Научная статья на тему 'Лазерная резка металлических стентов'

Лазерная резка металлических стентов Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

CC BY
294
98
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по нанотехнологиям , автор научной работы — Вейко Вадим Павлович, Алгаер Варвара Витальевна, Смирнов Валентин Николаевич

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Лазерная резка металлических стентов»

ЛАЗЕРНАЯ РЕЗКА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СТЕНТОВ В.П. Вейко, В.В. Алгаер, В.Н. Смирнов

Введение

Одним из самых распространенных заболеваний системы кровообращения является атеросклероз сосудов. В России, по самым скромным подсчетам, данным заболеванием страдает до 30 % взрослого населения. Атеросклероз - один из факторов риска развития ишемической болезни сердца, включая инфаркт миокарда, и главная причина мозгового инсульта.

Перспективным методом лечения этого заболевания является "стентирование" -установка в сосуд ажурных металлических конструкций - стентов, которые создают каркас для поддержания просвета и ограничения поврежденной поверхности артерии от потока крови.

К настоящему времени в качестве эндопротезов-стентов применяют более 60 их разновидностей. Среди них наиболее известны самораскрывающийся стент - Wаllstent, Medinventsten, стенты Palmaz-Schatz, Wiktor, Gianturco-Roubin, Cordis, Strecter, MultiLink, Jostent и др. (рис.1).

Рис. 1. Фотография трубчатого стента

Стенты бывают трубчатые и проволочные, толщина стенок трубки или проволоки колеблется от 0,015 до 0,125 мм, длина стентов достигает 9-22 мм, а диаметр в расправленном состоянии - 2,5-3,0-3,5-4,0 мм. Материал, из которого выполняется стент, чаще всего - нержавеющая сталь, нитинол, сплавы с эффектом памяти [1].

Ключевой операцией производства стентов является формирование сложной структуры методом лазерной резки [2]. Срок службы стента в первую очередь зависит от чистоты и качества лазерной резки.

Лазерная технология изготовления имеет ряд преимуществ перед другими методами прецизионной резки тонколистовых материалов: качество получаемого реза, экономия времени и возможность получения отверстий любой формы. Она широко используется в США, Германии и Японии [2].

До сих пор в России нет собственного производства стентов. Только сейчас предпринимаются попытки разработки и налаживания такого производства.

Особенности лазерной резки стентов

Сфокусированное лазерное излучение, обеспечивая высокую концентрацию энергии, позволяет резать практически любые металлы и сплавы независимо от их механических и теплофизических свойств. При этом можно получать узкие резы с

минимальной зоной термического влияния. Возникающие при лазерной резке деформации минимальны. Вследствие этого ее можно осуществлять с высокой степенью точности, что необходимо при изготовлении таких тонких металлических структур, как стенты. Сравнительно простое управление лазерным излучением позволяет осуществить лазерную резку по сложному контуру плоских и объемных заготовок с высокой степенью автоматизации процесса [3].

При формировании тонкого узора методом лазерной резки на трубке заготовки к качеству предъявляются жесткие требования, так как минимальные шероховатости -следы жидкой фазы, капли, грат, окисление зоны обработки и др., показанные на рис. 2, приводят к заметному снижению срока службы стентов и необходимости повторных операций.

Целью проводимых нами исследований и экспериментов является отработка технологии лазерной резки стентов на основе отечественного оборудования и материалов.

Эксперименты проводились на установке с УЛО:Кё лазером, работающим в режиме свободной генерации с длительностью импульса 0,3 мс. В ходе исследований были отработаны основные режимы прецизионной резки и изготовлены экспериментальные стенты диаметром 2,5 и 3 мм. Исследовалась зависимость качества реза от скорости обработки и особенностей программирования перемещения координатного стола.

Рис. 2. Фото сечения реза

Для определения зависимости качества от скорости сканирования изучались резы, полученные на различных скоростях (50- 500 мм/мин) на пластине нержавеющей стали (толщина 0,15 мм). Измерения производились со стороны входа и выхода лазерного луча. Скорость, при которой размеры реза совпадают с обеих сторон (рис. 3, а - форма реза цилиндрическая) является оптимальной для прецизионной лазерной резки.

а

б

Рис. 3. Цилиндрическая (а) и коническая (в) форма полученного сечения реза: а - скорость 100 -120 мм/мин, в - скорость > 120 мм/мин

График зависимости ширины реза от скорости резки представлен на рис. 4. ^ 0,16

га 0,14

со си

О- 0,12 га

I 0,1

з 0,08

-•— Рвх -■— Рвых

100 200 300 400 скорость, мм/мин

500

Рис. 4. Зависимость ширины реза от скорости обработки

Из графика видно, что оптимальное соответствие размера отверстия на входе и выходе луча достигается при скоростях 100-120 мм/мин. При больших значениях отверстие приобретает коническую форму, на поверхности появляется грат, следовательно, качество падает

По результатам эксперимента определены пороговые значения скоростей, при которых возникают такие дефекты, как появление грата, снижение качества реза, увеличения количества жидкой фазы и др. (табл. 1).

