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오늘날 금속 및 비금속의 거의 모든 정밀 레이저 절단은 파이버 레이저 또는 USP(초단파 펄스) 레이저 또는 때로는 두 가지 모두가 장착된 도구를 사용하여 수행됩니다. 이 기사에서는 두 레이저의 서로 다른 장점을 설명하고 두 제조업체가 이러한 레이저를 사용하는 방법을 살펴보겠습니다.NPX Medical(미네소타주 플리머스)은 파이버 레이저가 통합된 기계를 사용하여 스텐트, 임플란트 및 유연한 튜브와 같은 다양한 장치 및 배치 도구를 제조하는 계약 전문 가공 회사입니다.Motion Dynamics는 서브 USP 펨토초 레이저와 펨토초 및 파이버 레이저를 포함한 최신 하이브리드 시스템 중 하나를 포함하는 기계를 활용하여 신경학에서 주로 사용되는 "풀 와이어" 어셈블리와 같은 어셈블리는 최대의 유연성과 다용성을 제공합니다.
수년 동안 대부분의 레이저 미세 가공은 DPSS 레이저라고 하는 고체 나노초 레이저를 사용하여 수행되었습니다. 그러나 이것은 완전히 다른 두 가지 레이저 유형의 개발 덕분에 완전히 바뀌었습니다. 원래 통신용으로 개발된 파이버 레이저는 종종 근적외선 파장에서 많은 산업에서 주력 재료 가공 레이저로 발전했습니다. 성공의 이유는 단순한 아키텍처와 간단한 전력 확장성에 있습니다. 특수 기계에 통합되고 일반적으로 이전 레이저 유형보다 낮은 소유 비용을 제공합니다.마이크로 가공에서 중요한 것은 출력 빔이 직경이 몇 미크론에 불과한 작고 깨끗한 지점에 집중될 수 있으므로 고해상도 절단, 용접 및 드릴링에 이상적입니다.출력은 단일 샷에서 170kHz까지의 펄스 속도로 매우 유연하고 제어 가능합니다.확장 가능한 전력과 함께 빠른 절단 및 드릴링을 지원합니다.
그러나 미세 가공에서 파이버 레이저의 잠재적인 단점은 작은 형상 및/또는 얇고 섬세한 부품을 가공하는 것입니다. 펄스 지속 시간이 길면(예: 50µs) 재주조 재료 및 작은 가장자리 거칠기와 같은 소량의 열 영향부(HAZ)가 발생하여 약간의 후처리가 필요할 수 있습니다. 다행스럽게도 최신 레이저(펨토초 출력 펄스가 있는 초단파 펄스(USP) 레이저)는 HAZ 문제를 제거합니다.
USP 레이저를 사용하면 절단 또는 천공 공정과 관련된 대부분의 추가 열이 주변 재료로 확산되기 전에 배출된 잔해에서 제거됩니다. 피코초 출력의 USP 레이저는 오랫동안 플라스틱, 반도체, 세라믹 및 특정 금속(피코초 = 10-12초)과 관련된 미세 기계 가공 응용 분야에 사용되었습니다. 이전 USP 레이저의 비용 증가를 정당화할 수 있는 향상된 결과입니다. 이것은 이제 산업용 등급 펨토초 레이저(펨토초 = 10-15초)의 출현으로 변경되었습니다.예를 들어 Coherent Inc.의 Monaco 레이저 시리즈가 있습니다. 파이버 레이저와 마찬가지로 출력은 근적외선이므로 스테인리스 스틸, 백금, 금, 마그네슘, 코발트-크롬, 티타늄 등 의료 기기에 사용되는 모든 금속을 절단하거나 천공할 수 있습니다. -금속. 짧은 펄스 지속 시간과 낮은 펄스 에너지의 조합이 열 손상(HAZ)을 방지하는 반면, 높은(MHz) 반복률은 많은 고가의 의료 기기에 대해 비용 효율적인 처리 속도를 보장합니다.
