Trang web này được điều hành bởi một hoặc nhiều doanh nghiệp thuộc sở hữu của Informa PLC và mọi bản quyền đều thuộc về họ. Văn phòng đã đăng ký của Informa PLC là 5 Howick Place, London SW1P 1WG. Đã đăng ký tại Anh và xứ Wales. Số 8860726.
Ngày nay, hầu như mọi hoạt động cắt laser chính xác kim loại và phi kim loại đều được thực hiện bằng các công cụ được trang bị laser sợi quang hoặc laser xung cực ngắn (USP), hoặc đôi khi là cả hai. Trong bài viết này, chúng tôi sẽ giải thích những ưu điểm khác nhau của hai loại laser này và xem cách cả hai nhà sản xuất sử dụng các loại laser này. NPX Medical (Plymouth, MN) là một công ty gia công chuyên dụng theo hợp đồng sản xuất nhiều loại thiết bị và công cụ triển khai, chẳng hạn như stent, cấy ghép và ống mềm, bằng các máy móc kết hợp laser sợi quang. Motion Dynamics sản xuất các cụm lắp ráp phụ, chẳng hạn như cụm lắp ráp "dây kéo" chủ yếu được sử dụng trong thần kinh học, sử dụng một máy bao gồm laser femtosecond USP và một trong những hệ thống lai mới nhất bao gồm laser femtosecond và laser sợi quang để có tính linh hoạt và Đa năng tối đa.
Trong nhiều năm, hầu hết quá trình gia công vi mô bằng laser đều được thực hiện bằng laser nano giây trạng thái rắn gọi là laser DPSS. Tuy nhiên, hiện nay điều này đã hoàn toàn thay đổi nhờ sự phát triển của hai loại laser hoàn toàn khác nhau và do đó bổ sung cho nhau. Ban đầu được phát triển cho viễn thông, laser sợi quang đã phát triển thành laser xử lý vật liệu chủ lực trong nhiều ngành công nghiệp, thường ở bước sóng gần hồng ngoại. Lý do cho sự thành công của nó nằm ở cấu trúc đơn giản và khả năng mở rộng công suất dễ dàng. Điều này dẫn đến các loại laser nhỏ gọn, có độ tin cậy cao và dễ tích hợp vào các máy chuyên dụng và thường có chi phí sở hữu thấp hơn so với các loại laser cũ. Điều quan trọng đối với quá trình gia công vi mô, chùm tia đầu ra có thể được hội tụ vào một điểm nhỏ, sạch có đường kính chỉ vài micron, do đó chúng lý tưởng để cắt, hàn và khoan có độ phân giải cao. Đầu ra của chúng cũng rất linh hoạt và có thể kiểm soát được, với tốc độ xung từ một lần bắn đến 170 kHz. Cùng với công suất có thể mở rộng, điều này hỗ trợ cắt và khoan nhanh.
Tuy nhiên, một nhược điểm tiềm ẩn của laser sợi quang trong gia công vi mô là gia công các chi tiết nhỏ và/hoặc các bộ phận mỏng, tinh xảo. Độ dài xung dài (ví dụ: 50 µs) tạo ra một lượng nhỏ vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) như vật liệu đúc lại và độ nhám cạnh nhỏ, có thể cần một số xử lý hậu kỳ. May mắn thay, các loại laser mới hơn—laser xung cực ngắn (USP) với xung đầu ra femto giây—loại bỏ được vấn đề HAZ.
Với laser USP, hầu hết nhiệt lượng dư thừa liên quan đến quá trình cắt hoặc khoan đều bị mang đi trong các mảnh vỡ bị đẩy ra trước khi chúng có thời gian khuếch tán vào vật liệu xung quanh. Laser USP với đầu ra pico giây từ lâu đã được sử dụng trong các ứng dụng gia công vi mô liên quan đến nhựa, chất bán dẫn, gốm sứ và một số kim loại nhất định (pico giây = 10-12 giây). Nhưng đối với các thiết bị kim loại có trụ có kích thước bằng sợi tóc người, độ dẫn nhiệt cao và kích thước nhỏ của kim loại có nghĩa là laser pico giây không phải lúc nào cũng cung cấp kết quả cải tiến để biện minh cho chi phí tăng của laser USP trước đó. Điều này hiện đã thay đổi với sự ra đời của laser femto giây cấp công nghiệp (femto giây = 10-15 giây). Một ví dụ là dòng laser Monaco của Coherent Inc. Giống như laser sợi quang, đầu ra của chúng là ánh sáng gần hồng ngoại, có nghĩa là chúng có thể cắt hoặc khoan tất cả các kim loại được sử dụng trong các thiết bị y tế, bao gồm thép không gỉ, bạch kim, vàng, magiê, coban-crom, titan, v.v., cũng như phi kim loại. Trong khi sự kết hợp với thời lượng xung ngắn và năng lượng xung thấp giúp ngăn ngừa hư hỏng do nhiệt (HAZ), tốc độ lặp lại cao (MHz) đảm bảo tốc độ thông lượng tiết kiệm chi phí cho nhiều thiết bị y tế có giá trị cao.
