Данный веб-сайт управляется одной или несколькими компаниями, принадлежащими Informa PLC, и все авторские права принадлежат им. Зарегистрированный офис Informa PLC: 5 Howick Place, London SW1P 1WG. Зарегистрирован в Англии и Уэльсе. Номер 8860726.
Сегодня почти вся прецизионная лазерная резка металлов и неметаллов выполняется с использованием инструментов, оснащенных волоконными лазерами или лазерами сверхкоротких импульсов (USP), а иногда и теми и другими. В этой статье мы объясним различные преимущества двух лазеров и рассмотрим, как оба производителя используют эти лазеры. NPX Medical (Плимут, Миннесота) — это контрактная специализированная обрабатывающая компания, которая производит различные устройства и инструменты для развертывания, такие как стенты, имплантаты и гибкие трубки, с использованием машин, включающих волоконные лазеры. Motion Dynamics производит подузлы, такие как узлы «натяжной проволоки», в основном используемые в неврологии, с использованием машины, включающей фемтосекундный лазер USP и одну из новейших гибридных систем, включающую фемтосекундные и волоконные лазеры для максимальной гибкости и универсальности.
В течение многих лет большая часть лазерной микрообработки выполнялась с использованием твердотельных наносекундных лазеров, называемых DPSS-лазерами. Однако теперь все полностью изменилось благодаря разработке двух совершенно разных и, следовательно, взаимодополняющих типов лазеров. Первоначально разработанные для телекоммуникаций, волоконные лазеры превратились в рабочие лошадки для обработки материалов во многих отраслях промышленности, часто на длинах волн около инфракрасного диапазона. Причины их успеха кроются в их простой архитектуре и простой масштабируемости мощности. Это приводит к тому, что лазеры компактны, высоконадежны и легко интегрируются в специализированные машины, и, как правило, предлагают более низкую стоимость владения, чем старые типы лазеров. Что важно для микрообработки, выходной луч может быть сфокусирован в небольшое чистое пятно диаметром всего несколько микрометров, поэтому они идеально подходят для резки, сварки и сверления с высоким разрешением. Их выходы также очень гибкие и контролируемые, с частотой импульсов от одиночного импульса до 170 кГц. Наряду с масштабируемой мощностью это поддерживает быструю резку и сверление.
Однако потенциальным недостатком волоконных лазеров при микрообработке является обработка мелких деталей и/или тонких, деликатных деталей. Длительные (например, 50 мкс) импульсы приводят к образованию небольшого количества зон термического влияния (ЗТВ), таких как переплавленный материал и небольшая шероховатость кромок, что может потребовать некоторой постобработки. К счастью, новые лазеры — сверхкороткоимпульсные (УКИ) лазеры с фемтосекундными выходными импульсами — устраняют проблему ЗТВ.
При использовании лазеров USP большая часть дополнительного тепла, связанного с процессом резки или сверления, уносится выбрасываемым мусором до того, как он успеет рассеяться в окружающем материале. Лазеры USP с пикосекундным выходом уже давно используются в микрообработке, включающей пластик, полупроводники, керамику и некоторые металлы (пикосекунды = 10-12 секунд). Но для металлических устройств со столбами размером с человеческий волос высокая теплопроводность металла и крошечный размер означают, что пикосекундные лазеры не всегда обеспечивают улучшенные результаты, которые оправдывали бы возросшую стоимость более ранних лазеров USP. Теперь ситуация изменилась с появлением фемтосекундных лазеров промышленного класса (фемтосекунды = 10-15 секунд). Примером может служить серия лазеров Monaco компании Coherent Inc. Как и у волоконных лазеров, их выход представляет собой ближний инфракрасный свет, что означает, что они могут резать или сверлить все металлы, используемые в медицинских устройствах, включая нержавеющую сталь, платину, золото, магний, кобальт-хром, титан и многое другое, а также неметаллы. В то время как сочетание короткой длительности импульса и низкой энергии импульса предотвращает термическое повреждение (HAZ), высокая (МГц) частота повторения обеспечивает экономически эффективную скорость пропускной способности для многих дорогостоящих медицинских устройств.
Конечно, почти никому в нашей отрасли не нужен только один лазер. Вместо этого им нужен лазерный станок, и сейчас существует множество специализированных станков, оптимизированных для резки и сверления медицинских приборов. Примером может служить серия StarCut Tube компании Coherent, которую можно использовать с волоконными лазерами, фемтосекундными лазерами или в качестве гибридной версии, включающей оба типа лазеров.
