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Heutzutage wird nahezu das gesamte Präzisionslaserschneiden von Metallen und Nichtmetallen mit Maschinen durchgeführt, die mit Faserlasern oder Ultrakurzpulslasern (USP-Lasern) – oder mitunter mit beiden – ausgestattet sind. In diesem Artikel erläutern wir die jeweiligen Vorteile der beiden Lasertypen und zeigen, wie die Hersteller diese einsetzen. NPX Medical (Plymouth, Minnesota) ist ein Auftragsfertiger, der verschiedene Medizinprodukte und Implantationswerkzeuge wie Stents, Implantate und flexible Schläuche mit Maschinen herstellt, die Faserlaser integrieren. Motion Dynamics fertigt Baugruppen, beispielsweise Zugdrahtsysteme, die hauptsächlich in der Neurologie verwendet werden. Die Maschinen des Unternehmens sind mit einem USP-Femtosekundenlaser und einem der neuesten Hybridsysteme ausgestattet, das Femtosekunden- und Faserlaser kombiniert und so maximale Flexibilität und Vielseitigkeit ermöglicht.
Viele Jahre lang wurde die Lasermikrobearbeitung größtenteils mit Festkörper-Nanosekundenlasern, sogenannten DPSS-Lasern, durchgeführt. Dank der Entwicklung zweier völlig unterschiedlicher und daher komplementärer Lasertypen hat sich dies jedoch grundlegend geändert. Faserlaser, ursprünglich für die Telekommunikation entwickelt, haben sich in vielen Branchen, oft im Nahinfrarotbereich, zu unverzichtbaren Materialbearbeitungslasern entwickelt. Ihr Erfolg beruht auf ihrer einfachen Architektur und der unkomplizierten Skalierbarkeit ihrer Leistung. Dadurch sind die Laser kompakt, äußerst zuverlässig, leicht in Spezialmaschinen zu integrieren und bieten in der Regel geringere Betriebskosten als ältere Lasertypen. Besonders wichtig für die Mikrobearbeitung: Der Ausgangsstrahl lässt sich auf einen kleinen, sauberen Punkt mit nur wenigen Mikrometern Durchmesser fokussieren. Daher eignen sie sich ideal für hochauflösendes Schneiden, Schweißen und Bohren. Ihre Leistung ist zudem sehr flexibel und steuerbar, mit Pulsraten von Einzelpulsen bis zu 170 kHz. Zusammen mit der skalierbaren Leistung ermöglicht dies schnelles Schneiden und Bohren.
Ein potenzieller Nachteil von Faserlasern in der Mikrobearbeitung ist die Bearbeitung kleiner Strukturen und/oder dünner, empfindlicher Teile. Lange Pulsdauern (z. B. 50 µs) führen zu einer geringen Wärmeeinflusszone (WEZ) mit umgeschmolzenem Material und geringer Kantenrauheit, die eine Nachbearbeitung erforderlich machen kann. Glücklicherweise eliminieren neuere Laser – Ultrakurzpulslaser (USP-Laser) mit Femtosekunden-Ausgangspulsen – das WEZ-Problem.
Bei USP-Lasern wird der Großteil der beim Schneid- oder Bohrprozess entstehenden zusätzlichen Wärme durch den ausgestoßenen Späneabfluss abgeführt, bevor sie sich im umgebenden Material ausbreiten kann. USP-Laser mit Pikosekunden-Ausgangsleistung werden seit Langem in der Mikrobearbeitung von Kunststoffen, Halbleitern, Keramik und bestimmten Metallen eingesetzt (Pikosekunden = 10⁻¹² Sekunden). Bei Metallbauteilen mit Säulen von der Größe eines menschlichen Haares führen die hohe Wärmeleitfähigkeit und die geringe Größe des Metalls jedoch dazu, dass Pikosekundenlaser nicht immer die besseren Ergebnisse liefern, die die höheren Kosten früherer USP-Laser rechtfertigen würden. Dies hat sich mit dem Aufkommen von Femtosekundenlasern in Industriequalität (Femtosekunden = 10⁻¹⁵ Sekunden) geändert. Ein Beispiel hierfür ist die Monaco-Laserserie von Coherent Inc. Wie Faserlaser emittieren sie Nahinfrarotlicht, wodurch sie alle in medizinischen Geräten verwendeten Metalle schneiden oder bohren können, darunter Edelstahl, Platin, Gold, Magnesium, Kobalt-Chrom, Titan und weitere. Nichtmetalle. Während die Kombination aus kurzer Impulsdauer und niedriger Impulsenergie thermische Schäden (WEZ) verhindert, gewährleistet die hohe Wiederholrate (MHz) kosteneffiziente Durchsatzgeschwindigkeiten für viele hochwertige medizinische Geräte.