물론 우리 업계에서는 레이저 하나만 필요한 사람은 거의 없습니다.대신 레이저 기반 기계가 필요하며 현재는 의료 기기 절단 및 드릴링에 최적화된 특수 기계가 많이 있습니다.Coherent의 StarCut Tube 시리즈는 섬유 레이저, 펨토초 레이저와 함께 사용하거나 두 레이저 유형을 통합한 하이브리드 버전으로 사용할 수 있습니다.
의료 기기 전문화란 무엇을 의미합니까?이러한 기기의 대부분은 맞춤 설계를 기반으로 제한된 배치로 생산됩니다.따라서 유연성과 사용 용이성이 주요 고려 사항입니다.많은 기기가 빌렛으로 제조되지만 일부 구성 요소는 플랫 빌렛으로 정밀 가공해야 합니다.동일한 기계가 가치를 극대화하기 위해 두 가지 모두를 처리해야 합니다. 이러한 요구 사항은 일반적으로 다축 CNC 제어(xyz 및 회전) 동작과 간단한 프로그래밍 및 제어를 위한 사용자 친화적인 HMI를 제공함으로써 충족됩니다. StarCut 튜브의 경우 새로운 튜브 로딩 모듈 옵션에는 최대 3m 길이의 튜브용 측면 로딩 매거진(StarFeed라고 함)과 절단 제품용 분류기가 함께 제공되어 완전 자동화된 생산이 가능합니다.
이러한 기계의 공정 유연성은 습식 및 건식 절단 지원과 보조 가스가 필요한 공정을 위해 쉽게 조정 가능한 전달 노즐을 통해 더욱 향상됩니다. 공간 분해능은 매우 작은 부품을 가공하는 데 특히 중요합니다. 즉, 열역학적 안정성이 기계 공장에서 자주 발생하는 진동의 영향을 제거합니다. StarCut 튜브 제품군은 많은 수의 화강암 요소로 전체 절단 데크를 구성하여 이러한 요구를 충족합니다.
NPX Medical은 의료 기기 제조업체에 디자인, 엔지니어링 및 정밀 레이저 절단 서비스를 제공하는 상당히 새로운 계약 제조업체입니다. 2019년에 설립된 이 회사는 고품질 제품과 반응성으로 업계에서 명성을 쌓아 왔으며, 신경혈관, 심장, 신장, 척추, 정형외과, 부인과 및 위장 수술을 포함한 유사하게 다양한 수술 절차를 위한 스텐트, 임플란트, 밸브 스텐트 및 유연한 전달 튜브를 포함한 광범위한 장치를 지원합니다. 평균 전력 200와트의 StarFiber 320FC가 포함된 StarCut Tube 2+2. NPX의 창립자 중 한 명인 Mike Brenzel은 "창업자들은 수년간의 의료 기기 설계 및 제조 경험을 가지고 있습니다. 총 90년 이상"이라고 설명했습니다. 이전에는 파이버 레이저를 사용하는 StarCut과 같은 기계에 대한 경험이 있습니다. 우리 작업의 대부분은 니티놀 절단과 관련되며 우리는 파이버 레이저가 우리가 필요로 하는 속도와 품질을 제공할 수 있다는 것을 이미 알고 있습니다. 벽이 두꺼운 튜브와 같은 장치의 경우 s 및 심장 판막, 우리는 속도가 필요하고 USP 레이저는 우리의 필요에 비해 너무 느릴 수 있습니다.대량 생산 주문 외에도 – 우리는 5~150개 사이의 부품의 작은 배치를 전문으로 합니다 – 우리의 목표는 설계, 프로그래밍, 절단, 성형, 후처리 및 검사를 포함하여 단 며칠 만에 이러한 소규모 배치 턴어라운드를 완료하는 것입니다. 거의 연속적으로 작동하는 지난 18개월 동안 단일 서비스 호출.
