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Hoje, quase todo o corte de precisão a laser 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 ambos os fabricantes os utilizam. A NPX Medical (Plymouth, MN) é uma empresa contratada de processamento especializado que fabrica uma variedade de dispositivos e ferramentas de implantação, como stents, implantes e tubos flexíveis, usando máquinas que incorporam lasers de fibra. A Motion Dynamics fabrica subconjuntos, como conjuntos de "fio de tração" usados ​​principalmente em neurologia, utilizando uma máquina que inclui um laser de femtosegundo USP e um dos mais recentes sistemas híbridos, incluindo lasers de femtosegundo e fibra para máxima flexibilidade e versatilidade.
Por muitos anos, a maior parte da microusinagem a laser foi realizada usando lasers de nanossegundos de estado sólido chamados lasers DPSS. No entanto, isso mudou completamente graças ao desenvolvimento de dois tipos de laser completamente diferentes e, portanto, complementares. Originalmente desenvolvidos para telecomunicações, os lasers de fibra amadureceram e se tornaram lasers de processamento de materiais de trabalho em muitas indústrias, geralmente em comprimentos de onda próximos ao infravermelho. As razões para seu sucesso residem em sua arquitetura simples e escalabilidade de energia direta. Isso resulta em lasers compactos, altamente confiáveis ​​e fáceis de integrar em máquinas especializadas e geralmente oferecem um custo de propriedade menor do que os tipos de laser mais antigos. Importante para a microusinagem, o feixe de saída pode ser focado em um ponto pequeno e limpo de apenas alguns mícrons de diâmetro, sendo 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.
Entretanto, uma desvantagem potencial dos lasers de fibra na microusinagem é a usinagem de pequenas características e/ou peças finas e delicadas. Durações de pulso longas (por exemplo, 50 µs) resultam em uma pequena quantidade de zona afetada pelo calor (ZAT), como material remodelado e pequena rugosidade na borda, o que pode exigir algum pós-processamento. Felizmente, os lasers mais novos — lasers de pulso ultracurto (USP) com pulsos de saída de femtossegundos — eliminam o problema da ZAT.
Com os lasers USP, a maior parte do calor extra associado ao processo de corte ou perfuração é levado pelos detritos ejetados antes que tenha 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 = 10-12 segundos). Mas para dispositivos de metal com pilares do tamanho de um fio de cabelo humano, a alta condutividade térmica e o tamanho minúsculo do metal significam que os lasers de picossegundos nem sempre fornecem os resultados aprimorados que justificariam o aumento do custo dos lasers USP anteriores. Isso mudou agora com o advento dos lasers de femtossegundo de nível industrial (femtossegundo = 10-15 segundos). Um exemplo é a série de lasers Monaco da Coherent Inc. Assim como os lasers de fibra, sua saída é luz infravermelha próxima, o que significa que eles podem cortar ou perfurar todos os metais usados ​​em dispositivos médicos, incluindo aço inoxidável, platina, ouro, magnésio, cobalto-cromo, titânio e muito mais, bem como não metais. Embora a combinação de curta duração de pulso e baixa energia de pulso evite danos térmicos (ZAT), a alta taxa de repetição (MHz) garante velocidades de transferência 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 há muitas máquinas especializadas otimizadas para cortar e perfurar dispositivos médicos. Um exemplo é a série StarCut Tube da Coherent, que pode ser usada com lasers de fibra, lasers de femtossegundo ou como uma versão híbrida incorporando ambos os tipos de laser.
O que significa especialização em 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 fornecendo movimento controlado por CNC multieixo (xyz e rotativo) e uma IHM fácil de usar para programação e controle simples. No caso do StarCut Tube, uma nova opção de módulo de carregamento de tubos vem com um carregador lateral (chamado StarFeed) para tubos de até 3 m de comprimento e um classificador para produtos cortados, permitindo uma produção totalmente automatizada.
A flexibilidade do processo dessas máquinas é ainda mais aprimorada pelo suporte para corte úmido e seco e bicos de entrega facilmente ajustáveis ​​para processos que exigem gás auxiliar. A resolução espacial também é particularmente importante para 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 todo o deck de corte com um grande número de elementos de granito.
A NPX Medical é uma fabricante terceirizada 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 na indústria por produtos de qualidade e capacidade de resposta, oferecendo suporte a uma ampla gama de dispositivos, incluindo stents, implantes, stents valvulados e tubos de entrega flexíveis para procedimentos cirúrgicos igualmente diversos. Intervenções, incluindo cirurgia neurovascular, cardíaca, renal, de coluna, ortopédica, ginecológica e gastrointestinal. Seu principal cortador a laser é o StarCut Tube 2+2 com um StarFiber 320FC com 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 semelhantes a StarCut usando lasers de fibra. Grande parte 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 coração válvulas, precisamos de velocidade, e o laser USP pode ser muito lento para nossas necessidades. Além de pedidos de produção de alto volume - nos especializamos em pequenos lotes de peças - apenas entre 5 e 150 peças - nossa meta é concluir esses pequenos lotes em apenas alguns dias, incluindo design, programação, corte, conformação, pós-processamento e inspeção, em comparação com as semanas após o pedido ser feito 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 nos últimos 18 meses de operação quase contínua.
Figura 2. O NPX oferece uma variedade de opções de pós-processamento. O material mostrado aqui é aço inoxidável T316 com 5 mm de diâmetro externo e 0,254 mm de espessura de parede. A parte esquerda é cortada/microjateada e a parte direita é eletropolida.
