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Hoje, quase todo o corte a laser de precisão de metais e não metais é realizado usando ferramentas equipadas com lasers de fibra ou lasers de pulso ultracurto (USP), ou às vezes ambos. Neste artigo, explicaremos as diferentes vantagens dos dois lasers e veremos como os dois fabricantes usam esses lasers. s subconjuntos, como conjuntos de “puxar fio” usados ​​principalmente em neurologia, utilizando uma máquina que inclui um laser de femtossegundo USP e um dos mais recentes sistemas híbridos, incluindo femtosegundo e lasers de fibra para máxima flexibilidade e versatilidade.
Por muitos anos, a maioria da microusinagem a laser foi realizada usando lasers de nanossegundos de estado sólido chamados lasers DPSS.No entanto, isso agora mudou completamente graças ao desenvolvimento de dois tipos de laser completamente diferentes e, portanto, complementares.Originalmente desenvolvidos para telecomunicações, os lasers de fibra amadureceram em lasers de processamento de materiais de trabalho pesado em muitos setores, geralmente em comprimentos de onda do infravermelho próximo.As razões para seu sucesso estão em sua arquitetura simples e escalabilidade de potência direta.Isso resulta em lasers compactos, altamente confiáveis ​​e fáceis de integrar em máquinas especializadas e geralmente oferecem um custo de propriedade mais baixo do que os tipos de laser mais antigos. É importante ressaltar que para a microusinagem, o feixe de saída pode ser focado em um ponto pequeno e limpo de apenas alguns mícrons de diâmetro, portanto, eles são ideais para corte, soldagem e perfuração de alta resolução. Suas saídas também são muito flexíveis e controláveis, com taxas de pulso que variam de disparo único a 170 kHz. Junto com potência escalável, isso suporta corte e perfuração rápidos.
No entanto, uma desvantagem potencial dos lasers de fibra na microusinagem é a usinagem de pequenos recursos e/ou peças finas e delicadas. Durações de pulso longas (por exemplo, 50 µs) resultam em uma pequena quantidade de zona afetada pelo calor (HAZ), como material reformulado e pequena rugosidade da borda, o que pode exigir algum pós-processamento.Felizmente, lasers mais novos - lasers de pulso ultracurto (USP) com pulsos de saída de femtossegundos - eliminam o problema de HAZ.
Com os lasers USP, a maior parte do calor extra associado ao processo de corte ou perfuração é levado para os detritos ejetados antes que eles tenham tempo de se difundir no material circundante. Os lasers USP com saída de picossegundos são usados ​​há muito tempo em aplicações de microusinagem envolvendo plásticos, semicondutores, cerâmicas e certos metais (picossegundos = 10 a 12 segundos). isso justificaria o aumento do custo dos lasers USP anteriores. Isso agora mudou com o advento dos lasers de femtosegundo de nível industrial (femtosegundo = 10-15 segundos). Um exemplo é a série de lasers Monaco da Coherent Inc. .Embora a combinação de curta duração de pulso e baixa energia de pulso evite danos térmicos (HAZ), a alta taxa de repetição (MHz) garante velocidades de produção econômicas para muitos dispositivos médicos de alto valor.
Claro, quase ninguém em nosso setor precisa de apenas um laser. Em vez disso, eles precisam de uma máquina baseada em laser, e agora existem muitas máquinas especializadas otimizadas para cortar e perfurar dispositivos médicos.
O que significa especialização de dispositivos médicos? A maioria desses dispositivos é produzida em lotes limitados com base em projetos personalizados. Portanto, flexibilidade e facilidade de uso são considerações importantes. Embora muitos dispositivos sejam fabricados a partir de tarugos, alguns componentes devem ser usinados com precisão a partir de tarugos planos;a mesma máquina deve lidar com ambos para maximizar seu valor. Essas necessidades geralmente são atendidas ao fornecer movimento controlado por CNC de vários eixos (xyz e rotativo) e uma IHM amigável para programação e controle simples.
