Soluzioni laser per il taglio di dispositivi da tubi e pezzi piatti

Roland Wölzlein | 17 agosto 2020

Oggi, quasi tutti i tagli laser di precisione di metalli e non metalli vengono eseguiti con strumenti dotati di laser a fibra o laser a impulsi ultracorti (USP), o talvolta entrambi. In questo articolo spieghiamo i diversi vantaggi di entrambi i tipi di laser e osserviamo come due produttori utilizzano questi laser. NPX Medical (Plymouth, MN) è un'azienda di lavorazione specializzata a contratto per una vasta gamma di dispositivi e strumenti di implementazione come stent, impianti e tubi flessibili, utilizzando una macchina che incorpora un laser a fibra. Motion Dynamics produce sottoassiemi come gruppi "pull-wire" principalmente per l'uso in neurologia, utilizzando una macchina che incorpora un laser a femtosecondi USP nonché uno dei più recenti sistemi ibridi che include sia un laser a femtosecondi che un laser a fibra, per la massima flessibilità e versatilità.

Per molti anni, la maggior parte della microlavorazione laser è stata eseguita utilizzando laser a nanosecondi allo stato solido chiamati laser DPSS. Ma oggi la situazione è completamente cambiata grazie allo sviluppo di due tipi di laser del tutto diversi e quindi complementari. Il laser a fibra originariamente sviluppato per le telecomunicazioni è maturato fino a diventare un laser per la lavorazione dei materiali in molti settori, solitamente a lunghezze d'onda del vicino infrarosso. La ragione del suo successo è la sua architettura semplice e la semplice scalabilità della potenza. Ciò si traduce in laser compatti, altamente affidabili e facili da integrare in macchine specializzate e solitamente offrono costi di gestione inferiori rispetto ai tipi di laser più vecchi. E, cosa importante per la microlavorazione, il raggio di uscita può essere focalizzato su un punto piccolo e pulito di soli pochi micron di diametro, quindi sono adatti per taglio, saldatura e foratura ad alta risoluzione. La loro uscita è anche altamente flessibile e controllabile, con frequenze di pulsazione che vanno dallo scatto singolo a 170 kHz. Insieme alla potenza scalabile, ciò supporta il taglio e la perforazione rapidi.

Tuttavia, l’unico potenziale svantaggio dei laser a fibra nella microlavorazione riguarda la lavorazione di piccoli dettagli e/o parti sottili e delicate. La lunga durata dell'impulso (ad esempio, 50 µs) può causare una piccola quantità di zone alterate dal calore (HAZ) come materiale rifuso e una minore rugosità dei bordi, che potrebbero richiedere una certa post-elaborazione. Fortunatamente, il nuovo tipo di laser, il laser a impulsi ultracorti (USP) con impulsi di uscita a femtosecondi, elimina il problema della ZTA.

Con i laser USP, la maggior parte del calore aggiuntivo associato al processo di taglio o perforazione viene trasportato dai detriti espulsi, prima che abbia il tempo di diffondersi nel materiale circostante. I laser USP con uscita in picosecondi sono stati a lungo utilizzati in applicazioni di microlavorazione che coinvolgono plastica, semiconduttori, ceramica e alcuni metalli (un picosecondo = 10-12 secondi). Ma per i dispositivi metallici con montanti piccoli come un capello umano, l’elevata conduttività termica del metallo e le dimensioni minuscole fanno sì che i laser a picosecondi non sempre forniscano risultati migliori che giustificherebbero l’aumento del costo dei primi laser USP. Questa situazione è ora cambiata con l'avvento dei laser a femtosecondi di livello industriale (un femtosecondo = 10-15 secondi). Un esempio è la serie di laser Monaco di Coherent Inc. Come i laser a fibra, la loro emissione è nel vicino infrarosso, il che significa che possono tagliare o forare tutti i metalli utilizzati nei dispositivi medici tra cui acciaio inossidabile, platino, oro, magnesio, cromo cobalto, titanio, ecc., nonché non metalli. E mentre la combinazione di breve durata dell'impulso e bassa energia dell'impulso previene il danno termico (HAZ), l'elevata frequenza di ripetizione (MHz) garantisce velocità di throughput convenienti per molti dispositivi medici di alto valore.

Naturalmente, praticamente nessuno nel nostro settore ha bisogno solo di un laser; hanno piuttosto bisogno di una macchina basata sul laser e ora esistono numerose macchine speciali ottimizzate per il taglio e la perforazione di dispositivi medici. Un esempio è la serie StarCut Tube di Coherent, disponibile con un laser a fibra, un laser a femtosecondi o come versione ibrida che include entrambi i tipi di laser.