semiconduttori, ceramica e alcuni metalli (picosecondi = 10-12 secondi). i migliori risultati che giustificherebbero l'aumento del costo dei precedenti laser USP. Questo è ora cambiato con l'avvento dei laser a femtosecondi di livello industriale (femtosecondi = 10-15 secondi). Un esempio è la serie di laser Monaco di Coherent Inc. s.Mentre la combinazione di breve durata dell'impulso e bassa energia dell'impulso previene i danni termici (HAZ), l'elevata frequenza di ripetizione (MHz) garantisce velocità di produzione convenienti per molti dispositivi medici di alto valore.
Naturalmente, quasi nessuno nel nostro settore ha bisogno di un solo laser. Invece, hanno bisogno di una macchina basata su laser e ora ci sono molte macchine specializzate ottimizzate per il taglio e la perforazione di dispositivi medici. Un esempio è la serie StarCut Tube di Coherent, che può essere utilizzata con laser a fibra, laser a femtosecondi o come versione ibrida che incorpora entrambi i tipi di laser.
Che cosa significa specializzazione in dispositivi medici?La maggior parte di questi dispositivi è prodotta in lotti limitati basati su progetti personalizzati.Pertanto, flessibilità e facilità d'uso sono considerazioni chiave.Mentre molti dispositivi sono fabbricati da billette, alcuni componenti devono essere lavorati con precisione da billette piatte;la stessa macchina deve gestirli entrambi per massimizzarne il valore. Queste esigenze vengono solitamente soddisfatte fornendo un movimento multiasse controllato da CNC (xyz e rotativo) e un HMI di facile utilizzo per una programmazione e un controllo semplici.
La flessibilità del processo di queste macchine è ulteriormente migliorata dal supporto per il taglio a umido e a secco e ugelli di erogazione facilmente regolabili per processi che richiedono gas di assistenza. La risoluzione spaziale è particolarmente importante anche per la lavorazione di pezzi molto piccoli, il che significa che la stabilità termomeccanica elimina gli effetti delle vibrazioni che si incontrano spesso nelle officine meccaniche. La gamma StarCut Tube soddisfa questa esigenza costruendo l'intero piatto di taglio con un gran numero di elementi in granito.
NPX Medical è un produttore a contratto abbastanza nuovo che fornisce servizi di progettazione, ingegneria e taglio laser di precisione ai produttori di dispositivi medici. Fondata nel 2019, l'azienda si è guadagnata una reputazione nel settore per prodotti di qualità e reattività, supportando un'ampia gamma di dispositivi tra cui stent, impianti, stent valvolari e tubi di erogazione flessibili per procedure chirurgiche altrettanto diverse Interventi, tra cui interventi neurovascolari, cardiaci, renali, della colonna vertebrale, ortopedici, ginecologici e gastrointestinali. StarFiber 320FC con una potenza media di 200 watt. Mike Brenzel, uno dei fondatori di NPX, ha spiegato che "i fondatori portano anni di esperienza nella progettazione e produzione di dispositivi medici — più di 90 anni in totale", con precedenti esperienze con macchine simili a StarCut che utilizzano laser in fibra. Gran parte del nostro lavoro riguarda il taglio al nitinol e sappiamo già che i laser in fibra possono fornire la velocità e la qualità di cui abbiamo bisogno. Per dispositivi come tubi a pareti spesse e valvole cardiache, abbiamo bisogno di velocità e del laser USP potrebbe essere troppo lento per le nostre esigenze.Oltre agli ordini di produzione ad alto volume - siamo specializzati in piccoli lotti di parti - solo tra 5 e 150 pezzi - il nostro obiettivo è completare questi piccoli turnaround in pochi giorni, inclusi progettazione, programmazione, taglio, formatura, post-elaborazione e ispezione, rispetto alle settimane successive all'ordine per le aziende più grandi. operazione fluida.
Figura 2. NPX offre una varietà di opzioni di post-elaborazione. Il materiale mostrato qui è acciaio inossidabile T316 con un diametro esterno di 5 mm e uno spessore della parete di 0,254 mm. La parte sinistra è tagliata/microsabbiata e la parte destra è elettrolucidata.
Oltre alle parti in nitinol, l'azienda fa ampio uso anche di leghe di cobalto-cromo, leghe di tantalio, leghe di titanio e molti tipi di acciai inossidabili medicali.Jeff Hansen, Laser Processing Manager, spiega: “La flessibilità della macchina è un altro vantaggio importante, che ci consente di supportare il taglio di una gamma molto diversificata di materiali, inclusi tubi e piatti.Possiamo focalizzare il raggio fino a uno spot di 20 micron, che è utile per più I tubi sottili sono molto utili.Alcuni di questi tubi hanno un diametro interno di soli 0,012 pollici e l'elevato rapporto tra potenza di picco e potenza media dei più recenti laser a fibra massimizza la nostra velocità di taglio pur fornendo la qualità del bordo desiderata.Abbiamo assolutamente bisogno della velocità di prodotti più grandi con un diametro esterno fino a 1 pollice".
