チューブおよび平らな素材からデバイスを切断するためのレーザー ソリューション

ローランド・ヴェルツライン | 2020年8月17日

現在、金属および非金属のほぼすべての精密レーザー切断は、ファイバー レーザーまたは超短パルス (USP) レーザーのいずれか、または場合によっては両方を備えたツールを使用して実行されます。 この記事では、両方のタイプのレーザーの異なる利点を説明し、2 つのメーカーがこれらのレーザーをどのように使用しているかを見ていきます。 NPX Medical (ミネソタ州プリマス) は、ファイバー レーザーを組み込んだ機械を使用して、ステント、インプラント、フレックス チューブなどのさまざまなデバイスや導入ツールを専門に加工する受託会社です。 Motion Dynamics は、主に神経学で使用される「プルワイヤー」アセンブリなどのサブアセンブリを製造しており、USP フェムト秒レーザーを組み込んだ機械と、フェムト秒レーザーとファイバー レーザーの両方を含む最新のハイブリッド システムの 1 つを利用して、柔軟性を最大限に高め、多用途性。

長年にわたり、ほとんどのレーザー微細加工は、DPSS レーザーと呼ばれる固体ナノ秒レーザーを使用して実行されてきました。 しかし、この状況は現在、全く異なる 2 種類の、つまり補完的なレーザーの開発により完全に変わりました。 もともと通信用に開発されたファイバー レーザーは成熟し、多くの産業で材料加工レーザーとして主力となり、通常は近赤外線の波長を使用します。 その成功の理由は、そのシンプルなアーキテクチャと単純な電力拡張性にあります。 その結果、レーザーはコンパクトで信頼性が高く、専用の機械に簡単に統合でき、通常は古いタイプのレーザーよりも所有コストが低くなります。 そして微細加工にとって重要なのは、出力ビームを直径わずか数ミクロンの小さくきれいなスポットに集中させることができるため、高解像度の切断、溶接、穴あけに最適です。 出力も非常に柔軟で制御可能であり、パルスレートはシングルショットから 170 kHz までです。 スケーラブルなパワーと合わせて、高速な切断と穴あけをサポートします。

ただし、マイクロマシニングにおけるファイバーレーザーの潜在的な欠点の 1 つは、小さな形状や薄く繊細な部品の加工にあります。 パルス持続時間が長い (50 μs など) と、リキャスト材料や軽度のエッジ粗さなどの少量の熱影響部 (HAZ) が発生する可能性があり、後処理が必要になる場合があります。 幸いなことに、新しいタイプのレーザーであるフェムト秒出力パルスを備えた超短パルス (USP) レーザーにより、HAZ の問題は解決されます。

USP レーザーを使用すると、切断または穴あけプロセスに伴う余分な熱のほとんどが、周囲の材料に広がる前に、排出された破片内で除去されます。 ピコ秒出力の USP レーザーは、プラスチック、半導体、セラミック、および一部の金属を含む微細加工アプリケーションで長い間使用されてきました (1 ピコ秒 = 10 ～ 12 秒)。 しかし、髪の毛ほどの小さな支柱を備えた金属デバイスの場合、金属の高い熱伝導率と小さな寸法により、ピコ秒レーザーでは初期の USP レーザーのコスト増加に見合った改善された結果が常に得られるわけではありませんでした。 この状況は、産業グレードのフェムト秒レーザー (フェムト秒 = 10 ～ 15 秒) の出現により変わりました。 その一例は、コヒレント社のレーザーのモナコシリーズです。ファイバーレーザーと同様に、その出力は近赤外線であり、ステンレス鋼、プラチナ、金、マグネシウム、コバルトクロム、非金属だけでなく、チタンなども含まれます。 また、短いパルス持続時間と低いパルスエネルギーの組み合わせにより熱損傷 (HAZ) が防止され、高い (MHz) 繰り返し率により、多くの高価値の医療機器に対して費用対効果の高いスループット速度が保証されます。

もちろん、私たちの業界では事実上、レーザーだけを必要とする人はいません。 むしろ、レーザーベースの機械が必要であり、現在では医療機器の切断や穴あけに最適化された特殊な機械が多数存在します。 一例として、Coherent の StarCut Tube シリーズが挙げられます。これは、ファイバー レーザー、フェムト秒レーザー、または両方のレーザー タイプを含むハイブリッド バージョンとして利用できます。

