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現在、金属および非金属のほぼすべての精密レーザー切断は、ファイバー レーザーまたは超短パルス (USP) レーザー、または場合によってはその両方を備えたツールを使用して実行されます。この記事では、2 つのレーザーの異なる利点を説明し、両メーカーがこれらのレーザーをどのように使用しているかを見ていきます。NPX Medical (ミネソタ州プリマス) は、ファイバー レーザーを組み込んだ機械を使用して、ステント、インプラント、フレキシブル チューブなどのさまざまなデバイスや展開ツールを製造する受託専門加工会社です。Motion Dynamics の製造会社神経学で主に使用される「プルワイヤー」アセンブリなどのサブアセンブリでは、USP フェムト秒レーザーと、フェムト秒レーザーとファイバーレーザーを含む最新のハイブリッド システムの 1 つを含む機械を利用して、最大限の柔軟性と多用途性を実現します。
長年にわたり、ほとんどのレーザー微細加工は、DPSS レーザーと呼ばれる固体ナノ秒レーザーを使用して実行されてきました。しかし、2 つの完全に異なる、つまり相補的なレーザー タイプの開発により、この状況は完全に変わりました。元々は電気通信用に開発されたファイバー レーザーは、多くの業界で、多くの場合近赤外波長で材料加工レーザーを加工する主力レーザーに成長しました。その成功の理由は、そのシンプルなアーキテクチャと簡単な出力拡張性にあります。その結果、レーザーはコンパクトで信頼性が高く、専用の機械に簡単に統合できます。であり、一般に古いタイプのレーザーよりも所有コストが低くなります。微細加工にとって重要なのは、出力ビームが直径わずか数ミクロンの小さくきれいなスポットに集束できるため、高解像度の切断、溶接、穴あけに最適です。また、出力は非常に柔軟で制御可能であり、パルスレートの範囲はシングルショットから 170 kHz までです。スケーラブルな出力に加えて、これにより高速切断と穴あけがサポートされます。
ただし、マイクロマシニングにおけるファイバーレーザーの潜在的な欠点は、小さなフィーチャや薄く繊細な部品の加工にあります。パルス持続時間が長い (たとえば 50 μs) と、リキャスト材料や小さなエッジ粗さなどの少量の熱影響部 (HAZ) が発生し、後処理が必要になる場合があります。幸いなことに、新しいレーザー、フェムト秒出力パルスを備えた超短パルス (USP) レーザーは、HAZ の問題を解決します。
USP レーザーを使用すると、切断または穴あけプロセスに伴う余分な熱のほとんどは、周囲の材料に拡散する前に、放出された破片内に運び去られます。ピコ秒出力の USP レーザーは、プラスチック、半導体、セラミック、および特定の金属 (ピコ秒 = 10 ～ 12 秒) を含む微細加工アプリケーションで長い間使用されてきました。しかし、人間の髪の毛ほどの大きさの柱を持つ金属デバイスの場合、金属の高い熱伝導率と小さなサイズにより、ピコ秒レーザーは以前の USP レーザーのコスト増加に見合った改善された結果が常に得られるとは限りません。この状況は、工業グレードのフェムト秒レーザー (フェムト秒 = 10 ～ 15 秒) の出現により変わりました。一例として、Coherent Inc. の Monaco シリーズのレーザーがあります。ファイバー レーザーと同様に、その出力は近赤外光です。つまり、ステンレス鋼、プラチナ、金、マグネシウム、コバルトクロム、チタンなど、医療機器で使用されるすべての金属を切断または穴あけできます。短いパルス持続時間と低いパルスエネルギーの組み合わせにより熱損傷 (HAZ) が防止され、高い (MHz) 繰り返し率により、多くの高価な医療機器の費用対効果の高いスループット速度が保証されます。
もちろん、私たちの業界では、1 つのレーザーだけを必要とする人はほとんどいません。代わりに、レーザーベースの機械が必要であり、現在、医療機器の切断と穴あけに最適化された多くの専用機械が存在します。一例として、ファイバー レーザー、フェムト秒レーザー、または両方のレーザー タイプを組み込んだハイブリッド バージョンとして使用できる、コヒレントの StarCut Tube シリーズがあります。