Oltre al taglio di precisione e alla risposta rapida, NPX offre anche una gamma completa di tecnologie di post-elaborazione, nonché servizi di progettazione completi che sfruttano la sua vasta esperienza nel settore. Queste tecniche includono elettrolucidatura, sabbiatura, decapaggio, saldatura laser, termofissaggio, formatura, passivazione, test di temperatura Af e prove di fatica, tutte fondamentali per la fabbricazione di dispositivi Nitinol. applicazione della fatica.Ad esempio, una parte ad alta fatica come una valvola cardiaca potrebbe piegarsi un miliardo di volte nel corso della sua vita come post-elaborazione. Come passaggio, è importante utilizzare la sabbiatura per aumentare il raggio di tutti i bordi.Ma i componenti a bassa fatica come i sistemi di erogazione o i fili guida spesso non richiedono un'estesa post-elaborazione".In termini di competenza nel design, spiega Brenzel, ora ci sono ben tre quarti dei clienti che utilizzano i propri servizi di design anche per trarre vantaggio dall'aiuto e dalle competenze di NPX nell'ottenere l'approvazione della FDA.
Motion Dynamics (Fruitport, MI) è un produttore di molle miniaturizzate personalizzate, bobine medicali e assemblaggi di cavi la cui missione è risolvere i problemi dei clienti, non importa quanto complessi o apparentemente impossibili, nel più breve tempo possibile. Nei dispositivi medici, enfatizza principalmente assemblaggi complessi per la chirurgia neurovascolare, compresa la progettazione, produzione e assemblaggio di assemblaggi di cavi di alta qualità per applicazioni come i dispositivi per cateteri orientabili, inclusi gli assemblaggi "pull wire".
Come accennato in precedenza, la scelta della fibra o del laser USP è una questione di preferenza ingegneristica, nonché del tipo di apparecchiature e processi supportati. Chris Witham, Presidente di Motion Dynamics, ha spiegato: “Sulla base di un modello di business fortemente focalizzato sui prodotti neurovascolari, possiamo fornire risultati differenziati in termini di progettazione, esecuzione e assistenza.Utilizziamo solo il taglio laser per produrre internamente i componenti che utilizziamo., per fabbricare i componenti “difficili” di alto valore che sono diventati la nostra specialità e reputazione;non offriamo il taglio laser come servizio a contratto.Abbiamo scoperto che la maggior parte dei tagli laser che eseguiamo viene eseguita al meglio con i laser USP e da molti anni utilizzo uno StarCut Tube con uno di questi laser.A causa della forte domanda dei nostri prodotti, abbiamo due turni di 8 ore al giorno, a volte anche tre turni, e nel 2019 dobbiamo acquistare un altro StarCut Tube per sostenere questa crescita.Ma questa volta abbiamo deciso di utilizzare uno dei nuovi modelli ibridi di laser USP a femtosecondi e laser a fibra.L'abbiamo anche accoppiato con un caricatore/scaricatore StarFeed in modo da poter automatizzare completamente il taglio: l'operatore ha semplicemente inserito il pezzo grezzo Il tubo viene caricato nell'alimentatore e il programma operativo software per il prodotto viene avviato.
Figura 3. Questo tubo di erogazione flessibile in acciaio inossidabile (mostrato accanto a una gomma da matita) è stato tagliato con un laser a femtosecondi Monaco.
Witham aggiunge che mentre usano occasionalmente la macchina per il taglio piatto, oltre il 95 percento del loro tempo viene dedicato alla creazione o alla modifica di prodotti cilindrici per i loro gruppi di cateteri orientabili, vale a dire ipotubi, bobine e spirali, comprese punte profilate e fori tagliati. Questi componenti vengono infine utilizzati in procedure come la riparazione di aneurismi e la rimozione di trombi.
Figura 4. Anche Motion Dynamics utilizza ampiamente la saldatura laser. Sopra, la bobina è stata saldata al tubo tagliato al laser.
Quali sono le opzioni laser? Witham ha spiegato che un'eccellente qualità dei bordi e tagli minimi sono fondamentali per la maggior parte dei loro componenti, quindi inizialmente hanno preferito i laser USP. Inoltre, nessuno dei materiali utilizzati dall'azienda può essere tagliato da uno di questi laser, compresi i minuscoli componenti in oro utilizzati come marcatori radiopachi in alcuni dei suoi prodotti. ", ha detto. "Ma a causa della nostra particolare attenzione all'applicazione, questo di solito significa un qualche tipo di post-elaborazione, come la pulizia chimica e ad ultrasuoni o l'elettrolucidatura.Quindi avere una macchina ibrida ci consente di scegliere quale processo complessivo - USP da solo o gestione della fibra e post-elaborazione - ottimale per ciascun componente.Ci consente di esplorare la possibilità di una lavorazione ibrida dello stesso componente, in particolare dove sono coinvolti diametri e spessori di parete maggiori: anche il taglio veloce con laser in fibra, quindi utilizzare un laser a femtosecondi per il taglio fine.Si aspetta che il laser USP rimarrà la loro prima scelta perché la maggior parte dei loro tagli laser comportano spessori di parete compresi tra 4 e 6 mila, sebbene incontrino spessori di parete compresi tra 1 e 20 mila.Tubi in acciaio inossidabile tra tu.
In conclusione, il taglio e la perforazione laser sono processi chiave nella produzione di vari dispositivi medici. Oggi, grazie ai progressi nella tecnologia laser di base e alle macchine altamente ottimizzate configurate per le esigenze specifiche del settore, questi processi sono più facili da usare e forniscono risultati migliori che mai.