그림 2. NPX는 다양한 후처리 옵션을 제공합니다. 여기에 표시된 재료는 OD가 5mm이고 벽 두께가 0.254mm인 T316 스테인리스강입니다. 왼쪽 부분은 절단/미세 분사되고 오른쪽 부분은 전해 연마됩니다.
니티놀 부품 외에도 이 회사는 코발트-크롬 합금, 탄탈륨 합금, 티타늄 합금 및 다양한 유형의 의료용 스테인리스강을 광범위하게 사용합니다. 레이저 가공 관리자인 Jeff Hansen은 다음과 같이 설명합니다.빔을 20미크론 지점까지 집중시킬 수 있습니다. 이는 더 많은 작업에 유용합니다. 얇은 튜브는 매우 유용합니다.이러한 튜브 중 일부는 내경이 0.012″에 불과하며 최신 파이버 레이저의 평균 출력에 대한 최대 출력의 비율이 높기 때문에 절단 속도를 최대화하는 동시에 원하는 가장자리 품질을 제공합니다.외경이 최대 1인치인 더 큰 제품의 속도가 절대적으로 필요합니다.”
정밀 절단 및 빠른 응답 외에도 NPX는 업계에서의 광범위한 경험을 활용하는 포괄적인 설계 서비스뿐만 아니라 전 범위의 후처리 기술도 제공합니다. 이러한 기술에는 전해연마, 샌드블라스팅, 산세척, 레이저 용접, 열 고정, 성형, 패시베이션, Af 온도 테스트 및 피로 테스트가 포함되며 모두 니티놀 장치 제조의 핵심입니다. 피로도가 낮은 적용.예를 들어, 심장 판막과 같은 피로도가 높은 부품은 후처리로 수명 기간 동안 10억 번 구부러질 수 있습니다. 단계적으로 샌드블라스팅을 사용하여 모든 모서리의 반경을 늘리는 것이 중요합니다.그러나 딜리버리 시스템이나 가이드와이어와 같은 피로도가 낮은 부품은 광범위한 후처리가 필요하지 않은 경우가 많습니다.”디자인 전문 지식 측면에서 Brenzel은 현재 4분의 3의 고객이 디자인 서비스를 사용하여 FDA 승인을 얻는 데 있어 NPX의 도움과 기술을 활용하고 있다고 설명합니다. 이 회사는 "냅킨 스케치" 개념을 단기간에 최종 형태의 제품으로 전환하는 데 매우 능숙합니다.
Motion Dynamics(Fruitport, MI)는 주문 제작 소형 스프링, 의료용 코일 및 와이어 조립품 제조업체로 아무리 복잡하거나 불가능해 보이는 고객 문제를 가능한 최단 시간 내에 해결하는 것을 사명으로 삼고 있습니다. 의료 기기에서는 주로 "풀 와이어" 조립품을 포함하여 조종 가능한 카테터 장치와 같은 애플리케이션을 위한 고품질 와이어 조립품의 설계, 생산 및 조립을 포함하여 신경혈관 수술을 위한 복잡한 조립품을 강조합니다.
앞에서 언급한 바와 같이 파이버 또는 USP 레이저의 선택은 지원되는 장비 및 프로세스 유형뿐만 아니라 엔지니어링 선호도의 문제입니다. Motion Dynamics의 사장인 Chris Witham은 다음과 같이 설명했습니다.우리는 사내에서 사용하는 구성 요소를 생산할 때만 레이저 절단을 사용합니다., 우리의 전문성과 명성이 된 고가의 "어려운" 구성 요소를 제조하기 위해;우리는 계약 서비스로 레이저 절단을 제공하지 않습니다.우리는 우리가 수행하는 대부분의 레이저 절단이 USP 레이저로 가장 잘 수행된다는 것을 알게 되었으며 수년 동안 저는 이러한 레이저 중 하나와 함께 StarCut 튜브를 사용해 왔습니다.우리 제품에 대한 강력한 수요로 인해 우리는 하루 8시간씩 2교대, 때로는 3교대 근무를 하고 있으며 2019년에는 이러한 성장을 지원하기 위해 또 다른 StarCut 튜브를 구입해야 합니다.하지만 이번에는 펨토초 USP 레이저와 파이버 레이저의 새로운 하이브리드 모델 중 하나를 사용하기로 결정했습니다.우리는 또한 절단을 완전히 자동화할 수 있도록 StarFeed 로더/언로더와 페어링했습니다. 작업자는 블랭크를 넣기만 하면 튜브가 피더에 로드되고 제품용 소프트웨어 운영 프로그램이 시작됩니다.
