ホワイトペーパー
医療機器の課題 :
異種金属の細いワイヤーの溶接
概要
ステンレスやニチノールは、医療機器によく使われている材料です。 Coherentのアプリケーションエキスパートは、このような溶接が難しい材料で作られた細いワイヤーを安全に溶接するプロセスを開発しました。 このプロセスは、プラスチックコーティングに損傷を与えることなく実行することができます
医療機器のマイクロ溶接
レーザ溶接は、インプラントや内視鏡装置などの医療機器の製造に広く使用されており、多くの場合、繊細な部品の接合に使用されています。 課題となるのは、接合対象が溶接の難しい材料で作られた非常に細いワイヤーである場合です。 典型的な材料には、生体適合性や耐食性があって容易に滅菌できる、ステンレス、ニチノール、チタンがあります。 さらに難しい課題となるのは、異種材料を接合しようとする場合です。 レーザは（唯一ではないにしても）この作業に適したツールです。 そのような材料を溶接する際、望ましい物理的特性（例 : ニチノールの形状記憶特性）を損なってはなりません。
細いワイヤー同士を接合する場合、ゼロギャップが求められます。フィラーを使用しない場合、小さなギャップであっても信頼性の高い接合をするためには大きすぎる可能性があるため、ワイヤーを互いに正確に配置する必要があります。 したがって、レーザビームも正確に焦点を合わせる必要があります。 最初の問題は治具で解決されますが、後者の作業では自動化ビジョンシステムによるレーザ焦点位置のアライメントが必要になります。
図1 : ワイヤー溶接の構成 : 溶接の対象はチューブに固定します。 プロセスガスは、8 mmの真ちゅう製チューブから導入されます。
ExactWeld 430による溶接
直径25 µm（0.001インチ）の細いワイヤー同士を溶接するには、溶接スポットにエネルギーを正確に加えることが必要です。 小さなパルスエネルギーは、制御され再現できる方法で供給しなければなりません。 このようなレーザパルスの幅と時間的形状は重要な役割を果たします。
CoherentのExactWeld 430は、これらすべての要件を満たす、高精度レーザ溶接のターンキーソリューションです。 ワークステーションには、ファイバーレーザ光源（Coherent StarFiber）が内蔵されています。 ExactWeldの典型的なレーザ構成の場合、出力の範囲は100 Wから600 Wです。 再現性のあるパルス変調幅で、mJレベルのエネルギーを持つレーザパルスを生成できます。 レーザビームは、ガルボスキャナーまたは固定溶接オプティクスシステムにより照射されます。 ワークステーションには、プロセスガスの制御と供給のためのシステムも含まれています。 また、重要なこととして、クラス1のレーザハウジングは最新の人間工学的ガイドラインに準拠しています。
小さな寸法の部品を加工する場合、ビジョンシステムと照明が重要な役割を果たします。 適切に最適化すると、ビジョンシステムによるプロセス自動化が可能になります。たとえば、ギャップが大きすぎる場合、溶接ギャップの制御により溶接プロセスが停止します。
ワイヤーは加工前に指定の治具にセットされます。 この治具は、溶接プロセス中にワイヤーを正確に所定の位置に保つために不可欠です。 ワークステーションには、治具のロボット式部品クランプのオプションがいくつかあります。 最大4つの自由度（x、y、z、回転）をサポートします。 ユーザーフレンドリーなソフトウェアがシステムを制御します。このシステムには工場オートメーション機能（インダストリ4.0およびIoTに対応）が搭載されており、小型金属部品溶接の品質、歩留まり、スループットが向上します。 処理された部品はすべて、トレーサビリティのために記録することができます。 データには、部品番号、タイムスタンプ、特定の画像を含めることもできます。
「適切に最適化すると、ビジョンシステムによるプロセス自動化が可能になります。たとえば、ギャップが大きすぎる場合、溶接ギャップの制御により溶接プロセスが停止します」
25 μmのニチノールワイヤーとステンレスワイヤーのレーザ溶接
Coherentアプリケーションラボの最近の研究では、ExactWeld 430を使用して、ニチノールとステンレスでできた細いワイヤーの接合が行われました。 以下の複数の材料の組み合わせが選ばれました。
1）ニチノール / ニチノール
2）ステンレス316L / ステンレス316L
3）ステンレス316L / ニチノール
PTFEスリーブで保護されているライナー上に、2種類のワイヤーがコイルとして固定されました。 重要な目標は、PTFEスリーブを損傷せずにワイヤーを接合することでした。 溶接材料の直径は互いに同じで、d = 25.4 μmのワイヤーと、いくつかのより大きな直径のワイヤーでテストされました。 すべてのケースでPTFEスリーブを切断することなく、作業は正常に完了しました。
プロセスの主な詳細は次の通りです。 レーザは、焦点距離100 mmの2倍ビームエキスパンダーを使用しました。 作動距離は0.5 mmで、理論上のスポットサイズは12.5 µmでした。 直径25.4 μmの場合、溶接用のレーザ出力は、材料の組み合わせに応じて30 Wから50 Wの間で変化しました。 パルス幅は0.035～0.05 msに調整され、パルスエネルギーは溶接の場合は1 mJ、突き出たワイヤーを切断する場合は2.5 mJになりました。 すべての実験でアルゴンがプロセスガスとして使用され、流量は15 L/分、真ちゅう管の直径は8 mm、BAK 4ノズルの距離は1.4 mmでした（図2参照）。
より太いワイヤーを溶接する場合には、実際のレーザ出力は細いワイヤーを溶接する場合と同じレベルを維持したまま、パルス幅が長くされました。 ワイヤーを溶接した後、邪魔になるワイヤーの端部がより強い連続パルスで切断されました。
Figure 2: Welding of nitinol to nitinol (left) and nitinol to stainless steel welding (right).
Study results
The application trial showed that a 100 Watt StarFiber laser is sufficiently powerful to weld different wire combinations. The process window is fairly narrow for all types. It is smaller than 10 W in peak power and less than 10 µs in pulse duration. Higher values cut the wires while lower values do not connect them. The pulse shape that was used helped to make the process stable. It is essential that the wires touch and that the gaps cannot be bridged. Cutting the wires also carries the risk of welding the wire ends to the next wire. Therefore, positioning is critical.