Таблица 1. Пороговые значения скоростей, при которых возникают основные недостатки лазерной прецизионной резки

0

№ Дефекты Порог. знач. скоростей, мм/мин

1 Появление грата на поверхности 150-200

2 Заметное снижение качества реза 200-220

3 Значительное увеличение количества расплава 270-300

4 Рез состоит из череды отверстий 300-320

5 Частичное прорезание 320-370

6 Перфорация поверхности 400-420

Существенной проблемой при проведении экспериментов было программирование процесса. Так как структура стента очень тонкая, необходимо учитывать последовательность обхода контуров. В противном случае элементы стента могут прогорать и деформироваться.

Как показали исследования, основным, лимитирующим качество лазерной резки фактором, является образование жидкой фазы, ее неполное удаление из отверстия и перемещение под действием сил поверхностного натяжения после окончания лазерного воздействия, что можно увидеть на фотографии поперечного сечения реза (рис. 2).

Основные характеристики качества лазерного реза: т - переплавленные остатки, ^

- бороздки, Агп - размер зоны термовлияния, Я - радиус закругления реза с фронтальной стороны, Яг - неровность реза, Ъ/ и ЪЪ - ширина реза с обратной (ЪЪ) и с фронтальной (Ъ/) сторон, в - угол наклона реза и бороздок (разрез (а) и полный (в) вид)

- указаны на рис. 5. Большинство приведенных недостатков связаны с образованием жидкой фазы на поверхности материала при лазерной резке. Перераспределение жидкой фазы до кристаллизации играет существенную роль в формировании отверстия при обработке материалов импульсами вплоть до наносекундной длительности. В результате к моменту затвердевания расплава форма отверстия может существенно отличаться от той, которая к окончанию лазерного импульса определяется геометрией луча, кинетикой испарения и гидродинамикой выброса материала в жидкой фазе.

Основные причины появления расплава - это:

• собственно расплавление материала, в том числе под поверхностью испарения в зоне, размер которой гпл приблизительно можно оценить как Гпл^ат (а -температуропроводность материала);

• уменьшение плотности потока на дне отверстия по мере роста его глубины из-за дефокусировки пучка;

• медленное снижение мощности излучения к концу лазерного импульса;

• чрезмерная длительность воздействия т; чем дольше т, тем больше размер расплавленной зоны, тем сильнее увеличивается диаметр отверстия (или ширина реза), одновременно растут размеры зон окисления, структурных изменений и т.д.

• нерезкость края светового пятна на поверхности при дифракционном или гауссовом распределении энергии в нем.

8;

Рис. 5. Характеристики качества лазерного реза

Основной фактор, способствующий удалению расплава - это давление отдачи паров pn~Fn / S« р h w/т, где Fn - импульс отдачи паров, w - скорость вылета паров (Ы км/с), р -плотность материала. При h « 1 мкм и т « 10-9 срп может достигать тысяч атмосфер и более.

Методы повышения качества

Для повышения качества прецизионной лазерной резки стентов необходимо учесть следующее.

1. По энергетическим затратам импульсные лазеры предпочтительнее, что можно видеть из сравнения мощностей работы лазера в непрерывном и импульсно-периодическом режимах, обеспечивающих достижение одной и той же температуры материала [4].

2. Длительность импульса/воздействия, влияет на пороговую энергию испарения Жи=кТи/2Л ylп/а 4т, количество образующегося расплава хпл ~ 4ат , реактивное

давление отдачи паров рп ~ w / т, термомеханическое напряжение атм ~ -Jr, эффект экранирования поверхности эрозионной плазмой ~т, нестабильность размеров облученной зоны ~Vr, стабильность порога испарения, зависящего от размеров зоны ~Vr. Чем короче длительность импульса, тем благоприятнее условия для лазерной микрообработки.

3. Мощность лазера должна обеспечить плотность мощности на поверхности, достаточную для удаления материала и следов расплава, т.е. между порогами испарения и поглощения в плазме.

4. Длина волны должна лежать в области сильного поглощения: чем больше коэффициент поглощения, тем более управляемым и менее "травмирующим" является процесс воздействия.

5. Частота следования импульсов напрямую влияет на производительность процесса микрообработки, выбор технологической операции и, при больших частотах и малых скоростях сканирования, на порог экранировки.

6. Необходимо учесть требования к оптическим системам, которые должны обеспечить оптимальную пространственную форму пучка - поперечное и продольное распределение интенсивности в зоне обработки.

Выводы

Оптимальным диапазоном скоростей для изготовления стентов в режиме свободной генерации при длительности импульса 0,3 мс является 100-120 мм/мин. Этот диапазон позволяет получать отверстия с минимальным количеством жидкой фазы, грата на поверхности и хорошим качеством реза.

При программировании перемещения координатного стола необходимо учитывать порядок обхода контуров "узора" стента.

Для дальнейшего улучшения качества лазерной обработки необходимо уменьшать длительность импульса.

Литература

1. Kathuria Y.P. Laser Microprocessing of Stent for Medical Therapy // Intern. Symp. On Micromechatronics and Human Science. 1998. P.11-114.

2. Kathuria Y.P. laser Precision Processing in Microtechnology// Proceedings of the 30th International CIRP Seminar on Manufacturing Systems - LANE'97. 1997 P.267 - 272.

3. Вейко В.П. Лазерные технологии в микроэлектронике. Изд. Болгарской Академии Наук. 1991. С. 205-222.

4. Вейко В.П. Лазерная микрообработка // Изв. вузов. Приборостроение. 2001. Т. 44. № 6. С. 5-15.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.