폴리머 소재 가공은 의료 기기 제조업체에게 고유한 과제를 안겨줍니다. 열에 민감한 재료의 화학적 및 기계적 무결성을 유지하면서 뛰어난 정밀도로 성형 기능을 구현해야 합니다.
레이저는 이미 의료 기기 생산에서 다양한 폴리머 용접, 절단, 드릴링, 마킹 및 표면 텍스처링 작업에 필수적인 도구로 자리 잡았습니다. 레이저는 기계적 변형을 방지하는 비접촉 가공과 미크론 수준의 정밀도로 재료를 제거하는 기능 등 폴리머 미세 가공에 다양한 이점을 제공합니다.
(A) 나노초 레이저로 가공한 폴리카보네이트 블라인드 디스크의 가장자리가 과도하게 녹아 있는 모습.
(B) 초고속 레이저로 가공한 폴리카보네이트 블라인드 디스크의 가장자리가 거의 녹지 않는 모습.
폴리머 가공에 가장 일반적으로 사용되는 두 가지 기술은 나노초 펄스 레이저와 초고속 펄스 레이저(초단파 레이저라고도 함)입니다. 초고속 레이저는 탁월한 품질을 제공하지만 비용이 높고 처리 속도가 느린 단점이 있습니다.
이와 대조적으로 나노초 레이저는 더 경제적인 가격으로 더 빠른 처리 속도를 제공합니다. 하지만 더 큰 열 영향 영역(HAZ)을 생성하는 경향이 있으며 동일한 수준의 정밀도를 달성하는 데 어려움을 겪습니다.
즉, 제조업체는 특정 폴리머 가공 작업의 품질, 처리량 및 비용 효율성을 극대화하기 위해 적합한 레이저를 선택해야 합니다. 여기서는 그 방법을 알아보겠습니다.
폴리머 처리 과제
폴리머는 바람직한 기계적 특성, 내화학성 및 생체 적합성을 모두 갖추고 있으며 - 그리고 비용 효율성이 매우 높기 때문입니다. 또한 물리적 특성을 특정 용도에 맞게 최적화하도록 설계할 수 있습니다.
그러나 이러한 특성은 고정밀 제작을 복잡하게 만듭니다. 다음은 의료 기기에 가장 널리 사용되는 폴리머의 몇 가지 문제입니다.
PEEK 및 PTFE(테프론): 이러한 소재는 내화학성과 열 안정성이 뛰어나지만 깨끗하게 가공하기는 어렵습니다. 특히 PTFE는 불활성 및 푸에 흡수로 인해 대부분의 레이저 파장에 저항합니다.
폴리에틸렌 및 폴리우레탄: 폴리에틸렌과 폴리우레탄은 열에 민감하여 장시간 레이저 에너지에 노출되면 녹거나 탄화되거나 변형될 수 있습니다.
Pebax®: 유연한 튜브에 광범위하게 사용되는 Pebax® 및 이와 같은 소재는 열에 취약하여 늘어나거나 뒤틀리고 미세 가공 작업을 복잡하게 만들 수 있습니다.
Kapton®(폴리이미드): Kapton® 및 기타 폴리이미드는 다층/연성 회로에 유용합니다. 레이저 커팅을 사용하여 버가 없는 가장자리를 만들어 박리 또는 유전체 손상을 방지할 수 있지만, 접착식 인터레이어는 탄화 위험을 높입니다.
폴리머에 관계없이 레이저 가공의 주요 관심사는 열 영향 영역(HAZ)을 최소화하고, 파편과 연기를 피하며, 안정적인 장치 성능을 위해 깨끗한 가장자리를 보장하는 것입니다.
레이저-폴리머 상호작용
결과를 최적화하기 위한 핵심은 레이저 파라미터를 재료 특성에 맞추는 것입니다. 그리고 이러한 특성은 재료에 따라 매우 다양합니다.
