Dette nettstedet drives av en eller flere bedrifter eid av Informa PLC, og alle opphavsrettigheter tilhører dem. Informa PLCs registrerte kontor er 5 Howick Place, London SW1P 1WG. Registrert i England og Wales. Nr. 8860726.
I dag utføres nesten all presisjonslaserskjæring av metaller og ikke-metaller ved hjelp av verktøy utstyrt med fiberlasere eller ultrakortpulslasere (USP), eller noen ganger begge deler. I denne artikkelen vil vi forklare de ulike fordelene med de to laserne og se hvordan begge produsentene bruker disse laserne. NPX Medical (Plymouth, MN) er et kontraktsbasert spesialbehandlingsselskap som produserer en rekke enheter og distribusjonsverktøy, for eksempel stenter, implantater og fleksible slanger, ved hjelp av maskiner som inneholder fiberlasere. Motion Dynamics produserer underenheter, for eksempel "trekktråd"-enheter som primært brukes i nevrologi, ved hjelp av en maskin som inkluderer en USP femtosekundlaser og et av de nyeste hybridsystemene, inkludert femtosekund- og fiberlasere for maksimal fleksibilitet og allsidighet.
I mange år har mesteparten av lasermikromaskinering blitt utført ved hjelp av faststoff-nanosekundlasere kalt DPSS-lasere. Dette har imidlertid nå endret seg fullstendig takket være utviklingen av to helt forskjellige, og derfor komplementære, lasertyper. Fiberlasere, som opprinnelig ble utviklet for telekommunikasjon, har modnet til arbeidshest-lasere for materialbehandling i mange bransjer, ofte ved nær-infrarøde bølgelengder. Årsakene til suksessen ligger i den enkle arkitekturen og den greie skalerbarheten. Dette resulterer i lasere som er kompakte, svært pålitelige og enkle å integrere i spesialiserte maskiner, og generelt tilbyr lavere eierkostnader enn eldre lasertyper. Viktigere for mikromaskinering er at utgangsstrålen kan fokuseres på et lite, rent punkt på bare noen få mikrometer i diameter, så de er ideelle for skjæring, sveising og boring med høy oppløsning. Utgangene deres er også svært fleksible og kontrollerbare, med pulsfrekvenser fra enkelt skudd til 170 kHz. Sammen med skalerbar effekt støtter dette rask skjæring og boring.
En potensiell ulempe med fiberlasere i mikromaskinering er imidlertid maskinering av små detaljer og/eller tynne, delikate deler. Lange pulsvarigheter (f.eks. 50 µs) resulterer i en liten mengde varmepåvirket sone (HAZ), for eksempel omstøpt materiale, og liten kantruhet, noe som kan kreve noe etterbehandling. Heldigvis eliminerer nyere lasere – ultrakorte pulslasere (USP) med femtosekundutgangspulser – HAZ-problemet.
Med USP-lasere blir mesteparten av den ekstra varmen forbundet med skjære- eller boreprosessen ført bort i det utkastede avfallet før det rekker å diffundere inn i det omkringliggende materialet. USP-lasere med pikosekunderutgang har lenge vært brukt i mikromaskineringsapplikasjoner som involverer plast, halvledere, keramikk og visse metaller (pikosekunder = 10–12 sekunder). Men for metallenheter med søyler på størrelse med et menneskehår, betyr metallets høye varmeledningsevne og lille størrelse at pikosekundelasere ikke alltid gir de forbedrede resultatene som ville rettferdiggjøre den økte kostnaden for tidligere USP-lasere. Dette har nå endret seg med fremveksten av femtosekundlasere av industriell kvalitet (femtosekund = 10–15 sekunder). Et eksempel er Coherent Inc.s Monaco-serie av lasere. I likhet med fiberlasere er utgangen deres nær-infrarødt lys, noe som betyr at de kan skjære eller bore i alle metaller som brukes i medisinsk utstyr, inkludert rustfritt stål, platina, gull, magnesium, kobolt-krom, titan og mer, samt ikke-metaller. Mens kombinasjonen av kort pulsvarighet og lav puls energi forhindrer termisk skade (HAZ), og den høye (MHz) repetisjonsfrekvensen sikrer kostnadseffektive gjennomstrømningshastigheter for mange medisinske enheter av høy verdi.
Selvfølgelig trenger nesten ingen i vår bransje bare én laser. I stedet trenger de en laserbasert maskin, og det finnes nå mange spesialiserte maskiner som er optimalisert for skjæring og boring av medisinsk utstyr. Et eksempel er Coherents StarCut Tube-serie, som kan brukes med fiberlasere, femtosekundlasere eller som en hybridversjon som inkluderer begge lasertypene.