医療機器に特化するとはどういうことですか？ これらのデバイスのほとんどは、カスタマイズされた設計に基づいて、限られたバッチ数量で作成されます。 したがって、柔軟性と使いやすさは重要な考慮事項です。 また、多くのデバイスはチューブブランクから作成されますが、いくつかのコンポーネントは平らな素材から精密に機械加工する必要があります。 その価値を最大化するには、同じマシンが両方を処理する必要があります。 これらのニーズは通常、CNC 制御の複数軸 (xyz および回転) 動作と、簡単なプログラミングと制御のための使いやすい HMI を提供することで満たされます。 StarCut Tube の場合、長さ 3 m までのチューブに対応するサイドローディング マガジン (StarFeed と呼ばれる) とカット製品用のソーターを備えた新しいチューブローディング モジュール オプションにより、完全に自動化された手作業による生産が可能になります。

これらの機械では、湿式切断と乾式切断の両方をサポートするだけでなく、アシストガスを必要とするプロセス向けに簡単に調整可能な供給ノズルをサポートすることにより、プロセスの柔軟性がさらに高まります。 空間分解能は、非常に小さな部品を加工する場合にも特に重要です。これは、機械工場でよく遭遇する振動の影響を排除するための熱機械的安定性を意味します。 StarCut Tube シリーズでは、巨大な花崗岩の要素から切断プラットフォーム全体を構築することで、このニーズに応えています。

NPX Medical は、医療機器メーカーに設計、エンジニアリング、精密レーザー切断サービスを提供する、かなり新しい受託製造会社です。 2019 年に設立された同社は、高品質の製品と、神経血管、神経血管、心臓などの同様に多様な外科的介入のためのステント、インプラント、弁足場、フレックス デリバリー チューブなどの多様なデバイスをサポートする迅速な対応で、業界での評判を急速に確立しました。心臓、腎臓、脊椎、整形外科、婦人科、消化器科の処置。 その主なレーザー切断機は、平均出力 200 ワットの StarFiber 320FC を搭載した StarCut Tube 2+2 です。 NPX 創設者の 1 人であるマイク・ブレンゼル氏は、「創設者らは、医療機器の設計と製造における長年の経験 (合計 90 年以上) をもたらし、ファイバー レーザーを使用した同様の StarCut マシンの以前の経験ももたらしました。私たちの仕事の多くにはニチノール切断が含まれます」と説明しました。ファイバー レーザーが必要な速度と品質を提供できることはすでにわかっていました。USP レーザーではニーズに対して遅すぎる可能性がある厚肉のチューブや心臓弁などのデバイスには速度が必要です。大量の生産注文に加えて、 —当社は、わずか 5 ～ 150 個の部品の少量生産に特化しており、設計、プログラミング、切断、成形、後処理、検査を含め、これらの少量のバッチをわずか数日で完全に完了することを目指しています。大企業では注文後数週間かかる場合があるのとは対照的です。」 ブレンゼル氏は速度に言及するだけでなく、過去 18 か月のほぼ継続的な運用で一度もサービスコールが必要なかったマシンの信頼性も大きな利点として挙げました。

図 2. NPX はさまざまな後処理オプションを提供します。 ここに示されている材料は、外径 5 mm、壁厚 0.254 mm の T316 ステンレス鋼です。 左側の部分はアズカット/マイクロブラスト処理されており、右側の部分は電解研磨されています。

ニチノール部品に加えて、同社はコバルトクロム、タンタル、チタン、および数種類の医療用ステンレス鋼も幅広く扱っています。 レーザー加工マネージャーのジェフ・ハンセン氏は、「機械の柔軟性もまた重要な資産であり、チューブとフラットストックの両方を含む非常に多様な材料切断をサポートできるようになります。ビームを 20 ミクロンのスポットまで集中させることができます。は、より薄いチューブに最適です。これらのチューブの一部の内径はわずか 0.012 インチで、最新のファイバー レーザーのピーク パワーと平均パワーの高い比により、要求されるエッジ品質を実現しながら切断速度が最大化されます。外径が最大 1 インチの大型製品の速度が向上します。」

NPX は、精密な切断と迅速な対応に加え、あらゆる後処理技術に加え、業界での豊富な経験を活かした包括的な設計サービスも提供します。 これらの技術には、電解研磨、グリット ブラスト、酸洗い、レーザー溶接、ヒート セット、成形、不動態化、AF 温度試験、および疲労試験が含まれており、これらはすべてニチノール デバイス製造の鍵となります。 ブレンゼル氏は、エッジ仕上げを操作するための後処理の使用は、「多くの場合、高疲労アプリケーションについて話しているのか、低疲労アプリケーションについて話しているのかによって決まります。たとえば、心臓弁のような高疲労部品は、10億回屈曲することが予想されるかもしれません」と述べました。後処理のステップとして、グリット ブラストを使用してすべてのエッジの半径を大きくすることが非常に重要ですが、デリバリー システムやガイド ワイヤのような低疲労部品の場合は、通常、大規模な後処理は必要ありません。 。」 設計の専門知識に関して、Brenzel 氏は、現在、顧客の最大 4 分の 3 が、FDA の承認を得る際に NPX の支援とスキルを活用することに加えて、同社の設計サービスを利用していると説明しました。 同社は、「ナプキンスケッチ」のコンセプトを短期間で最終形態の製品に変えることに非常に熟練しています。