첫 번째 단계는 레이저가 이러한 재료와 상호 작용하는 방식에 대한 기본 물리학을 이해하는 것입니다. 레이저와 재료의 상호작용은 크게 출력, 펄스 지속 시간, 파장 및 재료 흡수 특성에 의해 정의됩니다. 이러한 상호작용은 폴리머의 경우 금속, 반도체 또는 세라믹과 크게 다릅니다.
나노초(10억분의 1초) 펄스 지속 시간을 가진 레이저는 열이 주변 물질로 확산될 수 있을 만큼 충분히 긴 시간 동안 에너지를 전달합니다. 금속은 자유 전자를 통해 손상 없이 열을 쉽게 전도하고 발산할 수 있기 때문에 이러한 방식이 적합합니다.
그러나 폴리머는 이러한 자유 전자가 부족하고 열 전도성이 좋지 않습니다. 장시간 열을 가하면 성능이 저하되거나 녹거나 변색되는 경향이 있습니다. 결과적으로 나노초 펄스는 가장자리에서 용융 및 리플로우를 일으켜 버, 파편 및 더 넓은 HAZ를 초래할 수 있습니다.
초고속 레이저는 피코초(1조분의 1초) 또는 펨토초(4조분의 1초) 범위에서 측정되는 지속 시간의 펄스를 생성합니다. 펄스의 에너지는 매우 빠르게 도입되어 열이 부품으로 전달되기 전에 재료가 이온화되어 방출됩니다. 이 과정을 "콜드 어블레이션"이라고 합니다.
초고속 레이저는 재료를 녹이는 대신 기화하거나 광분해하기 때문에 열에 의한 영향을 크게 줄여줍니다. 그 결과 가장자리가 깨끗하고 오염이 최소화되는 고정밀 피처를 얻을 수 있습니다.
적합한 레이저 선택
특정 애플리케이션에 적합한 레이저 기술을 선택하는 것은 품질, 속도, 비용 간의 균형입니다. 나노초 레이저는 처리량을 극대화하고 장비 비용을 최소화하고자 하는 제조업체에서 기본으로 선택하는 경우가 많습니다. 이 레이저는 더 많은 열을 발생시키기 때문에 폴리에틸렌이나 폴리우레탄과 같이 열에 덜 민감한 폴리머에 더 적합합니다.
나노초 레이저는 사소한 가장자리 결함이나 약간의 HAZ가 기기 성능에 영향을 미치지 않는 기본적인 마킹이나 절단과 같은 작업에도 적합합니다. 빠르고 경제적으로 처리할 수 있기 때문에 속도와 비용 효율성이 미크론 수준의 정밀도보다 더 중요한 작업에 적합합니다.
초고속 레이저는 정밀도와 최소한의 HAZ가 핵심입니다. 특히 PEEK, 테프론, PEBAX와 같은 섬세한 폴리머에 유용합니다. 이러한 폴리머는 열 에너지에 노출되면 변형되거나 오염되기 쉽습니다. 초고속 레이저는 이러한 재료에 HAZ가 거의 없고 파편을 최소화하면서 깨끗하고 날카로운 모서리를 생성하여 후처리의 필요성을 줄이거나 없앱니다.
하지만 초고속 레이저의 장점에는 대가가 따릅니다. 이러한 도구는 더 비싸고 일반적으로 처리량이 낮습니다. 따라서 대량 생산 환경에서는 활용성이 제한될 수 있습니다. 또한 이러한 장단점은 일반적으로 펄스 지속 시간이 감소함에 따라 더욱 커지는데, 피코초 레이저는 일반적으로 펨토초 레이저보다 생산성과 경제성이 더 높습니다.
따라서 폴리머 의료 기기의 레이저 가공을 최적화하는 데 있어 핵심은 일반적으로 응용 분야 품질 요구 사항을 충족하는 가장 긴 펄스 지속 시간을 선택하는 데 있습니다. 간단한 피처와 내열성 소재의 경우 나노초 레이저로 충분하고 훨씬 더 경제적일 수 있습니다. 그러나 고정밀 피처, 까다로운 형상 또는 열에 민감한 재료를 다루는 경우 초고속 레이저는 필수 불가결한 경우가 많습니다.