| Peak-Power [W] | Pulse Duration [ms] | Repetition Rate [Hz] | Speed [mm/min] | Remarks |
| 30 | 0.035 | 30 | 20 | Welding |
| 40 | 0.05 | 30 | - | Cutting |
Turnkey optimized solutions
The ExactWeld workstations are factory customized by applications experts from Coherent according to the desired applications. This customization includes not only the lasers, process control, and automated handling systems but also special fixtures, if necessary. Customers thus gain tremendous value from the collective knowledge and experience of the application engineers.
In this way, ExactWeld can be optimized for a wide variety of weld types and geometries. For contact welding, minimum welding spots with diameters down to 10 µm can be realized. For seam welding, small seam geometries can be achieved at high welding speeds. Free-form welding can also be programed. Thanks to the rotary stage, seal welding can be performed with no porosities and crack-free seams to provide for leakproof welding. For all systems, worldwide local service and spare parts supply are always readily available.
"Customers thus gain tremendous value from the collective knowledge and experience of the application engineers."
"Recent practical improvements in terms of reliability, performance, and ease of use, promise to make it more economically attractive as well."
Coherent is a vertically integrated manufacturer unmatched in our ability to also offer superior products at several different levels of integration. For example, the new ExactWeld 430 combines the industry-leading ExactSeries workstation platform, already proven in many applications, with a state-of-the-art Coherent StarFiber 100 to 600 laser sub-system. For traceability, every part can be logged with part and process details.
Figure 3: The ExactWeld 430 from Coherent is a class 1 laser device for automated welding tasks.
Summary
In conclusion, one of the most challenging welding applications in medical device manufacturing – the welding of wires as thin as 25.4 µm (0.001”) from nitinol and stainless steel – has been successfully accomplished. A special material such as nitinol requires a small process window; the pulse power, duration, and temporal shape must be generated reliably and repeatably. The small dimensions also demand precise positioning of the workpiece and the focused laser. The Coherent ExactWeld 430 has already established itself in a variety of other demanding welding applications in the medical device industry. It is now proved able to deliver the best solution for this difficult wire welding task. Recent practical improvements in terms of reliability, performance, and ease of use, promise to make it more economically attractive as well.