Solutions laser pour la découpe d'appareils à partir de tubes et de pièces plates

Roland Wolzlein | 17 août 2020

Aujourd'hui, presque toutes les découpes laser de précision des métaux et des non-métaux sont effectuées avec des outils équipés de lasers à fibre ou de lasers à impulsions ultracourtes (USP), ou parfois des deux. Dans cet article, nous expliquons les différents avantages des deux types de laser et examinons comment deux fabricants utilisent ces lasers. NPX Medical (Plymouth, MN) est une société d'usinage spécialisée sous contrat pour une grande variété de dispositifs et d'outils de déploiement tels que les stents, les implants et les tubes flexibles, utilisant une machine incorporant un laser à fibre. Motion Dynamics fabrique des sous-ensembles tels que des assemblages "à fil de traction" principalement destinés à être utilisés en neurologie, en utilisant une machine incorporant un laser femtoseconde USP ainsi que l'un des derniers systèmes hybrides qui comprend à la fois un laser femtoseconde et un laser à fibre, pour une flexibilité et une polyvalence maximales.

Pendant de nombreuses années, la plupart des micro-usinages laser ont été réalisés à l'aide de lasers nanosecondes à semi-conducteurs appelés lasers DPSS. Mais cette situation est maintenant complètement modifiée en raison du développement de deux types de lasers assez différents, et donc complémentaires. Le laser à fibre qui a été développé à l'origine pour les télécommunications a mûri pour devenir un laser de traitement des matériaux performant dans de nombreuses industries, généralement à des longueurs d'onde proches de l'infrarouge. La raison de son succès est son architecture simple et son évolutivité de puissance directe. Il en résulte des lasers compacts, hautement fiables et faciles à intégrer dans des machines spécialisées et offrant généralement un coût de possession inférieur à celui des types de laser plus anciens. Et surtout pour le micro-usinage, le faisceau de sortie peut être focalisé jusqu'à un petit point propre de quelques microns de diamètre, de sorte qu'ils sont bien adaptés à la découpe, au soudage et au perçage à haute résolution. Leur sortie est également très flexible et contrôlable, avec des fréquences d'impulsions allant du simple coup à 170 kHz. Avec la puissance évolutive, cela prend en charge la coupe et le perçage rapides.

Cependant, le seul inconvénient potentiel des lasers à fibre dans le micro-usinage est le traitement de petites caractéristiques et/ou de pièces fines et délicates. La longue durée d'impulsion (par exemple, 50 µs) peut provoquer une petite quantité de zone affectée par la chaleur (HAZ) telle que du matériau refondu et une rugosité mineure des bords, ce qui peut nécessiter un post-traitement. Heureusement, le nouveau type de laser - le laser à impulsions ultracourtes (USP) avec des impulsions de sortie femtosecondes - élimine le problème HAZ.

Avec les lasers USP, la majeure partie de la chaleur supplémentaire associée au processus de découpe ou de perçage est emportée dans les débris éjectés, avant qu'elle n'ait le temps de se propager dans le matériau environnant. Les lasers USP à sortie picoseconde sont utilisés depuis longtemps dans les applications de micro-usinage impliquant des plastiques, des semi-conducteurs, des céramiques et certains métaux (une picoseconde = 10-12 secondes). Mais pour les appareils métalliques avec des entretoises aussi petites qu'un cheveu humain, la conductivité thermique élevée du métal et les dimensions minuscules signifient que les lasers picosecondes n'ont pas toujours fourni les résultats améliorés qui justifieraient l'augmentation du coût des premiers lasers USP. Cette situation a maintenant changé avec l'avènement des lasers femtosecondes de qualité industrielle (une femtoseconde = 10-15 secondes). Un exemple est la série de lasers Monaco de Coherent Inc. Comme les lasers à fibre, leur sortie est dans le proche infrarouge, ce qui signifie qu'ils peuvent couper ou percer tous les métaux utilisés dans les dispositifs médicaux, y compris l'acier inoxydable, le platine, l'or, le magnésium, le cobalt chrome, le titane, etc., ainsi que les non-métaux. Et tandis que la combinaison d'une courte durée d'impulsion et d'une faible énergie d'impulsion empêche les dommages thermiques (HAZ), le taux de répétition élevé (MHz) garantit des vitesses de débit rentables pour de nombreux dispositifs médicaux de grande valeur.

Bien sûr, pratiquement personne dans notre industrie n'a besoin d'un simple laser ; ils ont plutôt besoin d'une machine à base de laser, et il existe maintenant un certain nombre de machines spécialisées optimisées pour la découpe et le perçage des dispositifs médicaux. Un exemple est la série StarCut Tube de Coherent, qui est disponible avec un laser à fibre, un laser femtoseconde ou en version hybride qui comprend les deux types de laser.