Tất nhiên, hầu như không ai trong ngành của chúng tôi chỉ cần một loại laser. Thay vào đó, họ cần một loại máy sử dụng tia laser và hiện nay có nhiều loại máy chuyên dụng được tối ưu hóa để cắt và khoan các thiết bị y tế. Một ví dụ là dòng máy StarCut Tube của Coherent, có thể sử dụng với laser sợi quang, laser femto giây hoặc là phiên bản kết hợp cả hai loại laser.
Chuyên môn hóa thiết bị y tế có nghĩa là gì? Hầu hết các thiết bị này được sản xuất theo lô giới hạn dựa trên thiết kế tùy chỉnh. Do đó, tính linh hoạt và dễ sử dụng là những cân nhắc chính. Trong khi nhiều thiết bị được sản xuất từ ​​phôi, một số thành phần phải được gia công chính xác từ phôi phẳng; cùng một máy phải xử lý cả hai để tối đa hóa giá trị của nó. Những nhu cầu này thường được đáp ứng bằng cách cung cấp chuyển động điều khiển CNC đa trục (xyz và quay) và HMI thân thiện với người dùng để lập trình và điều khiển đơn giản. Trong trường hợp của StarCut Tube, tùy chọn mô-đun tải ống mới đi kèm với một khoang tải bên (gọi là StarFeed) cho các ống dài tới 3 m và một máy phân loại cho các sản phẩm cắt, cho phép sản xuất hoàn toàn tự động.
Tính linh hoạt trong quy trình của những máy này được tăng cường hơn nữa nhờ khả năng hỗ trợ cắt ướt và cắt khô cùng các vòi phun dễ điều chỉnh cho các quy trình cần khí hỗ trợ. Độ phân giải không gian cũng đặc biệt quan trọng khi gia công các chi tiết rất nhỏ, nghĩa là tính ổn định nhiệt cơ học sẽ loại bỏ tác động của rung động thường gặp trong các xưởng gia công. Dòng sản phẩm StarCut Tube đáp ứng nhu cầu này bằng cách chế tạo toàn bộ sàn cắt bằng một số lượng lớn các thành phần đá granit.
NPX Medical là một nhà sản xuất theo hợp đồng khá mới cung cấp các dịch vụ thiết kế, kỹ thuật và cắt laser chính xác cho các nhà sản xuất thiết bị y tế. Được thành lập vào năm 2019, công ty đã xây dựng được danh tiếng trong ngành về các sản phẩm chất lượng và khả năng phản hồi, hỗ trợ nhiều loại thiết bị bao gồm stent, cấy ghép, stent van và ống dẫn thuốc linh hoạt cho các quy trình phẫu thuật đa dạng tương tự Can thiệp, bao gồm phẫu thuật thần kinh mạch máu, tim, thận, cột sống, chỉnh hình, phụ khoa và tiêu hóa. Máy cắt laser chính của công ty là StarCut Tube 2+2 với StarFiber 320FC có công suất trung bình 200 watt. Mike Brenzel, một trong những người sáng lập NPX, giải thích rằng "những người sáng lập có nhiều năm kinh nghiệm thiết kế và sản xuất thiết bị y tế — tổng cộng hơn 90 năm", với kinh nghiệm trước đây với các máy giống như StarCut sử dụng laser sợi quang. Nhiều công việc của chúng tôi liên quan đến việc cắt Nitinol và chúng tôi đã biết rằng laser sợi quang có thể cung cấp tốc độ và chất lượng mà chúng tôi cần. Đối với các thiết bị như ống có thành dày và van tim, chúng tôi cần tốc độ và USP laser có thể quá chậm so với nhu cầu của chúng tôi. Ngoài các đơn đặt hàng sản xuất khối lượng lớn – chúng tôi chuyên về các lô hàng nhỏ các bộ phận – chỉ từ 5 đến 150 chiếc – mục tiêu của chúng tôi là hoàn thành các đợt sản xuất nhỏ này chỉ trong vài ngày, bao gồm thiết kế, lập trình, cắt, tạo hình, hậu xử lý và kiểm tra, so với nhiều tuần sau khi đặt hàng đối với các công ty lớn hơn. Ngoài việc đề cập đến tốc độ, Brenzel còn đề cập đến độ tin cậy của máy là một lợi thế lớn, không yêu cầu một cuộc gọi dịch vụ nào trong 18 tháng hoạt động gần như liên tục vừa qua.
