MDM에 사용되는 까다로운 재료의 레이저 절단 – 생산량 향상, 비용 절감
레이저 절단은 깨지거나 부서지기 쉽거나 기계에 문제를 일으키거나 높은 재료비 때문에 부담되는 특수 금속을 사용한 의료장치 제조 문제를 성공적으로 극복할 수 있게 해줍니다.
2022년 10월 6일, Coherent
대부분의 의료장치와 특히 재사용 가능한 제품은 특정 유형의 스테인리스 스틸로 만들어집니다. 이러한 강철의 레이저 절단은 널리 알려져 있으며 널리 사용되고 있습니다. 나노초 펄스를 갖춘 파이버 레이저는 더 빠른 속도와 더 높은 처리량을 제공하기 때문에 스테인리스 스틸 제품에 주로 이용됩니다. 펨토초(fs) 레이저는 매우 얇은 하이포튜브 또는 미세한 디테일이 있는 구성품을 절단하거나 이러한 레이저에 의해 생성된 우수한 에지 품질이 중대한 이점인 경우에만 사용됩니다.
의료장치 제조(MDM)에 사용되는 기타 “틈새” 금속 절단은 보통 몇 가지 다른 과제를 제기하지만 레이저 절단의 다용도성은 사실상 언제나 최적의 솔루션으로 간주됩니다. 마그네슘, 니티놀, 플래티늄(및 금)의 세 가지 상당히 다른 금속 유형에 적용되는 방법/이유를 살펴보겠습니다.
마그네슘 스텐트의 펨토초 레이저 절단
미국에서만 매년 2백만 개 이상의 스텐트가 이식되고 있습니다. 레이저 절단, 특히 펨토초 레이저 절단은 필수적인 에지 품질을 쉽게 달성하고 기계적 및/또는 화학적 후처리의 필요성을 최소화할 수 있기 때문에 이러한 스텐트를 만드는 데 이상적입니다. 또한 완전히 통합되고 자동화된 기계가 관형 블랭크에서 3D 절단을 단순화했다는 점도 그 못지않게 중요합니다. 이러한 기계는 매우 얇은 직경의 관을 절단할 때 열 손상으로부터 후면 벽을 보호하는 데 유용한 습식 절단을 지원합니다.
최근 몇 년 동안 재발협착증 문제를 해결하기 위해 생체 흡수성 스텐트의 사용이 증가하고 있습니다. 스텐트는 플라크 및 혈관 막힘을 개선하는 데 사용됩니다. 폴리 젖산(PLLA)과 같은 유기물로 만들었던 방법이 최초의 전형입니다. 처음에는 그린 피코초 레이저가 사용되었지만 결과가 최적이 아니었으며, 곧이어 팸토초 레이저가 사실상의 표준으로 채택되었습니다. 그 후 흡수형 금속(마그네슘) 스텐트가 또 다른 대체 소재로 개발되었습니다. 마그네슘의 열적 특성으로 인해 파이버 레이저 가공 시 절단된 표면에 작은 금속 방울과 같은 특이한 문제가 발생했습니다. 이 경우 기계적 세척(즉, 리밍(reaming))으로 제거해야 합니다. 그러나 다수의 스텐트 구조에 필요한 얇은 스트럿을 부러뜨리는 경향이 있었으며 이러한 후처리로 인해 생산량은 50%까지 낮아질 수 있습니다. 그래서 다시 팸토초 레이저가 표준 절단 기술이 되었습니다.
파이버 레이저로 니티놀 절단
니티놀, 즉 “메모리 금속”은 초탄성 및 형상 기억이라는 특별한 특성을 제공합니다. 이러한 특성 덕분에 TAVR을 포함한 일부 다양한 이식 가능한 장치 및 절차에 사용하는 금속을 우수한 품질로 가공할 수 있습니다. 대만 까오슝에 소재한 NIT(Nitinol Innovative Technology)는 니티놀 와이어의 훌륭한 공급업체일 뿐만 아니라 의료장치 및 기타 응용 제품에 필요한 완성 부품의 계약 제조업체입니다. 또한 대만에서 유일한 니티놀 제조 기업입니다.