Qu'entend-on par spécialisé pour les dispositifs médicaux ? La plupart de ces appareils sont créés en quantités limitées, souvent basées sur des conceptions personnalisées. La flexibilité et la facilité d'utilisation sont donc des considérations essentielles. Et tandis que de nombreux appareils sont créés à partir d'ébauches de tubes, quelques composants doivent être usinés avec précision à partir de pièces plates ; la même machine doit gérer les deux afin de maximiser sa valeur. Ces besoins sont généralement satisfaits en fournissant plusieurs axes de mouvement contrôlé par CNC (xyz et rotatif) ainsi qu'une IHM conviviale pour une programmation et un contrôle simples. Dans le cas du StarCut Tube, une nouvelle option de module de chargement de tubes avec un magasin à chargement latéral (appelé StarFeed) pour les tubes jusqu'à 3 m de longueur et un trieur pour les produits coupés permettent une production sans intervention entièrement automatisée.

La flexibilité du processus est encore améliorée dans ces machines en prenant en charge à la fois la coupe humide et sèche ainsi qu'une buse de distribution facilement réglable pour les processus nécessitant un gaz d'assistance. La résolution spatiale est également particulièrement importante pour l'usinage de très petites pièces, ce qui implique une stabilité thermomécanique pour éliminer les effets de vibrations souvent rencontrés dans les ateliers d'usinage. Ce besoin est satisfait dans la série StarCut Tube en construisant toute la plate-forme de coupe à partir d'éléments massifs en granit.

NPX Medical est un fabricant sous contrat relativement nouveau qui fournit des services de conception, d'ingénierie et de découpe laser de précision aux fabricants de dispositifs médicaux. Fondée en 2019, la société s'est rapidement forgée une réputation dans l'industrie pour ses produits de qualité et sa réponse rapide prenant en charge une gamme variée de dispositifs, notamment des stents, des implants, des échafaudages de valve et des tubes de distribution flexibles pour une gamme tout aussi diversifiée d'interventions chirurgicales, notamment les procédures neurovasculaires, cardiaques, rénales, rachidiennes, orthopédiques, gynécologiques et gastro-intestinales. Sa principale machine de découpe laser est la StarCut Tube 2+2 équipée d'un StarFiber 320FC d'une puissance moyenne de 200 watts. Mike Brenzel, l'un des fondateurs de NPX, a expliqué que "les fondateurs ont apporté des années d'expérience dans la conception et la fabrication de dispositifs médicaux - plus de 90 ans au total - avec une expérience antérieure avec des machines StarCut similaires utilisant des lasers à fibre. Une grande partie de notre travail implique la découpe de nitinol, et nous savions déjà qu'un laser à fibre fournirait la vitesse et la qualité dont nous avions besoin. de petites quantités - entre seulement 5 et 150 unités - et nous visons à effectuer un revirement complet sur ces petits lots en quelques jours seulement, y compris la conception, la programmation, la découpe, le formage, le post-traitement et l'inspection, contrairement aux grandes entreprises qui pourraient nécessiter plusieurs semaines après la passation de la commande. En plus de mentionner la vitesse, Brenzel a également cité la fiabilité de la machine comme un avantage majeur avec pas un seul appel de service requis au cours des 18 derniers mois de fonctionnement quasi continu.

Figure 2. NPX offre une variété d'options de post-traitement. Le matériau présenté ici est de l'acier inoxydable T316 avec un diamètre extérieur de 5 mm et une épaisseur de paroi de 0,254 mm. La partie gauche est telle que coupée/micro-sablée et la partie droite est électropolie.

En plus des pièces en nitinol, la société travaille également beaucoup avec du chrome-cobalt, du tantale, du titane et plusieurs types d'aciers inoxydables médicaux. Jeff Hansen, responsable du traitement laser, a expliqué que "la flexibilité de la machine est un autre atout important [qui] nous permet de prendre en charge une gamme très variée de découpes de matériaux, y compris les tubes et les plats. Nous pouvons concentrer le faisceau jusqu'à un point de 20 microns, ce qui est idéal pour les tubes plus fins. Certains de ces tubes ont un diamètre interne de seulement 0,012 pouce et le rapport élevé entre la puissance de crête et la puissance moyenne des derniers lasers à fibre maximise nos vitesses de découpe tout en offrant la qualité de bord requise. Et nous avons certainement besoin de la vitesse pour les produits plus gros [qui] pourraient ont des diamètres extérieurs allant jusqu'à 1 pouce."

En plus d'une découpe de précision et d'une réponse rapide, NPX propose également une gamme complète de techniques de post-traitement, ainsi que des services de conception complets qui s'appuient sur leur expérience considérable dans l'industrie. Ces techniques comprennent l'électropolissage, le grenaillage, le décapage, le soudage au laser, le thermofixage, le formage, la passivation, les tests de température Af et les tests de fatigue, qui sont tous essentiels à la fabrication de dispositifs au nitinol. Brenzel a déclaré que l'utilisation du post-traitement pour manipuler la finition des bords "dépend souvent du fait que nous parlons d'applications à fatigue élevée ou à faible fatigue. Par exemple, une pièce à fatigue élevée comme une valve cardiaque pourrait fléchir un milliard de fois au cours de sa durée de vie, et il est très important d'utiliser le grenaillage pour augmenter le rayon sur tous les bords comme étape de post-traitement. Mais une pièce à faible fatigue comme un système de mise en place ou un fil de guidage ne nécessite généralement pas de post-traitement approfondi." En termes d'expertise en conception, Brenzel a expliqué que jusqu'à trois quarts de leurs clients utilisent désormais leurs services de conception en plus de faire appel à l'aide et aux compétences de NPX pour obtenir l'approbation de la FDA. L'entreprise est tout à fait apte à transformer des concepts de "schéma de serviette" en produits de forme finale en peu de temps.