Hva betyr spesialisering innen medisinsk utstyr? De fleste av disse enhetene produseres i begrensede partier basert på tilpassede design. Derfor er fleksibilitet og brukervennlighet viktige hensyn. Selv om mange enheter er produsert av emner, må noen komponenter presisjonsmaskineres fra flate emner. Den samme maskinen må håndtere begge deler for å maksimere verdien. Disse behovene dekkes vanligvis ved å tilby flerakset CNC-styrt (xyz og roterende) bevegelse og et brukervennlig HMI for enkel programmering og kontroll. Når det gjelder StarCut Tube, leveres et nytt alternativ for rørlastemodul med et sidelastemagasin (kalt StarFeed) for rør opptil 3 m lange og en sorterer for kuttede produkter, noe som muliggjør helautomatisert produksjon.
Prosesfleksibiliteten til disse maskinene forbedres ytterligere ved støtte for våt- og tørrskjæring og lett justerbare tilførselsdyser for prosesser som krever hjelpegass. Romlig oppløsning er også spesielt viktig for maskinering av svært små deler, noe som betyr at termomekanisk stabilitet eliminerer effektene av vibrasjon som ofte oppstår i maskinverksteder. StarCut Tube-serien oppfyller dette behovet ved å bygge hele skjæreaggregatet med et stort antall granittelementer.
NPX Medical er en relativt ny kontraktsprodusent som tilbyr design, ingeniørarbeid og presisjonslaserskjæringstjenester til produsenter av medisinsk utstyr. Selskapet ble grunnlagt i 2019 og har bygget et rykte i bransjen for kvalitetsprodukter og respons, og støtter et bredt spekter av enheter, inkludert stenter, implantater, ventilstenter og fleksible leveringsrør for lignende forskjellige kirurgiske prosedyrer, inkludert nevrovaskulær, hjerte-, nyre-, rygg-, ortopedisk, gynekologisk og gastrointestinal kirurgi. Hovedlaserskjæreren er StarCut Tube 2+2 med en StarFiber 320FC med en gjennomsnittlig effekt på 200 watt. Mike Brenzel, en av NPXs grunnleggere, forklarte at «grunnleggerne har mange års erfaring med design og produksjon av medisinsk utstyr – mer enn 90 år totalt», med tidligere erfaring med StarCut-lignende maskiner som bruker fiberlasere. Mye av arbeidet vårt involverer nitinolskjæring, og vi vet allerede at fiberlasere kan gi den hastigheten og kvaliteten vi trenger. For enheter som tykkveggede rør og hjerteklaffer trenger vi hastighet, og USP-laseren kan være for treg for våre behov. I tillegg til produksjonsordrer med høyt volum – vi spesialiserer oss på små partier med deler – kun mellom 5 og 150 deler – målet vårt er å fullføre disse små partienes behandlingstid på bare noen få dager, inkludert design, programmering, skjæring, forming, etterbehandling og inspeksjon, sammenlignet med ukene etter at en bestilling er lagt inn for større selskaper.» I tillegg til å nevne hastighet, nevnte Brenzel maskinens pålitelighet som en stor fordel, siden den ikke krevde et eneste servicebesøk de siste 18 månedene med nesten kontinuerlig drift.
Figur 2. NPX tilbyr en rekke etterbehandlingsalternativer. Materialet som vises her er T316 rustfritt stål med en ytterdiameter på 5 mm og en veggtykkelse på 0,254 mm. Den venstre delen er kuttet/mikroblåst, og den høyre delen er elektropolert.
I tillegg til nitinoldeler bruker selskapet også i stor grad kobolt-krom-legeringer, tantal-legeringer, titanlegeringer og mange typer medisinsk rustfritt stål. Jeff Hansen, laserbehandlingssjef, forklarer: «Maskinfleksibilitet er en annen viktig fordel, som lar oss støtte skjæring av et svært variert utvalg av materialer, inkludert rør og flate stål. Vi kan fokusere strålen ned til et 20-mikron punkt, noe som er nyttig for mer Tynne rør er svært nyttige. Noen av disse rørene har bare en ID på 0,012 tommer, og det høye forholdet mellom toppeffekt og gjennomsnittlig effekt til de nyeste fiberlaserne maksimerer skjærehastigheten vår samtidig som vi gir ønsket kantkvalitet. Vi trenger absolutt hastigheten til større produkter med en utvendig diameter på opptil 1 tomme.»
I tillegg til presisjonsskjæring og rask respons tilbyr NPX også et komplett utvalg av etterbehandlingsteknologier, samt omfattende designtjenester som utnytter deres omfattende erfaring i bransjen. Disse teknikkene inkluderer elektropolering, sandblåsing, beising, lasersveising, varmefiksering, forming, passivering, Af-temperaturtesting og utmattingstesting, som alle er nøkkelen til fabrikasjon av Nitinol-enheter. Bruk av etterbehandling for å kontrollere kantfinish, sa Brenzel, «avhenger vanligvis av om vi snakker om en applikasjon med høy eller lav utmattingsgrad. For eksempel kan en del med høy utmattingsgrad, som en hjerteklaff, bøye seg en milliard ganger i løpet av levetiden som en etterbehandling. Som et trinn er det viktig å bruke sandblåsing for å øke radiusen til alle kanter. Men komponenter med lav utmattingsgrad, som leveringssystemer eller styretråder, krever ofte ikke omfattende etterbehandling.» Når det gjelder designekspertise, forklarer Brenzel, er det nå så mange som tre fjerdedeler av kundene som også bruker designtjenestene deres for å dra nytte av NPXs hjelp og ferdigheter til å få FDA-godkjenning. Selskapet er veldig flinke til å gjøre «serviettskisse»-konseptet om til et produkt i sin endelige form på kort tid.