Além das peças de nitinol, a empresa também utiliza extensivamente ligas de cobalto-cromo, ligas de tântalo, ligas de titânio e diversos tipos de aços inoxidáveis ​​médicos. Jeff Hansen, Gerente de Processamento a Laser, explica: “A flexibilidade da máquina é outro recurso importante, permitindo-nos suportar o 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. Alguns desses tubos têm apenas 0,012" de diâmetro interno, e a alta relação entre potência de pico e potência média dos lasers de fibra mais recentes maximiza nossa velocidade de corte, ao mesmo tempo em que fornece a qualidade de borda desejada. Precisamos absolutamente da velocidade de produtos maiores com um diâmetro externo de até 1 polegada.”
Além do corte de precisão e da 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 no setor. Essas técnicas incluem eletropolimento, jateamento de areia, decapagem, soldagem a laser, configuração de calor, conformação, passivação, testes de temperatura Af e testes de fadiga, todos essenciais para a fabricação de dispositivos Nitinol. Usar o pós-processamento para controlar o acabamento da borda, disse Brenzel, "geralmente depende se estamos falando de uma aplicação de alta ou baixa fadiga. Por exemplo, uma peça de alta fadiga, 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 o jateamento de areia para aumentar o raio de todas as bordas. Mas componentes de baixa fadiga, como sistemas de entrega ou fios-guia, geralmente não exigem pós-processamento extensivo." Em termos de experiência em design, Brenzel explica que agora há cerca de três quartos dos clientes que também usam seus serviços de design para aproveitar a ajuda e as habilidades da NPX na obtenção da aprovação do FDA. A empresa é muito boa em transformar o conceito de "esboço de guardanapo" em um produto em sua forma final em um curto período de tempo.
A Motion Dynamics (Fruitport, MI) é uma fabricante de molas miniatura personalizadas, bobinas médicas e conjuntos de fios cuja missão é resolver os problemas dos clientes, não importa quão complexos ou aparentemente impossíveis, no menor tempo possível. Em dispositivos médicos, ela enfatiza principalmente conjuntos complexos para cirurgia neurovascular, incluindo o design, a produção e a montagem de conjuntos de fios de alta qualidade para aplicações como dispositivos de cateter direcionáveis, incluindo conjuntos de "fio de tração".
Como mencionado anteriormente, a escolha do laser de fibra ou USP é uma questão de preferência de engenharia, bem como do 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 entregar resultados diferenciados em design, execução e serviço. Usamos o corte a laser apenas para produzir os componentes que usamos internamente, para fabricar os componentes de alto valor e “difíceis” que se tornaram nossa especialidade e reputação; não oferecemos corte a laser como um serviço contratado. Descobrimos que a maioria dos cortes a laser que realizamos são melhor realizados com lasers USP, e por muitos anos tenho usado um tubo StarCut com um desses lasers. Devido à forte 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 usar um dos novos modelos híbridos de lasers USP de femtossegundo e lasers de fibra. Também o combinamos com um Carregador/descarregador StarFeed para que pudéssemos automatizar completamente o corte – o operador simplesmente coloca o tubo em branco. O tubo é carregado no alimentador e o programa operacional do software para o produto é iniciado.
Figura 3. Este tubo de distribuição flexível de aço inoxidável (mostrado ao lado de uma borracha de lápis) foi cortado com um laser de femtossegundo de Mônaco.
Witham acrescenta que, embora eles ocasionalmente usem a máquina para corte plano, mais de 95% do seu tempo é gasto criando ou modificando produtos cilíndricos para seus conjuntos de cateteres direcionáveis, ou seja, hipotubos, bobinas e espirais, incluindo o corte de pontas perfiladas e furos cortados. Esses componentes são usados ​​em procedimentos como reparo de aneurisma e remoção de trombo. Isso requer o uso de cortadores a laser em uma variedade de metais, incluindo aço inoxidável, ouro puro, platina e nitinol.
Figura 4. A Motion Dynamics também utiliza extensivamente soldagem a laser. Acima, a bobina foi soldada ao tubo cortado a laser.
Quais são as opções de laser? Witham explicou que a excelente qualidade da aresta e o mínimo de cortes são essenciais para a maioria de seus componentes, por isso, inicialmente, eles preferiram os lasers USP. Além disso, nenhum dos materiais que a empresa utiliza 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 as novas opções híbridas, incluindo lasers de fibra e USPs, oferecem mais flexibilidade na otimização de questões de velocidade/qualidade da aresta. "Não há dúvida de que a fibra óptica pode fornecer velocidades mais altas", disse ele. "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 pós-processamento – Manuseio – Ideal para cada componente. Isso nos permite explorar a possibilidade de usinagem híbrida do mesmo componente, especialmente onde diâmetros e espessuras de parede maiores estão envolvidos: até mesmo corte rápido com lasers de fibra. Em seguida, use um laser de femtossegundo para corte fino." Ele espera que o laser USP continue sendo sua primeira escolha, pois a maioria de seus cortes a laser envolve espessuras de parede entre 4 e 6 mil, embora encontrem espessuras de parede variando de 1 a 20 mil. Tubos de aço inoxidável entre mil.
Concluindo, o corte e a perfuração a laser são processos essenciais na fabricação de vários dispositivos médicos. Hoje, graças aos avanços na tecnologia de laser de núcleo e às máquinas altamente otimizadas configuradas para as necessidades específicas da indústria, esses processos são mais fáceis de usar e oferecem melhores resultados do que nunca.