Soluciones láser para dispositivos de corte de tubos y material plano

Roland Wölzlein | 17 de agosto de 2020

Hoy en día, casi todo el corte láser de precisión de metales y no metales se realiza con herramientas equipadas con láseres de fibra o láseres de pulso ultracorto (USP), o a veces ambos. En este artículo, explicamos las diferentes ventajas de ambos tipos de láser y observamos cómo dos fabricantes utilizan estos láseres. NPX Medical (Plymouth, MN) es una empresa de mecanizado especializado por contrato para una diversa variedad de dispositivos y herramientas de implementación, como stents, implantes y tubos flexibles, que utiliza una máquina que incorpora un láser de fibra. Motion Dynamics fabrica subensamblajes tales como ensamblajes de "cable de tracción" principalmente para uso en neurología, utilizando una máquina que incorpora un láser de femtosegundo USP, así como uno de los últimos sistemas híbridos que incluye un láser de femtosegundo y un láser de fibra, para una máxima flexibilidad y versatilidad.

Durante muchos años, la mayor parte del micromaquinado láser se realizó utilizando láseres de nanosegundos de estado sólido llamados láseres DPSS. Pero esta situación ahora ha cambiado por completo debido al desarrollo de dos tipos de láser bastante diferentes y, por lo tanto, complementarios. El láser de fibra que se desarrolló originalmente para telecomunicaciones ha madurado para convertirse en un láser de procesamiento de materiales de trabajo en muchas industrias, generalmente en longitudes de onda del infrarrojo cercano. La razón de su éxito es su arquitectura simple y escalabilidad de energía directa. Esto da como resultado láseres que son compactos, altamente confiables y fáciles de integrar en máquinas especializadas y, por lo general, ofrecen un costo de propiedad más bajo que los tipos de láser más antiguos. Y lo que es más importante para el micromecanizado, el haz de salida se puede enfocar en un punto pequeño y limpio de solo unas pocas micras de diámetro, por lo que son muy adecuados para el corte, la soldadura y la perforación de alta resolución. Su salida también es muy flexible y controlable, con frecuencias pulsantes desde un solo disparo hasta 170 kHz. Junto con la potencia escalable, esto admite cortes y perforaciones rápidos.

Sin embargo, el único inconveniente potencial de los láseres de fibra en el micromecanizado es el procesamiento de características pequeñas y/o piezas delgadas y delicadas. La duración del pulso larga (p. ej., 50 µs) puede causar una pequeña cantidad de zona afectada por el calor (HAZ), como material refundido y asperezas menores en los bordes, lo que puede requerir algún procesamiento posterior. Afortunadamente, el nuevo tipo de láser, el láser de pulso ultracorto (USP) con pulsos de salida de femtosegundos, elimina el problema de la HAZ.

Con los láseres USP, la mayor parte del calor adicional asociado con el proceso de corte o perforación se elimina en los desechos expulsados, antes de que tenga tiempo de esparcirse por el material circundante. Los láseres USP con salida de picosegundos se han utilizado durante mucho tiempo en aplicaciones de micromaquinado que involucran plásticos, semiconductores, cerámicas y algunos metales (un picosegundo = 10-12 segundos). Pero para los dispositivos metálicos con puntales tan pequeños como un cabello humano, la alta conductividad térmica del metal y las diminutas dimensiones significan que los láseres de picosegundos no siempre entregaron los resultados mejorados que justificarían el aumento del costo de los primeros láseres USP. Esta situación ahora ha cambiado con la llegada de los láseres de femtosegundo de grado industrial (un femtosegundo = 10-15 segundos). Un ejemplo es la serie de láseres Monaco de Coherent Inc. Al igual que los láseres de fibra, su salida está en el infrarrojo cercano, lo que significa que pueden cortar o perforar todos los metales utilizados en dispositivos médicos, incluidos acero inoxidable, platino, oro, magnesio, cromo cobalto, titanio, etc., así como no metales. Y mientras que la combinación de duración de pulso corta y energía de pulso baja previene el daño térmico (HAZ), la alta tasa de repetición (MHz) asegura velocidades de rendimiento rentables para muchos dispositivos médicos de alto valor.

Por supuesto, prácticamente nadie en nuestra industria necesita solo un láser; más bien, necesitan una máquina basada en láser, y ahora hay una serie de máquinas especializadas optimizadas para el corte y perforación de dispositivos médicos. Un ejemplo es la serie StarCut Tube de Coherent, que está disponible con un láser de fibra, un láser de femtosegundo o como una versión híbrida que incluye ambos tipos de láser.

¿Qué entendemos por especializado en dispositivos médicos? La mayoría de estos dispositivos se crean en lotes limitados, a menudo basados ​​en diseños personalizados. Por lo tanto, la flexibilidad y la facilidad de uso son consideraciones críticas. Y si bien muchos dispositivos se crean a partir de tubos en bruto, algunos componentes deben mecanizarse con precisión a partir de material plano; la misma máquina debe manejar ambos para maximizar su valor. Estas necesidades generalmente se satisfacen al proporcionar múltiples ejes de movimiento controlado por CNC (xyz y giratorio) junto con una HMI fácil de usar para una programación y un control simples. En el caso de StarCut Tube, una nueva opción de módulo de carga de tubos con un cargador de carga lateral (llamado StarFeed) para tubos de hasta 3 m de longitud y un clasificador para los productos cortados permiten una producción automática totalmente automática.