그림 3. 이 유연한 스테인리스 스틸 전달 튜브(연필 지우개 옆에 표시됨)는 Monaco 펨토초 레이저로 절단되었습니다.
Witham은 평면 절단을 위해 가끔 기계를 사용하지만 시간의 95% 이상을 조종 가능한 카테터 조립체, 즉 하이포튜브, 코일 및 나선형, 절단 프로파일 팁 및 절단 구멍을 위한 원통형 제품을 만들거나 수정하는 데 소비한다고 덧붙입니다. 이러한 구성 요소는 궁극적으로 동맥류 수리 및 혈전 제거와 같은 절차에 사용됩니다. 이를 위해서는 스테인리스 스틸, 순금, 백금 및 니티놀을 포함한 다양한 금속에 레이저 절단기를 사용해야 합니다.
그림 4. Motion Dynamics도 레이저 용접을 광범위하게 사용합니다. 위의 코일은 레이저 절단 튜브에 용접되었습니다.
레이저 옵션은 무엇입니까?Witham은 대부분의 구성 요소에 우수한 모서리 품질과 최소한의 절단이 중요하다고 설명했기 때문에 처음에는 USP 레이저를 선호했습니다. 또한 일부 제품에서 방사선 불투과성 마커로 사용되는 작은 금 구성 요소를 포함하여 회사에서 사용하는 재료 중 어느 것도 이러한 레이저 중 하나로 절단할 수 없습니다. 그러나 그는 파이버 레이저 및 USP를 포함한 새로운 하이브리드 옵션이 속도/엣지 품질 문제를 최적화하는 데 더 많은 유연성을 제공한다고 덧붙였습니다."광섬유가 더 높은 속도를 제공할 수 있다는 데는 의심의 여지가 없습니다." “그러나 우리의 특정 응용 분야에 초점을 맞추기 때문에 이는 일반적으로 화학적 및 초음파 세척 또는 전해 연마와 같은 일종의 후처리를 의미합니다.따라서 하이브리드 기계를 사용하면 USP 단독 또는 섬유 및 후처리 처리 중 각 구성 요소에 대해 최적인 전체 프로세스를 선택할 수 있습니다.이를 통해 우리는 특히 더 큰 직경과 벽 두께가 관련된 동일한 구성 요소의 하이브리드 가공 가능성을 탐색할 수 있습니다. 파이버 레이저로 빠르게 절단한 다음 정밀 절단을 위해 펨토초 레이저를 사용합니다.”그는 USP 레이저가 그들의 첫 번째 선택으로 남을 것이라고 예상합니다. 왜냐하면 대부분의 레이저 절단은 벽 두께가 1-20t 범위에 있지만 4-6t 사이의 벽 두께를 포함하기 때문입니다.너 사이의 스테인레스 스틸 파이프.
결론적으로 레이저 절단 및 드릴링은 다양한 의료 기기 제조의 핵심 프로세스입니다. 오늘날 핵심 레이저 기술의 발전과 산업의 특정 요구에 맞게 구성된 고도로 최적화된 기계 덕분에 이러한 프로세스는 이전보다 사용하기 쉽고 더 나은 결과를 제공합니다.