Natürlich benötigt in unserer Branche fast niemand nur einen einzelnen Laser. Stattdessen wird eine laserbasierte Maschine benötigt, und es gibt mittlerweile viele spezialisierte Maschinen, die für das Schneiden und Bohren von Medizinprodukten optimiert sind. Ein Beispiel hierfür ist die StarCut Tube-Serie von Coherent, die mit Faserlasern, Femtosekundenlasern oder als Hybridversion mit beiden Lasertypen eingesetzt werden kann.
Was bedeutet Spezialisierung bei Medizinprodukten? Die meisten dieser Geräte werden in Kleinserien nach kundenspezifischen Vorgaben gefertigt. Daher sind Flexibilität und Benutzerfreundlichkeit entscheidende Faktoren. Während viele Geräte aus Rohlingen hergestellt werden, müssen einige Komponenten präzisionsbearbeitet werden; dieselbe Maschine muss beides bewältigen, um ihren Nutzen zu maximieren. Diese Anforderungen werden üblicherweise durch eine mehrachsige CNC-gesteuerte Bewegung (XYZ und Drehachse) und eine benutzerfreundliche HMI für einfache Programmierung und Steuerung erfüllt. Im Fall von StarCut Tube ist ein neues Rohrlademodul mit einem seitlichen Magazin (StarFeed) für Rohre bis zu 3 m Länge und einem Sortierer für zugeschnittene Produkte erhältlich, was eine vollautomatische Produktion ermöglicht.
Die Prozessflexibilität dieser Maschinen wird durch die Unterstützung von Nass- und Trockenschneiden sowie durch einfach verstellbare Zufuhrdüsen für Prozesse mit Hilfsgas weiter erhöht. Die räumliche Auflösung ist insbesondere bei der Bearbeitung kleinster Teile von Bedeutung. Daher eliminiert die thermomechanische Stabilität die in Werkstätten häufig auftretenden Vibrationen. Die StarCut Tube-Baureihe erfüllt diese Anforderung durch den kompletten Schneidtisch aus zahlreichen Granitelementen.
NPX Medical ist ein relativ junges Auftragsfertigungsunternehmen, das Design-, Entwicklungs- und Präzisionslaserschneiddienstleistungen für Medizintechnikhersteller anbietet. Das 2019 gegründete Unternehmen hat sich in der Branche einen Namen für Qualitätsprodukte und schnelle Reaktionszeiten gemacht und unterstützt eine breite Palette von Medizinprodukten, darunter Stents, Implantate, Herzklappenstents und flexible Applikationsschläuche für diverse chirurgische Eingriffe, darunter neurovaskuläre, kardiale, renale, Wirbelsäulen-, orthopädische, gynäkologische und gastrointestinale Operationen. Der Hauptlaserschneider ist der StarCut Tube 2+2 mit einem StarFiber 320FC und einer durchschnittlichen Leistung von 200 Watt. Mike Brenzel, einer der Gründer von NPX, erklärte: „Die Gründer verfügen über jahrelange Erfahrung in der Entwicklung und Herstellung von Medizinprodukten – insgesamt über 90 Jahre.“ Sie haben bereits Erfahrung mit StarCut-ähnlichen Maschinen, die Faserlaser verwenden. „Ein Großteil unserer Arbeit umfasst das Schneiden von Nitinol, und wir wissen bereits, dass Faserlaser die benötigte Geschwindigkeit und Qualität liefern können. Für Medizinprodukte wie dickwandige Schläuche und Herzklappen benötigen wir …“ Die Geschwindigkeit des USP-Lasers könnte für unsere Anforderungen zu langsam sein. Neben Großserien – wir sind auf Kleinserien von 5 bis 150 Stück spezialisiert – ist es unser Ziel, diese Kleinserien innerhalb weniger Tage abzuwickeln. Dies umfasst Design, Programmierung, Schneiden, Formen, Nachbearbeitung und Qualitätskontrolle. Im Vergleich dazu dauert es bei größeren Unternehmen Wochen, bis ein Auftrag eingeht.“ Neben der Geschwindigkeit hob Brenzel die Zuverlässigkeit der Maschine als großen Vorteil hervor. In den letzten 18 Monaten nahezu ununterbrochenen Betriebs war kein einziger Serviceeinsatz erforderlich.