Hình 2. NPX cung cấp nhiều tùy chọn xử lý hậu kỳ. Vật liệu hiển thị ở đây là thép không gỉ T316 có đường kính ngoài 5mm và độ dày thành 0,254mm. Phần bên trái được cắt/phun vi mô và phần bên phải được đánh bóng điện phân.
Ngoài các bộ phận nitinol, công ty còn sử dụng rộng rãi các hợp kim coban-crom, hợp kim tantal, hợp kim titan và nhiều loại thép không gỉ y tế. Jeff Hansen, Giám đốc xử lý laser, giải thích: “Tính linh hoạt của máy là một lợi thế quan trọng khác, cho phép chúng tôi hỗ trợ cắt nhiều loại vật liệu khác nhau, bao gồm ống và phẳng. Chúng tôi có thể tập trung chùm tia xuống điểm 20 micron, hữu ích cho nhiều ống mỏng hơn. Một số ống này chỉ có đường kính trong 0,012 inch và tỷ lệ công suất cực đại trên công suất trung bình cao của laser sợi quang mới nhất giúp tối đa hóa tốc độ cắt của chúng tôi trong khi vẫn cung cấp chất lượng cạnh mong muốn. Chúng tôi hoàn toàn cần tốc độ của các sản phẩm lớn hơn với đường kính ngoài lên tới 1 inch.”
Ngoài khả năng cắt chính xác và phản ứng nhanh, NPX còn cung cấp đầy đủ các công nghệ hậu xử lý cũng như các dịch vụ thiết kế toàn diện tận dụng kinh nghiệm sâu rộng của công ty trong ngành. Các kỹ thuật này bao gồm đánh bóng điện, phun cát, tẩy rửa, hàn laser, định hình nhiệt, tạo hình, thụ động hóa, thử nghiệm nhiệt độ Af và thử nghiệm mỏi, tất cả đều là chìa khóa để chế tạo thiết bị Nitinol. Brenzel cho biết, việc sử dụng hậu xử lý để kiểm soát độ hoàn thiện cạnh "thường phụ thuộc vào việc chúng ta đang nói về ứng dụng chịu mỏi cao hay chịu mỏi thấp. Ví dụ, một bộ phận chịu mỏi cao như van tim có thể uốn cong hàng tỷ lần trong suốt vòng đời của nó khi được xử lý hậu xử lý. Một bước nữa là sử dụng phun cát để tăng bán kính của tất cả các cạnh. Nhưng các thành phần chịu mỏi thấp như hệ thống phân phối hoặc dây dẫn hướng thường không yêu cầu hậu xử lý rộng rãi". Về mặt chuyên môn thiết kế, Brenzel giải thích, hiện nay có tới Ba phần tư khách hàng sử dụng dịch vụ thiết kế của NPX để tận dụng sự trợ giúp và kỹ năng của NPX trong việc xin phê duyệt của FDA. Công ty rất giỏi trong việc biến khái niệm "phác thảo trên khăn ăn" thành sản phẩm hoàn chỉnh chỉ trong thời gian ngắn.
Motion Dynamics (Fruitport, MI) là nhà sản xuất các loại lò xo thu nhỏ tùy chỉnh, cuộn dây y tế và cụm dây có sứ mệnh giải quyết các vấn đề của khách hàng, bất kể phức tạp hay có vẻ bất khả thi đến đâu, trong thời gian ngắn nhất có thể. Trong các thiết bị y tế, công ty chủ yếu nhấn mạnh vào các cụm phức tạp cho phẫu thuật mạch máu thần kinh, bao gồm thiết kế, sản xuất và lắp ráp các cụm dây chất lượng cao cho các ứng dụng như thiết bị ống thông có thể điều khiển, bao gồm cụm "dây kéo".