医療機器の専門化とは何を意味しますか?これらの機器のほとんどは、カスタム設計に基づいて限られたバッチで生産されます。したがって、柔軟性と使いやすさが重要な考慮事項です。多くの機器はビレットから製造されますが、一部のコンポーネントは平らなビレットから精密に機械加工する必要があります。価値を最大化するには、同じ機械で両方を処理する必要があります。通常、これらのニーズは、多軸 CNC 制御 (xyz および回転) 動作と、簡単なプログラミングと制御のための使いやすい HMI を提供することで満たされます。StarCut Tube の場合、新しいチューブローディングモジュールオプションには、長さ 3 m までのチューブ用のサイドローディングマガジン (StarFeed と呼ばれる) とカット製品用のソーターが付属しており、完全自動生産が可能です。
これらの機械のプロセスの柔軟性は、湿式および乾式切断のサポートと、アシストガスを必要とするプロセス向けの簡単に調整可能な供給ノズルによってさらに強化されます。非常に小さな部品の加工には空間分解能も特に重要です。これは、熱機械的安定性により、機械工場でよく遭遇する振動の影響が排除されることを意味します。StarCut Tube シリーズは、多数の花崗岩要素で切断デッキ全体を構築することで、このニーズを満たします。
NPX Medical は、医療機器メーカーに設計、エンジニアリング、精密レーザー切断サービスを提供する比較的新しい受託メーカーです。2019 年に設立された同社は、高品質の製品と対応力で業界での評判を築き、神経血管、心臓、腎臓、脊椎、整形外科、婦人科、消化器外科などの同様に多様な外科手術介入用のステント、インプラント、弁ステント、フレキシブル デリバリー チューブなどの幅広いデバイスをサポートしています。そのメイン レーザーカッターは、平均出力 200 ワットの StarFiber 320FC を搭載した StarCut Tube 2+2 です。NPX 創設者の 1 人であるマイク ブレンゼル氏は、「創設者たちは、ファイバー レーザーを使用した StarCut のような機械での以前の経験により、医療機器の設計と製造に長年の経験を持ち、合計 90 年以上の経験を持っています」と説明しました。私たちの仕事の多くにはニチノール切断が含まれており、ファイバー レーザーが必要な速度と品質を提供できることをすでに知っています。デバイスについて」これは大きな利点であり、過去 18 か月間、ほぼ継続的に運用されてきた間、一度もサービス コールを必要としませんでした。
図 2. NPX はさまざまな後処理オプションを提供します。ここに示されている材料は、外径 5 mm、肉厚 0.254 mm の T316 ステンレス鋼です。左側の部分は切断/マイクロブラスト処理されており、右側の部分は電解研磨されています。
ニチノール部品に加えて、同社はコバルトクロム合金、タンタル合金、チタン合金、および多くの種類の医療用ステンレス鋼も幅広く使用しています。レーザー加工マネージャーのジェフ・ハンセン氏は次のように説明します。「機械の柔軟性ももう 1 つの重要な資産であり、チューブや平板などの非常に多様な材料の切断をサポートできます。ビームを 20 ミクロンのスポットに集中させることができるため、より多くの用途に役立ちます。 細いチューブは非常に便利です。これらのチューブの一部は内径がわずか 0.012 インチで、最新のファイバー レーザーのピーク パワーと平均パワーの高い比により、望ましいエッジ品質を提供しながら切断速度が最大化されます。外径 1 インチまでの大型製品のスピードが絶対に必要です。」
NPX は、精密な切断と迅速な応答に加えて、業界での豊富な経験を活用した包括的な設計サービスだけでなく、あらゆる後処理技術も提供しています。これらの技術には、電解研磨、サンドブラスト、酸洗、レーザー溶接、ヒートセット、フォーミング、不動態化、AF 温度試験、疲労試験が含まれ、これらはすべてニチノールデバイス製造の鍵となります。後処理を使用してエッジ仕上げを制御することについて、ブレンゼル氏は述べています。グまたは低疲労アプリケーション。たとえば、心臓弁のような高疲労部品は、後処理として寿命中に 10 億回曲がる可能性があります。ステップとして、サンドブラストを使用してすべてのエッジの半径を大きくすることが重要です。しかし、デリバリー システムやガイドワイヤーなどの疲労の少ないコンポーネントは、大規模な後処理を必要としないことがよくあります。」デザインの専門知識に関して、ブレンゼル氏は、現在、顧客の 4 分の 3 が、FDA の承認を得る際に NPX の支援とスキルを活用するためにデザイン サービスを利用していると説明しています。同社は、「ナプキン スケッチ」のコンセプトを短期間で最終形態の製品に変えることに非常に優れています。