La flexibilidad del proceso se mejora aún más en estas máquinas al admitir corte húmedo y seco, así como una boquilla de suministro fácilmente ajustable para procesos que necesitan un gas auxiliar. La resolución espacial también es particularmente importante para el mecanizado de piezas muy pequeñas, lo que significa estabilidad termomecánica para eliminar los efectos de las vibraciones que se encuentran a menudo en los talleres mecánicos. Esta necesidad se satisface en la serie StarCut Tube al construir toda la plataforma de corte con elementos de granito macizo.

NPX Medical es un fabricante por contrato bastante nuevo que brinda servicios de diseño, ingeniería y corte por láser de precisión a los fabricantes de dispositivos médicos. Fundada en 2019, la compañía ha establecido rápidamente una reputación en la industria por productos de calidad y respuesta rápida que admiten una amplia gama de dispositivos, incluidos stents, implantes, andamios de válvulas y tubos de administración flexibles para una gama igualmente diversa de intervenciones quirúrgicas que incluyen neurovascular, procedimientos cardíacos, renales, espinales, ortopédicos, ginecológicos y gastrointestinales. Su principal máquina de corte por láser es la StarCut Tube 2+2 equipada con una StarFiber 320FC de 200 vatios de potencia media. Mike Brenzel, uno de los fundadores de NPX, explicó que "los fundadores aportaron años de experiencia en el diseño y la fabricación de dispositivos médicos, más de 90 años en total, con experiencia previa con máquinas StarCut similares que utilizan láseres de fibra. Gran parte de nuestro trabajo implica el corte con nitinol. ", y ya sabíamos que un láser de fibra brindaría la velocidad y la calidad que necesitábamos. Necesitamos velocidad para tubos y dispositivos de paredes gruesas, como válvulas cardíacas, donde un láser USP podría ser demasiado lento para nuestras necesidades. Además de grandes pedidos de producción —nos especializamos en la producción de piezas en pequeñas cantidades—entre solo 5 y 150 unidades—y nuestro objetivo es hacer un cambio completo en estos lotes pequeños en solo unos días, incluido el diseño, la programación, el corte, la formación, el posprocesamiento y la inspección, en en contraste con las empresas más grandes que pueden requerir varias semanas después de realizar el pedido". Además de mencionar la velocidad, Brenzel también citó la confiabilidad de la máquina como una ventaja importante, ya que no se requirió ni una sola llamada de servicio en los últimos 18 meses de operación casi continua.

Figura 2. NPX ofrece una variedad de opciones de posprocesamiento. El material que se muestra aquí es acero inoxidable T316 con un diámetro exterior de 5 mm y un espesor de pared de 0,254 mm. La parte del lado izquierdo está tal como se cortó/microgranalló, y la parte del lado derecho está electropulida.

Además de las piezas de nitinol, la empresa también trabaja mucho con cromo cobalto, tantalio, titanio y varios tipos de aceros inoxidables médicos. Jeff Hansen, gerente de procesamiento láser, explicó que "la flexibilidad de la máquina es otro activo importante [que] nos permite admitir una gama realmente diversa de corte de materiales, incluidos tubos y material plano. Podemos enfocar el haz hasta un punto de 20 micras, que es excelente para tubos más delgados. Algunos de estos tubos tienen un diámetro interno de solo 0,012" y la alta relación entre la potencia máxima y la potencia promedio de los láseres de fibra más recientes maximiza nuestras velocidades de corte sin dejar de brindar la calidad de borde requerida. Y definitivamente necesitamos la velocidad para productos más grandes [que] pueden tener diámetros exteriores de hasta 1 pulgada".

Además de un corte de precisión y una respuesta rápida, NPX también ofrece una gama completa de técnicas de posprocesamiento, además de servicios de diseño integrales que se basan en su considerable experiencia en la industria. Estas técnicas incluyen el electropulido, el granallado, el decapado, la soldadura por láser, el termofijado, el conformado, el pasivado, las pruebas de temperatura Af y las pruebas de fatiga, todas las cuales son clave para la fabricación de dispositivos de nitinol. Brenzel dijo que el uso del posprocesamiento para manipular el acabado de los bordes "a menudo depende de si estamos hablando de aplicaciones de alta o baja fatiga. Por ejemplo, se puede esperar que una pieza de alta fatiga como una válvula cardíaca se flexione mil millones de veces durante su vida útil, y es muy importante usar granallado para aumentar el radio en todos los bordes como un paso en el procesamiento posterior.Pero una pieza de baja fatiga como un sistema de entrega o un cable guía generalmente no requiere un procesamiento posterior extenso. ." En términos de experiencia en diseño, Brenzel explicó que hasta las tres cuartas partes de sus clientes ahora usan sus servicios de diseño además de aprovechar la ayuda y la habilidad de NPX para obtener la aprobación de la FDA. La empresa es bastante experta en convertir conceptos de "bocetos de servilletas" en productos de forma final en poco tiempo.