제조업체는 동일한 제품이나 생산 라인 내에서도 하이브리드 방식을 사용하는 것이 일반적입니다. 여기에는 덜 민감한 작업에는 나노초(또는 연속파) 레이저를 사용하고 더 중요한 기능에는 초고속 레이저를 예약하는 것이 포함됩니다. 이러한 전략을 통해 가장 중요한 부분의 제품 품질이 저하되지 않으면서도 전체 워크플로에서 비용과 생산 효율성을 유지할 수 있습니다.
일반적인 폴리머 의료 기기 응용 분야
현재 의료 기기 제조업체는 광범위한 중요 폴리머 응용 분야에 레이저를 사용하고 있습니다. 예를 들어, 초고속 레이저는 다중 루멘 카테터 튜브에 정밀한 구멍을 뚫거나 진단 플랫폼에 미세 유체 채널을 형성하는 데 가장 적합한 선택입니다. 이러한 응용 분야에서는 미크론 수준의 정확성과 열 청결도가 필수입니다. 또한 초고속 레이저의 저온 절제 공정은 작은 형상과 매끄러운 모서리가 필수적인 혈관 또는 신경 응용 분야에 사용되는 장치에 이상적입니다.
나노초 레이저는 카테터 샤프트와 같은 부품을 절단하거나 트리밍하는 데 자주 사용됩니다. 이 경우 어느 정도의 열 효과는 견딜 수 있으며 속도가 매우 중요합니다. 또한 마킹에도 널리 사용됩니다. 여기에는 중요하지 않은 플라스틱 하우징에 간단한 부품 ID, 배치 코드 또는 로고가 포함됩니다.
UDI 마킹은 레이저가 다른 기술에 비해 이점을 제공하는 주요 응용 분야입니다. 현재 UV 나노초 레이저는 UDI 마킹을 위한 업계의 주력 제품입니다. 비교적 짧은 UV 파장은 플라스틱에 쉽게 흡수되어 열 스트레스를 최소화하면서 선명하고 대비가 높은 마킹을 생성합니다. 따라서 영구성, 가독성 및 처리 속도가 이상적인 균형을 이룹니다.
표면 무결성이 가장 중요한 고부가가치 애플리케이션의 UDI 마킹을 위해 제조업체는 초고속 레이저를 점점 더 많이 사용하고 있습니다. "저온" 제거를 수행할 수 있는 레이저는 여러 번의 멸균 주기를 견디고 파편이나 손상 없이 스캔 가능한 마킹을 생성합니다.
접착 결합 또는 코팅 접착을 위한 표면 준비는 초고속 레이저와 나노초 레이저가 모두 유용하게 사용되는 또 다른 영역입니다. 대면적 텍스처링의 경우 나노초 레이저로도 충분할 수 있습니다. 그러나 섬세하거나 미세하게 조정된 표면의 경우 초고속은 재료 손상 없이 균일한 결과를 제공하므로 탁월한 성능을 발휘합니다.
레이저 솔루션 시작하기
폴리머는 많은 혁신적인 의료 기기의 근간이지만 높은 기준에 맞게 가공하는 것은 쉬운 일이 아닙니다. 레이저 기술 - 는 애플리케이션에 올바르게 매칭될 때 정밀도, 반복성, 청결성의 이상적인 조합을 제공합니다. 레이저와 재료 간 상호 작용의 미묘한 차이를 이해하고 나노초 레이저와 초고속 레이저를 전략적으로 배치함으로써 제조업체는 점점 더 비용에 민감한 산업에서 경쟁력을 유지하면서 높아지는 품질 기대치를 충족할 수 있습니다.
폴리머 의료 기기의 용접, 절단, 드릴링, 마킹 또는 텍스처링을 위한 레이저 솔루션을 찾고 계신가요? 시작 방법은 간단합니다. 샘플을 보내거나 글로벌 응용 연구소를 방문하거나 응용 분야에 대해 알려주시기만 하면 됩니다.