A flexibilidade do processo dessas máquinas é aprimorada ainda mais pelo suporte para corte úmido e seco e bocais de entrega facilmente ajustáveis ​​para processos que requerem gás auxiliar. A resolução espacial também é particularmente importante para a usinagem de peças muito pequenas, o que significa que a estabilidade termomecânica elimina os efeitos de vibração frequentemente encontrados em oficinas mecânicas. A linha StarCut Tube atende a essa necessidade construindo toda a plataforma de corte com um grande número de elementos de granito.
A NPX Medical é uma fabricante contratada relativamente nova que fornece serviços de design, engenharia e corte a laser de precisão para fabricantes de dispositivos médicos. Fundada em 2019, a empresa construiu uma reputação no setor por produtos de qualidade e capacidade de resposta, oferecendo suporte a uma ampla gama de dispositivos, incluindo stents, implantes, stents de válvulas e tubos de entrega flexíveis para intervenções cirúrgicas diversas, incluindo neurovascular, cardíaca, renal, coluna, cirurgia ortopédica, ginecológica e gastrointestinal. Seu principal cortador a laser é o StarCut Tube 2 +2Â com um StarFiber 320FC com uma potência média de 200 watts.Mike Brenzel, um dos fundadores da NPX, explicou que "os fundadores trazem anos de experiência em design e fabricação de dispositivos médicos - mais de 90 anos no total", com experiência anterior com máquinas do tipo StarCut usando lasers de fibra.Muito do nosso trabalho envolve corte de nitinol e já sabemos que os lasers de fibra podem fornecer a velocidade e a qualidade de que precisamos.Para dispositivos como tubos de paredes espessas e válvulas cardíacas, precisamos de velocidade, e o laser USP pode ser muito lento para nossas necessidades. Além de pedidos de produção de alto volume – somos especializados em pequenos lotes de peças – apenas entre 5 e 150 peças – nosso objetivo é concluir essas paradas de pequenos lotes em apenas alguns dias, incluindo projeto, programação, corte, conformação, pós-processamento e inspeção, em comparação com as semanas após o pedido para empresas maiores.”Além de mencionar a velocidade, Brenzel mencionou a confiabilidade da máquina como uma grande vantagem, não exigindo uma única chamada de serviço no passado 18 meses de operação quase contínua.
Figura 2. A NPX oferece uma variedade de opções de pós-processamento. O material mostrado aqui é aço inoxidável T316 com diâmetro externo de 5 mm e espessura de parede de 0,254 mm. A parte esquerda é cortada/microjateada e a parte direita é eletropolida.
Além de peças de nitinol, a empresa também faz uso extensivo de ligas de cromo-cobalto, ligas de tântalo, ligas de titânio e muitos tipos de aços inoxidáveis ​​médicos.Jeff Hansen, gerente de processamento de laser, explica: “A flexibilidade da máquina é outro recurso importante, permitindo-nos oferecer suporte ao corte de uma gama muito diversificada de materiais, incluindo tubos e planos.Podemos focar o feixe em um ponto de 20 mícrons, o que é útil para mais. Tubos finos são muito úteis.Alguns desses tubos têm apenas 0,012″ de diâmetro interno, e a alta proporção de potência de pico para potência média dos lasers de fibra mais recentes maximiza nossa velocidade de corte enquanto ainda fornece a qualidade de borda desejada.Nós absolutamente precisamos da velocidade de produtos maiores com um diâmetro externo de até 1 polegada.”
Além do corte preciso e resposta rápida, a NPX também oferece uma gama completa de tecnologias de pós-processamento, bem como serviços de design abrangentes que alavancam sua vasta experiência na indústria. ou aplicação de baixa fadiga.Por exemplo, uma peça de alto desgaste como uma válvula cardíaca pode dobrar um bilhão de vezes ao longo de sua vida útil como um pós-processamento Como etapa, é importante usar jateamento para aumentar o raio de todas as arestas.Mas componentes de baixa fadiga, como sistemas de entrega ou fios-guia, muitas vezes não requerem pós-processamento extensivo.”Em termos de especialização em design, explica Brenzel, atualmente três quartos dos clientes também usam seus serviços de design para aproveitar a ajuda e as habilidades da NPX para obter a aprovação do FDA.