Motion Dynamics (Fruitport, MI) est un fabricant spécialisé dans les micro-ressorts personnalisés, les bobines médicales et les composants de fil avec pour mission de résoudre les problèmes de leurs clients dans les plus brefs délais, aussi complexes ou apparemment impossibles. Dans les dispositifs médicaux, il met l'accent sur les assemblages complexes pour les procédures neurovasculaires, englobant la conception, la production et l'assemblage de composants de fil de haute qualité pour des applications telles que les dispositifs de cathéter orientables, y compris les assemblages « à fil de traction ».

Comme indiqué précédemment, le choix d'un laser à fibre ou USP est une question à la fois de préférence technique et du type d'appareils et de processus pris en charge. Chris Witham, président de Motion Dynamics, a expliqué que "la société est basée sur un modèle commercial très axé sur les produits neurovasculaires, où nous pouvons offrir des résultats différenciés en termes de conception, d'exécution et de service. Nous utilisons la découpe laser uniquement pour générer les composants que nous utilisons en interne pour créer les assemblages "difficiles" de grande valeur qui sont devenus notre spécialité et notre réputation ; nous n'offrons pas la découpe laser en tant que service contractuel. avec l'un de ces lasers pendant plusieurs années. En raison de la forte demande pour nos produits, nous avons fait deux quarts de travail de 8 heures/jours et parfois trois, et en 2019, nous avions besoin d'acquérir un autre tube StarCut pour soutenir cette croissance. Mais cette fois, nous avons opté pour l'un des nouveaux modèles hybrides avec un laser USP femtoseconde ainsi qu'un laser à fibre. Nous l'avons également associé à un chargeur/déchargeur StarFeed afin d'automatiser entièrement la découpe : l'opérateur charge simplement le chargeur avec des tubes vierges et lance s la routine d'exploitation du logiciel pour ce produit."

Figure 3. Ce tube de livraison flexible en acier inoxydable (illustré à côté d'une gomme à crayon) a été découpé avec un laser femtoseconde Monaco.

Witham ajoute que bien qu'ils utilisent occasionnellement la machine pour la coupe à plat, plus de 95 % du temps, elle est utilisée pour créer ou modifier des produits cylindriques pour leurs ensembles de cathéters orientables, à savoir des tubes hypo, des bobines et des spirales, y compris des pointes en forme de coupe et des trous de coupe. Ces assemblages sont finalement utilisés pour des procédures telles que la réparation d'anévrismes et l'élimination de caillots sanguins. Cela nécessite l'utilisation de la découpeuse laser sur une gamme complète de métaux, notamment l'acier inoxydable, l'or pur, le platine et le nitinol.

Figure 4. Motion Dynamics fait également un usage intensif du soudage au laser. Ci-dessus, la bobine a été soudée à un tube découpé au laser.

Qu'en est-il du choix des lasers ? Witham explique qu'une qualité de bord supérieure et un trait de scie minimisé sont essentiels dans la plupart de leurs composants, d'où leur préférence initiale pour un laser USP. De plus, l'entreprise n'utilise aucun matériau qui ne puisse pas encore être coupé par l'un de ces lasers, y compris les minuscules composants en or utilisés comme marqueurs radio-opaques dans certains de leurs produits. Mais il ajoute que la nouvelle option hybride comprenant à la fois un laser à fibre et un USP leur donne plus de flexibilité dans l'optimisation de la question vitesse/qualité des carres. "La fibre offre sans aucun doute une vitesse beaucoup plus élevée", a-t-il déclaré. "Mais en raison de l'orientation particulière de notre application, cela signifie souvent un certain type de post-traitement comme le nettoyage chimique et par ultrasons ou l'électro-polissage. Ainsi, le fait d'avoir la machine hybride nous permet de choisir quel processus global - USP seul ou fibre et post-traitement - est optimal pour chaque composant. Et cela nous permet d'explorer la possibilité d'un traitement mixte du même composant, en particulier lorsque des diamètres et des épaisseurs de paroi plus grands sont impliqués : à savoir une coupe rapide avec le laser à fibre suivie d'une coupe fine avec le laser femtoseconde." Il s'attend à ce que le laser USP reste leur premier choix car bien qu'ils rencontrent des épaisseurs de paroi allant de 1 à 20 mille, la majorité de leur découpe au laser implique des tubes en acier inoxydable avec des épaisseurs de paroi comprises entre quatre et six mille.

En conclusion, la découpe et le perçage au laser sont des processus critiques utilisés dans la fabrication de toutes sortes de dispositifs médicaux. Aujourd'hui, ces processus sont plus faciles à utiliser et offrent de meilleurs résultats que jamais, grâce aux progrès des technologies laser de base et aux machines hautement optimisées configurées pour les besoins particuliers de cette industrie.

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