Motion Dynamics (ミシガン州フルーツポート) は、カスタムのミニチュア スプリング、医療用コイル、ワイヤ アセンブリのメーカーであり、その使命は、どんなに複雑で一見不可能に見える顧客の問題でも、可能な限り最短時間で解決することです。医療機器では、「プル ワイヤ」アセンブリを含む、操縦可能なカテーテル デバイスなどの用途向けの高品質のワイヤ アセンブリの設計、製造、組み立てなど、主に神経血管手術用の複雑なアセンブリに重点を置いています。
前述したように、ファイバーまたは USP レーザーの選択は、サポートされる機器およびプロセスの種類だけでなく、エンジニアリングの好みの問題でもあります。Motion Dynamics の社長、Chris Witham 氏は次のように説明しています。「神経血管製品に重点を置いたビジネス モデルに基づいて、当社は設計、実行、サービスにおいて差別化された結果を提供できます。社内で使用するコンポーネントの製造にはレーザー切断のみを使用します。、当社の専門分野であり評判となっている、高価値の「難しい」コンポーネントを製造すること。弊社ではレーザー切断を契約サービスとして提供しておりません。私たちが行うほとんどのレーザーカットは USP レーザーで行うのが最適であることがわかり、私は長年にわたりこれらのレーザーのいずれかで StarCut チューブを使用してきました。当社製品に対する強い需要のため、当社では 1 日 8 時間勤務を 2 回、場合によっては 3 回勤務することもあります。2019 年には、この成長をサポートするために別の StarCut チューブを取得する必要があります。しかし今回は、フェムト秒 USP レーザーとファイバー レーザーの新しいハイブリッド モデルの 1 つを使用することにしました。また、StarFeed ローダー/アンローダーと組み合わせて、切断を完全に自動化できるようにしました。オペレーターはブランクを置くだけです。チューブがフィーダーにロードされ、製品のソフトウェア オペレーティング プログラムが開始されます。
図 3. この柔軟なステンレス鋼の供給チューブ (鉛筆消しゴムの隣に表示) は、モナコ フェムト秒レーザーで切断されました。
Withamは、マシンをフラットカッティングに時々使用している間、操縦可能なカテーテルアセンブリの95％以上の時間が操縦可能なカテーテルアセンブリの円筒製品の作成または変更に費やされていると付け加えています。少ない鋼、純金、プラチナ、ニチノール。
図 4. モーション ダイナミクスでは、レーザー溶接も広範囲に使用されています。上では、コイルがレーザー カットされたチューブに溶接されています。
レーザーオプションとは何ですか?ウィザム氏は、ほとんどのコンポーネントでは優れたエッジ品質と最小限の切り口が重要であるため、当初はUSPレーザーを好んだと説明しました。さらに、一部の製品で放射線不透過性マーカーとして使用される小さな金コンポーネントを含め、同社が使用する材料はいずれもこれらのレーザーでは切断できません。しかし、ファイバーレーザーとUSPを含む新しいハイブリッドオプションにより、速度/エッジ品質の問題を最適化する際により柔軟に対応できると付け加えました。「光ファイバーがより高速な速度を提供できることは疑いの余地がありません。」 「しかし、私たちは特定のアプリケーションに焦点を当てているため、これは通常、化学洗浄や超音波洗浄、電解研磨などの何らかの後処理を意味します。」そのため、ハイブリッドマシンを使用することで、各コンポーネントに最適なプロセス全体（USP のみ、またはファイバーと後処理のハンドリング）のどちらを選択できるようになります。これにより、特に大きな直径と肉厚が関係する場合、同じコンポーネントのハイブリッド加工の可能性を探ることができます。ファイバー レーザーによる高速切断も可能で、その後、微細な切断にはフェムト秒レーザーを使用します。」同氏は、USP レーザーが今後も第一選択であり続けると予想しています。なぜなら、ほとんどのレーザー切断では肉厚が 1 ～ 20 thou であるにもかかわらず、肉厚が 4 ～ 6 thou であるためです。汝の間にはステンレス鋼のパイプ。
結論として、レーザー切断と穴あけは、さまざまな医療機器の製造における重要なプロセスです。今日、コアレーザー技術の進歩と、業界の特定のニーズに合わせて構成された高度に最適化された機械のおかげで、これらのプロセスは使いやすくなり、これまで以上に優れた結果が得られます。