Что означает специализация на медицинских устройствах? Большинство этих устройств производятся ограниченными партиями на основе индивидуальных проектов. Поэтому ключевыми факторами являются гибкость и простота использования. Хотя многие устройства изготавливаются из заготовок, некоторые компоненты должны быть подвергнуты точной обработке из плоских заготовок; один и тот же станок должен обрабатывать и то, и другое, чтобы максимизировать его ценность. Эти потребности обычно удовлетворяются за счет обеспечения многокоординатного движения с ЧПУ (xyz и вращательного движения) и удобного для пользователя HMI для простого программирования и управления. В случае StarCut Tube новый модуль загрузки труб поставляется с магазином боковой загрузки (называемым StarFeed) для труб длиной до 3 м и сортировщиком для отрезанных изделий, что позволяет полностью автоматизировать производство.
Гибкость процесса этих станков дополнительно повышается за счет поддержки влажной и сухой резки и легко регулируемых сопел подачи для процессов, требующих вспомогательного газа. Пространственное разрешение также особенно важно для обработки очень мелких деталей, что означает, что термомеханическая стабильность устраняет эффекты вибрации, часто встречающиеся в механических цехах. Линейка StarCut Tube удовлетворяет эту потребность, создавая всю режущую деку с большим количеством гранитных элементов.
NPX Medical — довольно новый контрактный производитель, предоставляющий услуги по проектированию, инжинирингу и точной лазерной резке производителям медицинских устройств. Основанная в 2019 году, компания заслужила репутацию в отрасли за качественную продукцию и оперативность, поддерживая широкий спектр устройств, включая стенты, имплантаты, клапанные стенты и гибкие трубки доставки для столь же разнообразных хирургических процедур, включая нейроваскулярные, сердечные, почечные, спинальные, ортопедические, гинекологические и желудочно-кишечные операции. Ее основным лазерным резаком является StarCut Tube 2+2Â со StarFiber 320FC средней мощностью 200 Вт. Майк Брензель, один из основателей NPX, объяснил, что «основатели привносят многолетний опыт проектирования и производства медицинских устройств — в общей сложности более 90 лет», с предыдущим опытом работы с машинами типа StarCut с использованием волоконных лазеров. Большая часть нашей работы связана с резкой нитинола, и мы уже знаем, что волоконные лазеры могут обеспечить необходимую нам скорость и качество. Для таких устройств, как толстостенные трубки и сердечные клапаны, нам нужна скорость, а лазер USP может быть слишком медленным для наших нужд. В дополнение к крупносерийным производственным заказам — мы специализируемся на небольших партиях деталей — всего от 5 до 150 штук — наша цель состоит в том, чтобы завершать эти небольшие партии всего за несколько дней, включая проектирование, программирование, резку, формовку, постобработку и проверку, по сравнению с неделями после размещения заказа для крупных компаний». Помимо упоминания скорости, Бренцель упомянул надежность машины как главное преимущество, не потребовавшее ни одного вызова службы техобслуживания за последние 18 месяцев практически непрерывной работы.
Рисунок 2. NPX предлагает различные варианты постобработки. Показанный здесь материал — нержавеющая сталь T316 с внешним диаметром 5 мм и толщиной стенки 0,254 мм. Левая часть вырезана/обработана микроструйным методом, а правая часть подвергнута электрополировке.
Помимо деталей из нитинола, компания также широко использует кобальт-хромовые сплавы, танталовые сплавы, титановые сплавы и многие виды медицинской нержавеющей стали. Джефф Хансен, менеджер по лазерной обработке, объясняет: «Гибкость машины — еще один важный актив, позволяющий нам поддерживать резку самых разных материалов, включая трубки и плоские листы. Мы можем сфокусировать луч до пятна размером 20 микрон, что полезно для более тонких трубок. Некоторые из этих трубок имеют внутренний диаметр всего 0,012 дюйма, а высокое отношение пиковой мощности к средней мощности новейших волоконных лазеров максимизирует нашу скорость резки, обеспечивая при этом желаемое качество кромки. Нам абсолютно необходима скорость более крупных изделий с наружным диаметром до 1 дюйма».
Помимо точной резки и быстрого реагирования, NPX также предлагает полный спектр технологий постобработки, а также комплексные услуги по проектированию, которые используют ее обширный опыт в отрасли. Эти методы включают электрополировку, пескоструйную обработку, травление, лазерную сварку, термофиксацию, формовку, пассивацию, испытание на температуру Af и испытание на усталость, все из которых являются ключевыми для изготовления устройств из нитинола. Использование постобработки для контроля отделки кромок, сказал Брензель, «обычно зависит от того, говорим ли мы о высокоусталостном или низкоусталостном применении. Например, высокоусталостная деталь, такая как сердечный клапан, может изгибаться миллиард раз за свой срок службы в качестве постобработки. В качестве шага важно использовать пескоструйную обработку для увеличения радиуса всех кромок. Но низкоусталостные компоненты, такие как системы доставки или проводники, часто не требуют обширной постобработки». Что касается экспертных знаний в области дизайна, поясняет Брензель, в настоящее время около трех четвертей клиентов также пользуются услугами дизайнеров, чтобы воспользоваться помощью и навыками NPX в получении одобрения FDA. Компания прекрасно справляется с превращением концепции «наброска на салфетке» в продукт в его окончательном виде за короткий промежуток времени.