Motion Dynamics (Fruitport, MI) er en produsent av spesialtilpassede miniatyrfjærer, medisinske spoler og trådmonteringer, med mål om å løse kundenes problemer, uansett hvor komplekse eller tilsynelatende umulige de er, på kortest mulig tid. Innen medisinsk utstyr vektlegger de primært komplekse sammenstillinger for nevrovaskulær kirurgi, inkludert design, produksjon og montering av trådmonteringer av høy kvalitet for applikasjoner som styrbare kateteranordninger, inkludert "trekktråd"-sammenstillinger.
Som nevnt tidligere, er valget av fiber- eller USP-laser et spørsmål om tekniske preferanser, samt typen utstyr og prosesser som støttes. Chris Witham, president i Motion Dynamics, forklarte: «Basert på en forretningsmodell som er sterkt fokusert på nevrovaskulære produkter, kan vi levere differensierte resultater innen design, utførelse og service. Vi bruker kun laserskjæring til å produsere komponentene vi bruker internt, for å produsere de verdifulle, «vanskelige» komponentene som har blitt vår spesialitet og vårt omdømme. Vi tilbyr ikke laserskjæring som en kontraktstjeneste. Vi har funnet ut at de fleste laserkuttene vi utfører, gjøres best med USP-lasere, og i mange år har jeg brukt et StarCut Tube med en av disse laserne. På grunn av den sterke etterspørselen etter produktene våre har vi to 8-timers skift om dagen, noen ganger til og med tre skift, og i 2019 må vi anskaffe et nytt StarCut Tube for å støtte denne veksten. Men denne gangen bestemte vi oss for å gå for en av de nye hybridmodellene av femtosekund USP-lasere og fiberlasere. Vi koblet den også sammen med en StarFeed-laster/avlaster slik at vi kunne automatisere skjæringen fullstendig – operatøren legger ganske enkelt inn emnet. Røret lastes inn i materen, og programvaren for produktet startes.
Figur 3. Dette fleksible tilførselsrøret i rustfritt stål (vist ved siden av et viskelær) er kuttet med en Monaco femtosekundlaser.
Witham legger til at selv om de av og til bruker maskinen til flatkutting, går mer enn 95 prosent av tiden deres med å lage eller modifisere sylindriske produkter for sine styrbare kateterenheter, nemlig hypotuber, spoler og spiraler, inkludert kutting av profilerte spisser og hull. Disse komponentene brukes til slutt i prosedyrer som aneurismereparasjon og fjerning av tromber. Dette krever bruk av laserskjærere på en rekke metaller, inkludert rustfritt stål, rent gull, platina og nitinol.
Figur 4. Motion Dynamics bruker også lasersveising i stor grad. Ovenfor er spolen sveiset til det laserskårne røret.
Hvilke laseralternativer finnes? Witham forklarte at utmerket kantkvalitet og minimale kutt er avgjørende for de fleste av komponentene deres, så de foretrakk i utgangspunktet USP-lasere. I tillegg kan ingen av materialene selskapet bruker kuttes av en av disse laserne, inkludert de små gullkomponentene som brukes som røntgentette markører i noen av produktene deres. Men han la til at nye hybridalternativer, inkludert fiberlasere og USP-er, gir dem mer fleksibilitet i å optimalisere hastighets-/kantkvalitetsproblemer. «Det er ingen tvil om at fiberoptikk kan gi høyere hastigheter», sa han. «Men på grunn av vårt spesielle applikasjonsfokus betyr dette vanligvis en eller annen form for etterbehandling, for eksempel kjemisk og ultralydrengjøring eller elektropolering. Så å ha en hybridmaskin lar oss velge hvilken overordnet prosess – USP alene eller fiber- og etterbehandlingshåndtering – som er optimal for hver komponent. Det lar oss utforske muligheten for hybridmaskinering av samme komponent, spesielt der større diametre og veggtykkelser er involvert: selv rask kutting med fiberlasere. Deretter kan vi bruke en femtosekundlaser for fin kutting.» Han forventer at USP-laseren vil forbli deres førstevalg fordi de fleste av laserkuttene deres involverer veggtykkelser mellom 4 og 6 thousand, selv om de støter på veggtykkelser fra 1–20 thousand. Rør i rustfritt stål mellom thousand.
Avslutningsvis er laserskjæring og boring viktige prosesser i produksjonen av diverse medisinsk utstyr. I dag, takket være fremskritt innen kjernelaserteknologi og svært optimaliserte maskiner konfigurert for industriens spesifikke behov, er disse prosessene enklere å bruke og gir bedre resultater enn noen gang før.