Motion Dynamics (Fruitport, MI) es un fabricante que se especializa en micro resortes personalizados, bobinas médicas y componentes de alambre con la misión de resolver los problemas de sus clientes en el menor tiempo posible, sin importar cuán complejos o aparentemente imposibles. En dispositivos médicos, ofrece un mayor énfasis en ensamblajes complejos para procedimientos neurovasculares, que abarcan el diseño, la producción y el ensamblaje de componentes de alambre de alta calidad para aplicaciones tales como dispositivos de catéter dirigibles, incluidos los ensamblajes de "cable de tracción".

Como ya se señaló, la elección de fibra o láser USP es una cuestión de preferencia de ingeniería y del tipo de dispositivos y procesos que se admiten. Chris Witham, presidente de Motion Dynamics, explicó que “la empresa se basa en un modelo de negocio muy enfocado en productos neurovasculares, donde podemos ofrecer resultados diferenciados en cuanto a diseño, ejecución y servicio. Utilizamos corte láser únicamente para generar los componentes que usamos internamente para crear ensamblajes "difíciles" de alto valor que se han convertido en nuestra especialidad y nuestra reputación; no ofrecemos el corte por láser como un servicio por contrato. Hemos descubierto que la mayoría del corte por láser que realizamos es mejor hecho con un láser USP y he tenido un StarCut Tube equipado con uno de estos láseres durante varios años Debido a la fuerte demanda de nuestros productos, trabajamos dos turnos/días de 8 horas y, a veces, tres, y en 2019 necesitábamos adquirir otro tubo StarCut para respaldar este crecimiento. Pero esta vez nos decidimos por uno de los nuevos modelos híbridos con un láser USP de femtosegundo y un láser de fibra. También lo emparejamos con un cargador/descargador StarFeed para que podamos automatizar completamente el corte. —el operador simplemente carga el alimentador con tubos en blanco e inicia la rutina de operación del software para ese producto".

Figura 3. Este tubo flexible de acero inoxidable (que se muestra junto a un borrador de lápiz) se cortó con un láser de femtosegundo Monaco.

Witham agrega que, aunque ocasionalmente usan la máquina para cortes planos, más del 95 % de las veces se usa para crear o modificar productos cilíndricos para sus conjuntos de catéteres orientables, a saber, hipotubos, bobinas y espirales, incluido el corte de puntas con forma y el corte de agujeros Estos conjuntos se utilizan en última instancia para procedimientos como la reparación de aneurismas y la eliminación de coágulos de sangre. Esto requiere el uso de la cortadora láser en una amplia gama de metales, incluidos acero inoxidable, oro puro, platino y nitinol.

Figura 4. Motion Dynamics también hace un uso extensivo de la soldadura por láser. Arriba, la bobina se ha soldado a un tubo cortado con láser.

¿Qué pasa con la elección de los láseres? Witham explica que una calidad de borde superior y un corte minimizado son fundamentales en la mayoría de sus componentes, de ahí su preferencia original por un láser USP. Además, no hay ningún material que utilice la empresa que no pueda ser cortado aún por uno de estos láseres, incluidos los diminutos componentes de oro que se utilizan como marcadores radioopacos en algunos de sus productos. Pero agrega que la nueva opción híbrida que incluye tanto un láser de fibra como un USP les brinda más flexibilidad para optimizar la cuestión de velocidad/calidad de borde. "La fibra definitivamente ofrece una velocidad mucho mayor sin lugar a dudas", dijo. "Pero debido al enfoque particular de nuestra aplicación, esto a menudo significa algún tipo de posprocesamiento, como limpieza química y ultrasónica o electropulido. Por lo tanto, tener la máquina híbrida nos permite elegir qué proceso general: USP solo o fibra y posprocesamiento". proceso— es óptimo para cada componente y nos está permitiendo explorar la posibilidad de procesamiento mixto del mismo componente, particularmente cuando se trata de diámetros y espesores de pared más grandes: a saber, corte rápido con el láser de fibra seguido de corte fino con el láser de femtosegundo ." Él espera que el láser USP siga siendo su primera opción porque, aunque encuentran espesores de pared que oscilan entre 1 y 20 milésimas de pulgada, la mayoría de sus cortes por láser involucran tubos de acero inoxidable con espesores de pared de entre cuatro y seis milésimas de pulgada.

En conclusión, el corte y la perforación por láser son procesos críticos utilizados en la fabricación de todo tipo de dispositivos médicos. Hoy en día, estos procesos son más fáciles de usar y brindan mejores resultados que nunca, gracias a los avances en tecnologías láser básicas y máquinas altamente optimizadas configuradas para las necesidades particulares de esta industria.

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