Abbildung 2. NPX bietet verschiedene Nachbearbeitungsoptionen. Das hier gezeigte Material ist Edelstahl T316 mit einem Außendurchmesser von 5 mm und einer Wandstärke von 0,254 mm. Der linke Teil ist geschnitten/mikrogestrahlt, der rechte Teil ist elektropoliert.
Neben Nitinol-Teilen verarbeitet das Unternehmen auch Kobalt-Chrom-Legierungen, Tantal-Legierungen, Titan-Legierungen und viele Arten von medizinischen Edelstählen. Jeff Hansen, Leiter der Laserbearbeitung, erklärt: „Die Flexibilität unserer Maschinen ist ein weiterer wichtiger Vorteil. Sie ermöglicht uns das Schneiden unterschiedlichster Materialien, darunter Rohre und Flachmaterialien. Wir können den Laserstrahl auf einen 20-Mikrometer-Spot fokussieren, was besonders bei dünnen Rohren von Vorteil ist. Einige dieser Rohre haben einen Innendurchmesser von nur 0,3 mm (0,012 Zoll). Das hohe Verhältnis von Spitzenleistung zu Durchschnittsleistung der neuesten Faserlaser maximiert unsere Schnittgeschwindigkeit bei gleichzeitig hoher Schnittqualität. Wir benötigen diese Geschwindigkeit unbedingt auch für größere Produkte mit einem Außendurchmesser von bis zu 25,4 mm (1 Zoll).“
Neben Präzisionsschneiden und schneller Reaktionszeit bietet NPX auch ein umfassendes Spektrum an Nachbearbeitungstechnologien sowie Designleistungen, die auf langjähriger Branchenerfahrung basieren. Zu diesen Techniken gehören Elektropolieren, Sandstrahlen, Beizen, Laserschweißen, Wärmebehandlung, Umformen, Passivieren, Af-Temperaturprüfung und Dauerfestigkeitsprüfung – allesamt Schlüsselprozesse für die Fertigung von Nitinol-Bauteilen. Brenzel erklärte zur Nachbearbeitung und Kantenbearbeitung: „Es kommt in der Regel darauf an, ob es sich um eine Anwendung mit hoher oder niedriger Ermüdungsbelastung handelt. Beispielsweise kann sich ein Bauteil mit hoher Ermüdungsbelastung wie eine Herzklappe im Laufe seiner Lebensdauer eine Milliarde Mal biegen. Daher ist es wichtig, zunächst die Kanten durch Sandstrahlen zu verrunden. Bauteile mit niedriger Ermüdungsbelastung wie Applikationssysteme oder Führungsdrähte benötigen hingegen oft keine aufwendige Nachbearbeitung.“ Brenzel erklärt, dass mittlerweile drei Viertel der Kunden die Design-Services von NPX nutzen, um die Unterstützung und Expertise des Unternehmens bei der FDA-Zulassung in Anspruch zu nehmen. NPX ist sehr gut darin, aus einer ersten Skizze innerhalb kürzester Zeit ein marktreifes Produkt zu entwickeln.
Motion Dynamics (Fruitport, MI) ist ein Hersteller von kundenspezifischen Miniaturfedern, medizinischen Spulen und Drahtbaugruppen. Das Unternehmen hat es sich zur Aufgabe gemacht, Kundenprobleme – egal wie komplex oder scheinbar unmöglich – in kürzester Zeit zu lösen. Im Bereich der Medizintechnik liegt der Schwerpunkt auf komplexen Baugruppen für die neurovaskuläre Chirurgie, einschließlich der Entwicklung, Produktion und Montage hochwertiger Drahtbaugruppen für Anwendungen wie steuerbare Katheter, einschließlich Zugdrahtbaugruppen.