Motion Dynamics (ミシガン州フルーツポート) は、カスタム マイクロ スプリング、医療用コイル、ワイヤー コンポーネントを専門とするメーカーで、どんなに複雑で一見不可能に見えても、顧客の問題をできるだけ短期間で解決するという使命を持っています。 医療機器では、神経血管処置のための複雑なアセンブリに重点を置いており、「プルワイヤ」アセンブリを含む操縦可能なカテーテル装置などの用途向けの高品質ワイヤコンポーネントの設計、製造、組み立てが含まれます。

すでに述べたように、ファイバーまたは USP レーザーの選択は、エンジニアリングの好みと、サポートされるデバイスおよびプロセスの種類の両方の問題になります。 Motion Dynamics社のクリス・ウィザム社長は、「同社は神経血管製品に重点を置いたビジネスモデルに基づいており、設計、実行、サービスの面で差別化された結果を提供できる。当社はコンポーネントの生成にのみレーザー切断を使用している」と説明した。当社は、高価値で「難しい」アセンブリを作成するために社内で使用しており、これが当社の専門分野であり、評判となっています。当社では、レーザー切断を契約サービスとして提供していません。当社が実行するレーザー切断のほとんどが最良であることがわかりました。 USP レーザーで行われ、これらのレーザーの 1 つを備えた StarCut Tube を数年間使用してきました。当社の製品に対する強い需要のため、当社では 1 日あたり 8 時間のシフトを 2 回、場合によっては 3 回稼動しています。2019 年に取得する必要がありました。この成長をサポートするために別の StarCut チューブを使用しました。しかし今回は、フェムト秒 USP レーザーとファイバー レーザーを備えた新しいハイブリッド モデルの 1 つを選択しました。また、これを StarFeed ローダー/アンローダーと組み合わせて、切断を完全に自動化できるようにしました。 —オペレーターはフィーダーに空のチューブをロードし、その製品のソフトウェア操作ルーチンを開始するだけです。」

図 3. この柔軟なステンレス鋼の供給チューブ (鉛筆消しゴムの隣に表示) は、モナコ フェムト秒レーザーで切断されました。

ウィザム氏は、この機械を平らな切断に使用することもありますが、95% 以上の時間は、成形チップの切断や切断など、操縦可能なカテーテル アセンブリ用の円筒形製品、つまりハイポ チューブ、コイル、スパイラルの作成または修正に使用されていると付け加えました。穴。 これらのアセンブリは、最終的には動脈瘤修復や血栓除去などの処置に使用されます。 これには、ステンレス鋼、純金、プラチナ、ニチノールなどのあらゆる金属にレーザー カッターを使用する必要があります。

図 4. モーション ダイナミクスでは、レーザー溶接も広範囲に利用されています。 上では、コイルがレーザーカットされたチューブに溶接されています。

レーザーの選択についてはどうですか？ Witham 氏は、ほとんどのコンポーネントでは優れたエッジ品質と最小限のカーフが重要であるため、もともと USP レーザーを好んで使用していると説明しています。 さらに、一部の製品で放射線不透過性マーカーとして使用されている小さな金のコンポーネントを含め、同社が使用している材料でこれらのレーザーで切断できないものはありません。 しかし、ファイバー レーザーと USP の両方を含む新しいハイブリッド オプションにより、速度とエッジ品質の問題を最適化する際により柔軟に対応できるようになると付け加えています。 「このファイバーは間違いなく、間違いなくはるかに高速な速度を実現します」と彼は言いました。 「しかし、私たちは特定の用途に重点を置いているため、化学洗浄や超音波洗浄、電解研磨などの後処理が必要になることがよくあります。そのため、ハイブリッド マシンを使用することで、全体のプロセス (USP 単独か、ファイバーと後処理) を選択できるようになります。」また、これにより、特に大きな直径と肉厚が関係する場合、同じコンポーネントの混合加工の可能性を探ることができます。つまり、ファイバーレーザーによる高速切断と、それに続くフェムト秒レーザーによる微細な切断です。 。」 同氏は、USP レーザーが今後も第一選択となると予想しています。なぜなら、肉厚は 1 ～ 20 千の範囲であるにもかかわらず、レーザー切断の大部分には、肉厚が 4 ～ 6 千のステンレス チューブが含まれるからです。

結論として、レーザー切断と穴あけは、あらゆる種類の医療機器の製造に使用される重要なプロセスです。 現在、コアレーザー技術の進歩と、この業界の特定のニーズに合わせて構成された高度に最適化された機械のおかげで、これらのプロセスは以前よりも使いやすくなり、より良い結果が得られます。

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