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外科用ハイポットチューブのレーザ切断

概要

ハイポチューブは、現代の医療現場で多く使用されている金属製の細いチューブです。完全自動化されたワークステーションのレーザ処理は、必要とされる精度、歩留まり、スループットでこの繊細な医療用品を製造するために欠かせない手法となっています。アプリケーションに最適化されたソフトウェアによって、加工方法がシンプルかつ高効率になります。

ハイポチューブ:命を守る技術

低侵襲手術には多くの利点がありますが、ハイポチューブ(ガイドワイヤーと呼ばれることもあります)は、これらの医療処置の多くに使用される重要なデバイスです。このハイポチューブは、人間の血管の中に収まるように、小さくて柔軟である必要があります。そして、道具の制御や薬物の送達を可能にするために、中空である必要があります。

ハイポチューブは、いくつもの複雑な要件を満たさなければなりません。エッジにバリがないこと、素材が柔軟で滅菌しやすいことなどが求められます。その遠位端のデザインは、単純なカットから複雑なマイクロマシニング部品まで、さまざまなものがあります。ハイポチューブの信頼性を高めるためには、ある程度のトルクがかかっても柔軟であること、キンクやプッシュに耐えられることが必要です。

金属ハイポチューブの柔軟性は、チューブ壁に施されたカットのパターンによって実現されています。中断されたスパイラルパターンは、これを実現する方法の一つです。切り込みの長さと切り込みの間隔が、チューブの残存剛性を決定します。手術中にハイポチューブが正しく動作するためには、カットの精度が重要です。

 

「手術中にハイポチューブが正しく動作するためには、カットの精度が重要です」

 

ハイポチューブの精密加工と効率化

一般的にハイポチューブは、高度なレーザ技術で加工されます。レーザシステムは、金属管の壁面にマーキング、切断、ドリリングなどの異なる作業を行う必要があります。現在、これらの作業には中出力のファイバーレーザが絶対的な標準となっています。すべてのエッジにバリがないことが求められるため、レーザの後にいくつかの後処理が必要になる場合があります。

しかし、現在ではファイバーレーザではなく、フェムト秒レーザを選択するユーザーも増えてきています。このような超短パルス(USP)レーザは、熱が拡散できないほど急速にそのエネルギーを材料に蓄積するため、材料が気化するときに熱の影響を受けるゾーンが最小限に抑えられます。そのため、USPレーザは、加工後の水洗いで十分なほど、比較的滑らかなエッジを形成することができます。逆に、USPレーザは非常に正確ですが、ファイバーレーザよりもやや低速です。

Coherent StarCut Tubeで加工したハイポチューブのサンプルを図1に示します。デモのため、ファイバーレーザとフェムト秒レーザの両方を搭載したStarCut Tube Hybridを使用しました。ファイバーレーザやフェムト秒レーザを搭載したStarCut Tube SLでも、より小さな接地面積で課題を解決することができます。

サンプルは、外径0.7 mmのステンレス鋼管から切り出されました。チューブの肉厚は100 μmです。左端には、いわゆるスカイブが切り抜かれています。スキブ内に小さなテストスリットを設けました。さらに、ハイポチューブには2つの黒いリングが記されています。この3つのステップは、すべてCoherent Monacoフェムト秒レーザを用いて実行されました。

 

「サンプルは、外径0.7 mmのステンレス鋼管から切り出されました。チューブの肉厚は100 μmです」

 

Coherent StarCut Tubeで加工したハイポチューブのサンプルを図1に示します。デモのため、ファイバーレーザとフェムト秒レーザの両方を搭載したStarCut Tube Hybridを使用しました。ファイバーレーザやフェムト秒レーザを搭載したStarCut Tube SLでも、より小さな接地面積で課題を解決することができます。

サンプルは、外径0.7 mmのステンレス鋼管から切り出されました。チューブの肉厚は100 μmです。左端には、いわゆるスカイブが切り抜かれています。スキブ内に小さなテストスリットを設けました。さらに、ハイポチューブには2つの黒いリングが記されている。この3つのステップは、すべてCoherent Monacoフェムト秒レーザを用いて実行されました。

Figure 1

図1: Coherent StarCut Tube Hybridで作成したハイポチューブのサンプル。外径は0.7 mmです。

 

次のステップでは、チューブの壁に、長く途切れた螺旋を切り込みました。この加工方法では、このハイブリッドワークステーションの2番目のレーザ光源:中程度の出力のCoherent StarFiberにシステムを切り替えました。この螺旋パターンは、チューブを高速で動かしながら「オンザフライ」でカットされました。この加工中に、レーザのタイミングは、各カットの開始に合わせて正確にトリガーされました。

図2は、ファイバーレーザ加工の結果を示しています。ハイポチューブの軸には、代表的な2つのパターン(断続的な螺旋パターンまたはいわゆるレンガ積みパターン)があります。レンガ積みパターンは、レンガの壁の石に似た、中断された切り込みの平行な線で構成されています。一般的なハイポチューブは約1.5 mの長さがあり、その場で切断することにより、ハイポチューブの長い部分の加工を非常に短時間で行うことができます。このサンプルのサイクルタイムは、わずか35秒でした。