그림 1: Coherent의 StarCut Tube는 까다로운 재료 절단 요구에 맞도록 다양한 레이저 옵션(파이버 및/또는 팸토초)으로 구성할 수 있습니다.
현재 대부분의 니티놀 관형 제품의 직경은 3~6mm 범위 내에 있습니다. 그러나 NIT는 직경이 0.56만큼 작은 니티놀 관으로 작업했습니다. NIT의 VGM인 Yi-An Chen은 다음과 같이 설명합니다. “NIT는 니티놀이 많은 응용 분야에서 우수한 재료이며 이 신소재를 매우 잘 이해하고 있기 때문에 최상의 결과를 제공할 수 있음을 고객에게 납득시키기 위해 노력하고 있습니다. 이러한 주장은 탁월한 정밀도와 에지 품질로 부품을 제공할 수 있는 우리의 역량에 결정적으로 달려 있습니다.” NIT가 사내에 레이저 절단을 도입했을 때 파이버 레이저가 처리량과 에지 품질의 이상적인 조합을 제공할 수 있음을 알게 되었습니다. 절단 정밀도는 안정성과 반복성이 높은 기계 선택이 관건이었기 때문에 화강암 절단 베이스가 갖춰진 StarCut Tube를 선택했습니다.
그림 2: 오늘날 대부분의 스텐트는 재발협착증 문제를 해결하기 위해 흡수성 고분자에서 절단됩니다.
백금의 침식 절단
오늘날 대부분의 MDM 응용 분야에서 최적의 레이저 방법을 고려할 때 파이버 레이저와 팸토초 레이저 중의 양단간 선택이 일반적입니다. 하지만 소수의 제조업체는 침식 절단이라는 새로운 유형의 공정을 사용하고 있습니다. ES Precision(영국 킹스턴 백퓌즈)은 이 방법의 개척자입니다. 이 기업은 연료 전지뿐만 아니라 의료 및 생명 공학 응용 분야를 위한 백금 기반 구성품을 포함한 제품을 위해 팸토초 레이저에 대한 저렴한 대안으로 이러한 침식 절단을 사용합니다. 설립자 겸 이사인 Andy May는 다음과 같이 설명합니다. “기존의 나노초 레이저 절단 방법은 얇은 부품에 적합하지 않습니다. 과도하게 주변이 가열되고 무게가 몇 그램에 불과한 아주 작은 구조물을 지지하기가 불가능하기 때문입니다. 침식 절단은 이러한 문제를 없애 줍니다.”
그림 3: 니티놀은 초탄성 및 형상 기억이라는 특수한 특성으로 인해 임플란트에 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 이미지 제공: NIT Co. Ltd.
침식 절단은 마킹 애플리케이션에 일반적으로 사용되는 고속 검류계 스캐닝 기술을 활용합니다. 사실, ES Precision은 마킹/새김 작업에 더 흔히 사용되고 있는 20W 파이버 레이저가 장착된 Coherent PowerLine F20 시스템으로 시작했습니다. May는 다음과 같이 강조합니다. “집속된 레이저를 한 번만 투사해서 절단하는 대신 침식 절단은 최소 10회 이상 그리고 경우에 따라서는 수천 번까지 반복되는 레이저 투사로 몇 미크론 단위까지 정밀하게 재료를 제거할 수 있습니다. 그러나 고속 검류계 덕분에 단 몇 분 만에 수천 번의 투사도 수행할 수 있습니다.” 그는 세라믹과 같은 더 단단한 재료는 물론 실제로 거의 모든 금속에 이 독특한 공정을 적용할 수 있다고 덧붙였습니다.
NIT가 Coherent StarCut Tube 레이저 시스템을 이용해 니티놀로 만든 완제품에 대한 계약 제조 서비스에서 증가하는 수요를 어떻게 충족시켰는지 자세히 알아보십시오.
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