Wie bereits erwähnt, hängt die Wahl zwischen Faser- und Ultraschalllaser von den technischen Präferenzen sowie den unterstützten Anlagen und Prozessen ab. Chris Witham, Präsident von Motion Dynamics, erklärte: „Unser Geschäftsmodell ist stark auf neurovaskuläre Produkte ausgerichtet. Dadurch können wir in Design, Ausführung und Service differenzierte Ergebnisse liefern. Wir verwenden Laserschneiden ausschließlich für die Eigenproduktion der Komponenten, die wir verwenden. Für die Herstellung der hochwertigen, anspruchsvollen Komponenten, die zu unserer Spezialität und unserem Ruf geworden sind, nutzen wir Laserschneiden nicht als Auftragsarbeit. Wir haben festgestellt, dass die meisten Laserschnitte mit Ultraschalllasern am besten gelingen, und ich selbst verwende seit vielen Jahren eine StarCut-Röhre mit einem dieser Laser. Aufgrund der hohen Nachfrage nach unseren Produkten arbeiten wir in zwei 8-Stunden-Schichten pro Tag, manchmal sogar in drei Schichten. Um dieses Wachstum zu unterstützen, benötigen wir 2019 eine weitere StarCut-Röhre. Dieses Mal haben wir uns jedoch für eines der neuen Hybridmodelle aus Femtosekunden-Ultraschalllasern und Faserlasern entschieden. Zusätzlich haben wir es mit einem StarFeed-System kombiniert.“ Be- und Entlader, damit wir den Schneidevorgang vollständig automatisieren können – der Bediener legt einfach den Rohling ein. Das Rohr wird in den Zuführer geladen und das Software-Betriebsprogramm für das Produkt wird gestartet.
Abbildung 3. Dieses flexible Edelstahl-Zufuhrrohr (neben einem Radiergummi abgebildet) wurde mit einem Monaco-Femtosekundenlaser geschnitten.
Witham fügt hinzu, dass sie die Maschine zwar gelegentlich für Flachschnitte nutzen, aber mehr als 95 Prozent ihrer Arbeitszeit mit der Herstellung oder Modifizierung zylindrischer Produkte für ihre steuerbaren Katheterbaugruppen verbringen, insbesondere mit Hyporohren, Spiralen und Coils, einschließlich des Schneidens profilierter Spitzen und Bohrungen. Diese Komponenten werden letztendlich in Eingriffen wie der Aneurysmareparatur und der Thrombusentfernung eingesetzt. Dies erfordert den Einsatz von Laserschneidern für eine Vielzahl von Metallen, darunter Edelstahl, Reingold, Platin und Nitinol.
Abbildung 4. Motion Dynamics nutzt ebenfalls in großem Umfang Laserschweißen. Oben ist die Spule an das lasergeschnittene Rohr geschweißt.
Welche Laseroptionen gibt es? Witham erklärte, dass exzellente Schnittqualität und minimale Schnittfugen für die meisten ihrer Bauteile entscheidend seien, weshalb sie zunächst Ultraschalllaser (USP) bevorzugten. Zudem könne keines der vom Unternehmen verwendeten Materialien mit diesen Lasern geschnitten werden, darunter auch die winzigen Goldkomponenten, die in einigen Produkten als röntgendichte Markierungen dienen. Er fügte jedoch hinzu, dass neue Hybridoptionen, darunter Faserlaser und Ultraschalllaser, ihnen mehr Flexibilität bei der Optimierung von Geschwindigkeit und Schnittqualität böten. „Es besteht kein Zweifel, dass Faseroptik höhere Geschwindigkeiten ermöglicht“, sagte er. „Aufgrund unseres speziellen Anwendungsbereichs bedeutet dies jedoch in der Regel eine Nachbearbeitung, wie z. B. chemische und Ultraschallreinigung oder Elektropolieren. Mit einer Hybridmaschine können wir für jedes Bauteil den optimalen Gesamtprozess auswählen – Ultraschall allein oder Faserlaser mit Nachbearbeitung. Wir können so die Möglichkeit der Hybridbearbeitung desselben Bauteils untersuchen, insbesondere bei größeren Durchmessern und Wandstärken: schnelles Schneiden mit Faserlasern und anschließender Feinschnitt mit einem Femtosekundenlaser.“ Er geht davon aus, dass der USP-Laser ihre erste Wahl bleiben wird, da die meisten ihrer Laserschnitte Wandstärken zwischen 4 und 6 Tausendstel Zoll aufweisen, obwohl sie auch auf Wandstärken von 1 bis 20 Tausendstel Zoll stoßen. Edelstahlrohre zwischen Tausendstel Zoll.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Laserschneiden und -bohren Schlüsselprozesse bei der Herstellung verschiedener Medizinprodukte sind. Dank Fortschritten in der Lasertechnologie und hochoptimierten, auf die spezifischen Bedürfnisse der Branche zugeschnittenen Maschinen sind diese Prozesse heute einfacher anzuwenden und liefern bessere Ergebnisse als je zuvor.