Như đã đề cập trước đó, việc lựa chọn laser sợi quang hay laser USP phụ thuộc vào sở thích kỹ thuật cũng như loại thiết bị và quy trình được hỗ trợ. Chris Witham, Chủ tịch Motion Dynamics, giải thích: “Dựa trên mô hình kinh doanh tập trung cao độ vào các sản phẩm mạch máu thần kinh, chúng tôi có thể mang lại kết quả khác biệt về thiết kế, thực hiện và dịch vụ. Chúng tôi chỉ sử dụng cắt laser để sản xuất các thành phần mà chúng tôi sử dụng tại chỗ. , để sản xuất các thành phần có giá trị cao, “khó” đã trở thành chuyên môn và danh tiếng của chúng tôi; chúng tôi không cung cấp dịch vụ cắt laser theo hợp đồng. Chúng tôi thấy rằng hầu hết các lần cắt laser mà chúng tôi thực hiện đều được thực hiện tốt nhất bằng laser USP và trong nhiều năm, tôi đã sử dụng Ống StarCut với một trong những loại laser này. Do nhu cầu lớn đối với các sản phẩm của chúng tôi, chúng tôi có hai ca làm việc 8 giờ một ngày, đôi khi thậm chí là ba ca và vào năm 2019, chúng tôi cần mua thêm một Ống StarCut khác để hỗ trợ cho Sự tăng trưởng này. Nhưng lần này, chúng tôi quyết định sử dụng một trong những mô hình lai mới của laser USP femto giây và laser sợi quang. Chúng tôi cũng kết hợp nó với một StarFeed bộ nạp/dỡ để chúng ta có thể tự động hóa hoàn toàn quá trình cắt – người vận hành chỉ cần đặt phôi vào. Ống được nạp vào bộ nạp và chương trình vận hành phần mềm cho sản phẩm được khởi động.
Hình 3. Ống dẫn bằng thép không gỉ linh hoạt này (hiển thị bên cạnh một cục tẩy bút chì) đã được cắt bằng tia laser femtosecond Monaco.
Witham nói thêm rằng mặc dù thỉnh thoảng họ sử dụng máy để cắt phẳng, nhưng hơn 95 phần trăm thời gian của họ được dành cho việc tạo hoặc sửa đổi các sản phẩm hình trụ cho cụm ống thông có thể điều khiển của họ, cụ thể là ống dưới, cuộn dây và xoắn ốc, bao gồm cắt các đầu định hình và cắt lỗ. Các thành phần này cuối cùng được sử dụng trong các quy trình như sửa chữa phình động mạch và loại bỏ huyết khối. Điều này đòi hỏi phải sử dụng máy cắt laser trên nhiều loại kim loại bao gồm thép không gỉ, vàng nguyên chất, bạch kim và nitinol.
Hình 4. Motion Dynamics cũng sử dụng rộng rãi phương pháp hàn laser. Phía trên, cuộn dây đã được hàn vào ống cắt laser.
Các tùy chọn laser là gì? Witham giải thích rằng chất lượng cạnh tuyệt vời và các vết cắt tối thiểu là rất quan trọng đối với hầu hết các thành phần của họ, vì vậy ban đầu họ thích laser USP. Ngoài ra, không có vật liệu nào mà công ty sử dụng có thể được cắt bằng một trong những loại laser này, bao gồm cả các thành phần vàng nhỏ được sử dụng làm điểm đánh dấu cản quang trong một số sản phẩm của họ. Nhưng ông nói thêm rằng các tùy chọn lai mới, bao gồm laser sợi quang và USP, mang lại cho họ sự linh hoạt hơn trong việc tối ưu hóa các vấn đề về tốc độ/chất lượng cạnh. Ông cho biết: "Không còn nghi ngờ gì nữa, sợi quang có thể cung cấp tốc độ cao hơn". "Nhưng do trọng tâm ứng dụng cụ thể của chúng tôi, điều này thường có nghĩa là một số loại xử lý sau, chẳng hạn như làm sạch bằng hóa chất và siêu âm hoặc đánh bóng điện. Vì vậy, việc có một máy lai cho phép chúng tôi lựa chọn quy trình tổng thể nào - chỉ USP hoặc xử lý sợi và hậu xử lý - Tối ưu cho từng thành phần. Nó cho phép chúng tôi khám phá khả năng gia công lai của cùng một thành phần, đặc biệt là khi liên quan đến đường kính và độ dày thành lớn hơn: thậm chí cắt nhanh bằng laser sợi quang, sau đó sử dụng laser femto giây để cắt chính xác". Ông hy vọng rằng tia laser USP sẽ vẫn là lựa chọn đầu tiên của họ vì hầu hết các vết cắt bằng tia laser của họ liên quan đến độ dày thành ống từ 4 đến 6 thousand, mặc dù họ gặp phải độ dày thành ống từ 1-20 thousand. Ống thép không gỉ giữa thou.
Tóm lại, cắt và khoan bằng laser là những quy trình quan trọng trong sản xuất nhiều thiết bị y tế khác nhau. Ngày nay, nhờ những tiến bộ trong công nghệ laser cốt lõi và các máy móc được tối ưu hóa cao, được cấu hình theo nhu cầu cụ thể của ngành, những quy trình này dễ sử dụng hơn và mang lại kết quả tốt hơn bao giờ hết.