Figure 2a
Figure 2b

図2:  CoherentのファイバーレーザStarFiberは、20 μm以下のスリット幅で、レンガ模様(左)と断続的なスパイラル(右)のいずれかをオンザフライで切断します。 

レーザ切断のための使いやすいソフトウェア

Coherent StarCut Tubeのユーザーインターフェースは、小ロットから大ロットの医療用製品を簡単に扱えるように開発されたものです。ソフトウェアCagilaは、処理ルーチンを簡単にプログラミングできるように最適化されています。また、ワークフローを高速化するために、ストロボ機能などの追加機能を搭載しています。チューブ切断工程での断続的なスパイラルデザインやレンガ模様の自動生成に対応しています。

ストロボは、StarCut Tubeシステムのアドオン機能で、貫通遅延なしに「オンザフライで」レーザをトリガーすることができます。トリガー信号出力は、回転軸の位置に同期して生成されます。そのため、レーザのオン/オフコマンドの遅延やジッターを最小化することができます。スパイラルやレンガのジオメトリは、テーブルベースの入力(図3参照)またはインポートしたCADデータから形状を生成することができます。その後、ジオメトリは自動的に処理されます。また、加工開始後や最終切断位置の前に回転させるなど、後処理機能を搭載することもできます。

図3: コントロールソフトウェアのStrobe Geometry Generatorを使えば、スパイラルやレンガ造りの構造物を非常に簡単に生成することができます。

「ストロボは、StarCut Tubeシステムのアドオン機能で、貫通遅延なしに「オンザフライで」レーザをトリガーすることができます」

Figure 4

図4:Coherent StarCut Tube SLは、市場最小クラスのフットプリント(2,200 mm×760 mm)にファイバーレーザとフェムト秒レーザのどちらかを搭載することができます。完全自動処理のために、複数の供給・排出モジュールが用意されています。

 

「...フェムト秒レーザ処理によって生成されるエッジ品質は非常に優れているため、電解研磨などの後処理は不要なことがよくあります」

 

自動処理を小さな接地面積で実現

医療機器は、多くの場合、高価なクリーンルームで製造されます。Coherent StarCut Tube SLは、この種のレーザ機器としては最小の接地面積で、貴重なクリーンルームのスペースを最小限に抑えることができます。

StarCut Tubeは、手動および自動加工用に構成することができ、ファイバーレーザ、フェムト秒レーザ、またはその両方を搭載できます。複数のフィーダーとアンローダーのモジュールを追加して、完全な自動化ソリューションを実現することができます。たとえば、StarFeed Sでは、外径0.3 mmまでの血栓溶解カテーテルなどのチューブを自動で装填することができます。その他、チューブローディングモジュールは、直径1 mmから20 mm、長さ3 mのチューブに対応し、完全自動のハンドオフ生産が可能です。

StarCut Tube内のレーザは、パルス幅を10~50マイクロ秒で調整できるCoherent StarFiberと、パルス幅350フェムト秒以下の最新鋭USPレーザ、Coherent Monacoが使用されています。ファイバーレーザは、スピードが重視される厚みのある素材やチューブの切断に最適です。フェムト秒レーザーは、表面仕上げが非常に重要であり、熱による副作用を回避する必要がある、非常に薄いまたは繊細なコンポーネントを切断するための優れたツールです。

レーザ加工精度は+/-5 μm以上です。「実際に、フェムト秒レーザ処理によって生成されるエッジ品質は非常に優れているため、電解研磨などの後処理は不要なことがよくあります。チューブ状(直径30 mmまで)と平板状基板の両方に対応し、その実用性と価値を高めています。2軸、3軸、4軸のいずれかを選択できます。

扱いやすさと高速処理に最適化されたソフトウェアです。オペレータの習熟度に応じて、異なるアクセス権を得ることができます。加工方法やワークのパラメータを記録し、トレーサビリティを確保することができます。ハイブリッドシステムでは、1つのCNCファイル内で、同じジョブで2つのレーザを切り替えて加工することができます。また、完全な自動処理のために、特殊なモジュールにより、問題発生時やジョブ完了時にオペレーターにテキストメッセージを送信する自動テキスト送信機能を搭載しています。

 

概要

Coherent StarCut Tubeは、最大限の加工自由度を持ちながら、設置面積を小さくしています。汎用性の高いソフトウェアと、異なるレーザ光源を機械的に統合することで、必要に応じて高精度と高スループットを実現します。自動化された供給および除荷オプションにより、医療機器コンポーネントの大小のバッチの自動生産用に設計されています。
Coherentのアプリケーション専門家は、25年以上にわたる医療用製品製造のノウハウを蓄積しており、豊富なノウハウに基づくさまざまな方法でお客様をサポートします。たとえば、テストやプロセス開発のためのサンプルを依頼できます。また、あらゆるレベルのオペレーターを対象にした定期的なトレーニングを通じて、ノウハウの共有化を図っています。