A Motion Dynamics (Fruitport, MI) é um fabricante de molas em miniatura personalizadas, bobinas médicas e conjuntos de fios cuja missão é resolver os problemas do cliente, não importa quão complexos ou aparentemente impossíveis, no menor tempo possível.
Conforme mencionado anteriormente, a escolha de fibra ou laser USP é uma questão de preferência de engenharia, bem como o tipo de equipamento e processos suportados.Chris Witham, presidente da Motion Dynamics, explicou: “Com base em um modelo de negócios altamente focado em produtos neurovasculares, podemos oferecer resultados diferenciados em design, execução e serviço.Usamos apenas corte a laser para produzir os componentes que usamos internamente., para fabricar os componentes “difíceis” de alto valor que se tornaram nossa especialidade e reputação;não oferecemos corte a laser como serviço contratado.Descobrimos que a maioria dos cortes a laser que realizamos é melhor feita com lasers USP e, por muitos anos, tenho usado um tubo StarCut com um desses lasers.Devido à grande demanda por nossos produtos, temos dois turnos de 8 horas por dia, às vezes até três turnos, e em 2019 precisamos adquirir outro tubo StarCut para suportar esse crescimento.Mas desta vez, decidimos ir com um dos novos modelos híbridos de lasers de femtosegundo USP e lasers de fibra.Também o emparelhamos com um carregador/descarregador StarFeed para que pudéssemos automatizar totalmente o corte – o operador simplesmente coloca a peça bruta. O tubo é carregado no alimentador e o programa operacional do software para o produto é iniciado.
Figura 3. Este tubo flexível de entrega de aço inoxidável (mostrado ao lado de uma borracha de lápis) foi cortado com um laser de femtosegundo Monaco.
Witham acrescenta que, embora ocasionalmente usem a máquina para corte plano, mais de 95 por cento do tempo é gasto criando ou modificando produtos cilíndricos para seus conjuntos de cateteres dirigíveis, ou seja, hipotubos, bobinas e espirais, incluindo corte de pontas perfiladas e orifícios cortados. Esses componentes são usados ​​em procedimentos como reparo de aneurisma e remoção de trombos.
Figura 4. Motion Dynamics também usa soldagem a laser extensivamente. Acima, a bobina foi soldada ao tubo cortado a laser.
Quais são as opções de laser?Witham explicou que a qualidade de borda excelente e cortes mínimos são críticos para a maioria de seus componentes, então eles inicialmente preferiram lasers USP.Além disso, nenhum dos materiais que a empresa usa pode ser cortado por um desses lasers, incluindo os minúsculos componentes de ouro usados ​​como marcadores radiopacos em alguns de seus produtos.Mas ele acrescentou que novas opções híbridas, incluindo lasers de fibra e USPs, oferecem mais flexibilidade na otimização de problemas de velocidade/qualidade de borda.”Não há dúvida de que a fibra óptica pode fornecer velocidades mais altas,” ele disse. “Mas devido ao nosso foco específico de aplicação, isso geralmente significa algum tipo de pós-processamento, como limpeza química e ultrassônica ou eletropolimento.Portanto, ter uma máquina híbrida nos permite escolher qual processo geral – USP sozinho ou fibra e manuseio de pós-processamento – ideal para cada componente.Isso nos permite explorar a possibilidade de usinagem híbrida do mesmo componente, especialmente onde estão envolvidos diâmetros e espessuras de parede maiores: até mesmo corte rápido com lasers de fibra. Em seguida, use um laser de femtosegundo para corte fino.”Ele espera que o laser da USP continue sendo sua primeira escolha, porque a maioria de seus cortes a laser envolve espessuras de parede entre 4 e 6 mil, embora encontrem espessuras de parede que variam de 1 a 20 mil.Tubos de aço inoxidável entre mil.
Em conclusão, o corte e a perfuração a laser são processos-chave na fabricação de vários dispositivos médicos. Hoje, graças aos avanços na tecnologia de núcleo de laser e máquinas altamente otimizadas configuradas para as necessidades específicas da indústria, esses processos são mais fáceis de usar e oferecem melhores resultados do que nunca.