ホワイトペーパー

外科用ハイポットチューブのレーザー切断

概要

ハイポチューブは、現代の医療現場で広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でのレーザー加工は、この繊細な医療用品を、求められる精度、歩留まり、スループットで製造するために不可欠な手法となっています。用途に最適化されたソフトウェアにより、加工プロセスは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（ガイドワイヤーとも呼ばれます）は、こうした医療処置の多くで使用される重要な医療機器です。このハイポチューブは、人間の血管内に収まるよう、小型で柔軟である必要があります。また、器具の操作や薬剤の送達を可能にするため、中空である必要があります。

ハイポチューブは、数多く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、多岐にわたります。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性を保ち、ねじれや押し込み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。断続的なスパイラルパターンも、その実現方法の一つです。切り込みの長さと間隔が、チューブの残留剛性を決定します。手術中にハイポチューブが正しく機能するためには、カットの精度が重要です。

「手術中にハイポチューブが正常に機能するためには、切断の精度が重要です。」

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ー技術を用いて加工されます。レーザーシステムは、金属管の壁面に対してマーキング、切断、穴あけなどのさまざまな加工を行う必要があります。現在、これらの加工には中出力のファイバーレーザー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、レーザー加工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ーではなく、フェムト秒レーザー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）レーザーは、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、材料が気化する際に熱の影響を受ける領域が最小限に抑えられます。そのため、USPレーザーは、加工後の水洗いで十分に対応できるほど、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レーザーは非常に正確ですが、ファイバーレーザーよりもやや処理速度が遅くなります。

Coherent 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、ファイバーレーザーとフェムト秒レーザーの両方を搭載したStarCut Tube Hybridを使用しました。ファイバーレーザーやフェムト秒レーザーを搭載した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、いわゆるスキ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つの黒いリングが刻印されています。これら3つの工程は、すべてCoherent Monacoフェムト秒レーザーを用いて行われました。

「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。」

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、いわゆるスキ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つの黒いリングが刻印されています。これら3つの工程はすべて、Coherent Monacoフェムト秒レーザーを用いて行われました。

図1:Coherent 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、チューブの壁面に、長く途切れた螺旋状の切り込みを入れました。この加工工程では、このハイブリッドワークステーションの2番目のレーザー光源である、中出力のCoherentPowerLine に切り替えました。この螺旋パターンは、チューブを高速で移動させながら「オン・ザ・フライ」でカットされました。加工中、レーザー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、ファイバーレーザー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、途切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で、ハイポチューブの長い部分の加工を非常に短時間で実施することができます。このサンプルのサイクルタイムは、わずか35秒でした。

図2：Coherent社のファイバーレーザー「PowerLine FL 」は、20 μm以下のスリット幅で、レンガ模様（左）または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。

レーザー切断用の使いやすいソフトウェア

Coherent 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までの医療用製品を容易に処理できるよう開発されました。ソフトウェア「Cagila」は、加工ルーチンを簡単にプログラミングできるよう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、ストロボ機能などの追加機能を搭載しています。チューブ切断工程における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あり、透過遅延なしに「オンザフライ」でレーザー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。これにより、レーザーのオン/オフコマンドの遅延やジッターを最小限に抑えることができます。スパイラルやレンガ状のジオメトリは、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手前で回転させるなど、後処理機能を搭載することも可能です。

図3:制御ソフトウェアの「Strobe Geometry Generator」を使用すれば、らせん状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あり、遅延なく「オンザフライ」でレーザーをトリガーすることができます。」

図4：Coherent Tube SLは、市場最小クラスの設置面積（2,200 mm×760 mm）に、ファイバーレーザーまたはフェムト秒レーザーのいずれかを搭載可能です。完全自動処理を実現するため、複数の供給・排出モジュールが用意されています。

「...フェムト秒レーザー処理によって生成されるエッジの品質は非常に優れているため、電解研磨などの後処理が不要な場合がよくあります。」

小さな接地面積で自動処理を実現

医療機器は、多くの場合、高額なクリーンルームで製造されます。Coherent Tube SLは、この種のレーザー装置としては最小の設置面積を誇り、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、ファイバーレーザー、フェムト秒レーザー、あるいはその両方を搭載可能です。複数のフィーダーおよびアンローダーモジュールを追加することで、完全な自動化ソリューションを実現できます。例えば、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的に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ており、完全自動のハンドオフ生産を実現できます。

StarCut Tubeには、パルス幅を10～50マイクロ秒の範囲で調整可能なCoherentPowerLine 、パルス幅350フェムト秒Coherent レーザーCoherent 採用されています。ファイバーレーザーは、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、極めて薄いまたは繊細な部品の切断に最適なツールです。

レーザー加工精度は±5μm以上です。「実際、フェムト秒レーザー加工によって得ら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が不要な場合が多くあります。チューブ状（直径30mmまで）および平板状の基板の両方に対応しており、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。

使いやすさと高速処理に最適化されたソフトウェアです。オペレーターの熟練度に応じて、異なるアクセス権を設定できます。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、同じジョブにおいて2つのレーザーを切り替えて加工することができます。また、完全な自動処理を実現するため、専用のモジュールにより、問題発生時やジョブ完了時にオペレーターへ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 Tubeは、最大限の加工自由度を確保しつつ、設置面積を最小限に抑えています。汎用性の高いソフトウェアと、異なるレーザー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搬出オプションを備え、医療機器部品の大小さまざまなロットの自動生産向け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、その豊富な知見をもとに、さまざまな方法でお客様をサポートいたします。例えば、試験やプロセス開発のためのサンプルをご依頼いただけます。また、あらゆるレベルのオペレーターを対象とした定期的なトレーニングを通じて、ノウハウの共有を図っています。