Компания Motion Dynamics (Фрутпорт, Мичиган) — производитель миниатюрных пружин, медицинских спиралей и проволочных сборок, чья миссия заключается в решении проблем клиентов, какими бы сложными или кажущимися невыполнимыми они ни были, в кратчайшие сроки. В сфере медицинских приборов компания в первую очередь специализируется на сложных сборках для нейрососудистой хирургии, включая проектирование, производство и сборку высококачественных проволочных сборок для таких применений, как управляемые катетерные устройства, включая сборки «проволочных вытяжек».
Как упоминалось ранее, выбор волоконного или USP-лазера зависит от инженерных предпочтений, а также от типа оборудования и поддерживаемых процессов. Крис Уитхэм, президент Motion Dynamics, пояснил: «Основываясь на бизнес-модели, которая в значительной степени ориентирована на нейроваскулярные продукты, мы можем обеспечить дифференцированные результаты в проектировании, исполнении и обслуживании. Мы используем лазерную резку только для производства компонентов, которые используем внутри компании. , для производства дорогостоящих, «сложных» компонентов, которые стали нашей специализацией и репутацией; мы не предлагаем лазерную резку в качестве контрактной услуги. Мы обнаружили, что большинство лазерных резок, которые мы выполняем, лучше всего выполнять с помощью лазеров USP, и в течение многих лет я использую трубку StarCut с одним из этих лазеров. Из-за высокого спроса на нашу продукцию у нас есть две 8-часовые смены в день, иногда даже три смены, и в 2019 году нам нужно приобрести еще одну трубку StarCut для поддержки этого роста. Но на этот раз мы решили использовать одну из новых гибридных моделей фемтосекундных USP-лазеров и волоконных лазеров. Мы также объединили ее с загрузчиком/разгрузчиком StarFeed, чтобы мы могли полностью автоматизировать резку — оператор просто кладет заготовку, трубу загружает в устройство подачи и запускается программа управления продуктом.
Рисунок 3. Эта гибкая трубка доставки из нержавеющей стали (показана рядом с ластиком для карандаша) была разрезана с помощью фемтосекундного лазера Monaco.
Уитхэм добавляет, что, хотя они иногда используют машину для плоской резки, более 95 процентов своего времени они тратят на создание или модификацию цилиндрических изделий для своих управляемых катетерных сборок, а именно гипотрубок, катушек и спиралей, включая резку профильных наконечников и вырезание отверстий. Эти компоненты в конечном итоге используются в таких процедурах, как восстановление аневризмы и удаление тромба. Для этого требуется использование лазерных резаков для различных металлов, включая нержавеющую сталь, чистое золото, платину и нитинол.
Рисунок 4. Компания Motion Dynamics также широко использует лазерную сварку. На снимке выше катушка приварена к трубке, разрезанной лазером.
Какие есть варианты лазеров? Уитхэм объяснил, что превосходное качество кромки и минимальные пропилы имеют решающее значение для большинства их компонентов, поэтому они изначально предпочли лазеры USP. Кроме того, ни один из материалов, которые использует компания, не может быть разрезан одним из этих лазеров, включая крошечные золотые компоненты, используемые в качестве рентгеноконтрастных маркеров в некоторых ее продуктах. Но он добавил, что новые гибридные варианты, включая волоконные лазеры и USP, дают им больше гибкости в оптимизации вопросов скорости/качества кромки. «Нет сомнений, что волоконная оптика может обеспечить более высокие скорости», — сказал он. «Но из-за нашей особой направленности на применение это обычно означает какой-то тип постобработки, такой как химическая и ультразвуковая очистка или электрополировка. Поэтому наличие гибридного станка позволяет нам выбирать, какой общий процесс — только USP или волоконная и постобработка Handling — оптимален для каждого компонента. Это позволяет нам изучить возможность гибридной обработки одного и того же компонента, особенно там, где задействованы большие диаметры и толщина стенок: даже быстрая резка волоконными лазерами, а затем использование фемтосекундного лазера для точной резки». Он ожидает, что лазер USP останется их выбором номер один, поскольку большинство лазерных резок выполняется с толщиной стенки от 4 до 6 тыс., хотя они сталкиваются с толщиной стенки от 1 до 20 тыс. Трубы из нержавеющей стали толщиной от 1 до 20 тыс.
В заключение следует отметить, что лазерная резка и сверление являются ключевыми процессами в производстве различных медицинских приборов. Сегодня, благодаря достижениям в области базовой лазерной технологии и высокооптимизированным машинам, настроенным под конкретные потребности отрасли, эти процессы стали проще в использовании и обеспечивают лучшие результаты, чем когда-либо прежде.