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Heutzutage wird fast das gesamte Präzisionslaserschneiden von Metallen und Nichtmetallen mit Werkzeugen durchgeführt, die mit Faserlasern oder Ultrakurzpulslasern (USP) oder manchmal mit beiden ausgestattet sind. In diesem Artikel erklären wir die unterschiedlichen Vorteile der beiden Laser und sehen uns an, wie beide Hersteller diese Laser verwenden. NPX Medical (Plymouth, MN) ist ein Auftragsunternehmen für Spezialverarbeitung, das eine Vielzahl von Geräten und Einsatzwerkzeugen wie Stents, Implantate und flexible Schläuche mit Maschinen herstellt, die Faserlaser enthalten. Motion Dynamics fertigt Unterbaugruppen wie „Zugdraht“-Baugruppen, die hauptsächlich in der Neurologie verwendet werden, und verwendet dabei eine Maschine, die einen USP-Femtosekundenlaser und eines der neuesten Hybridsysteme mit Femtosekunden- und Faserlasern für maximale Flexibilität und Vielseitigkeit umfasst.
Viele Jahre lang wurde die Laser-Mikrobearbeitung hauptsächlich mit Festkörper-Nanosekundenlasern, sogenannten DPSS-Lasern, durchgeführt. Dies hat sich jedoch durch die Entwicklung zweier völlig unterschiedlicher und sich daher ergänzender Lasertypen grundlegend geändert. Ursprünglich für die Telekommunikation entwickelt, haben sich Faserlaser in vielen Branchen zu bewährten Lasern für die Materialbearbeitung entwickelt, oft im Nahinfrarotbereich. Ihr Erfolg liegt in ihrer einfachen Architektur und der problemlosen Skalierbarkeit der Leistung. Das Ergebnis sind kompakte, hochzuverlässige Laser, die sich leicht in Spezialmaschinen integrieren lassen und im Allgemeinen geringere Betriebskosten als ältere Lasertypen aufweisen. Wichtig für die Mikrobearbeitung ist, dass der Ausgangsstrahl auf einen kleinen, sauberen Punkt von nur wenigen Mikrometern Durchmesser fokussiert werden kann. Daher eignen sich Faserlaser ideal für hochauflösendes Schneiden, Schweißen und Bohren. Ihre Ausgänge sind außerdem sehr flexibel und steuerbar, mit Pulsraten von Einzelschuss bis 170 kHz. Zusammen mit der skalierbaren Leistung ermöglicht dies schnelles Schneiden und Bohren.
Ein potenzieller Nachteil von Faserlasern bei der Mikrobearbeitung ist jedoch die Bearbeitung kleiner Strukturen und/oder dünner, empfindlicher Teile. Lange Pulsdauern (z. B. 50 µs) führen zu einer kleinen Wärmeeinflusszone (WEZ), wie z. B. umgeformtem Material und geringer Kantenrauigkeit, die eine Nachbearbeitung erforderlich machen kann. Glücklicherweise beseitigen neuere Laser – Ultrakurzpulslaser (USP) mit Femtosekunden-Ausgangspulsen – das WEZ-Problem.
Bei USP-Lasern wird der Großteil der beim Schneiden oder Bohren entstehenden Wärme durch die ausgeworfenen Partikel abgeführt, bevor sie sich im umgebenden Material verteilen kann. USP-Laser mit Pikosekunden-Lichtausbeute werden seit langem in der Mikrobearbeitung von Kunststoffen, Halbleitern, Keramik und bestimmten Metallen eingesetzt (Pikosekunden = 10-12 Sekunden). Bei Metallbauteilen mit haardicken Säulen 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 der Einführung von Femtosekundenlasern in Industriequalität (Femtosekunden = 10-15 Sekunden) geändert. Ein Beispiel hierfür sind die Laser der Monaco-Serie 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 mehr, sowie Nichtmetalle. Während die Kombination aus kurzer Impulsdauer und geringer Impulsenergie thermische Schäden (HAZ) verhindert, gewährleistet die hohe Wiederholungsrate (MHz) kostengünstige Durchsatzgeschwindigkeiten für viele hochwertige medizinische Geräte.
Natürlich benötigt in unserer Branche kaum jemand nur einen Laser. Stattdessen braucht man eine laserbasierte Maschine, und mittlerweile gibt es viele Spezialmaschinen, die für das Schneiden und Bohren medizinischer Geräte optimiert sind. Ein Beispiel hierfür ist die StarCut Tube-Serie von Coherent, die mit Faserlasern, Femtosekundenlasern oder als Hybridversion mit beiden Lasertypen verwendet werden kann.
Was bedeutet Spezialisierung auf medizinische Geräte? Die meisten dieser Geräte werden in kleinen Chargen nach kundenspezifischen Designs hergestellt. Flexibilität und Benutzerfreundlichkeit sind daher wichtige Kriterien. Während viele Geräte aus Knüppeln hergestellt werden, müssen einige Komponenten aus flachen Knüppeln präzisionsgefertigt werden; um ihren Wert zu maximieren, muss dieselbe Maschine beides bewältigen. Diese Anforderungen werden normalerweise durch mehrachsige CNC-gesteuerte (xyz und rotatorische) Bewegungen und eine benutzerfreundliche HMI für einfache Programmierung und Steuerung erfüllt. Im Fall von StarCut Tube ist ein neues optionales Rohrlademodul mit einem seitlichen Lademagazin (StarFeed genannt) für bis zu 3 m lange Rohre und einem Sortierer für geschnittene Produkte erhältlich, wodurch eine vollautomatische Produktion ermöglicht wird.
Die Prozessflexibilität dieser Maschinen wird durch die Unterstützung von Nass- und Trockenschneiden sowie leicht einstellbaren Zufuhrdüsen für Prozesse, die Hilfsgas erfordern, weiter verbessert. Die räumliche Auflösung ist auch besonders wichtig für die Bearbeitung sehr kleiner Teile, was bedeutet, dass die thermomechanische Stabilität die Auswirkungen von Vibrationen eliminiert, die oft in Maschinenwerkstätten auftreten. Die StarCut Tube-Reihe erfüllt diese Anforderung, indem das gesamte Schneiddeck aus einer großen Anzahl von Granitelementen besteht.
NPX Medical ist ein relativ neuer Auftragshersteller, der Herstellern medizinischer Geräte Design-, Engineering- und Präzisionslaserschneiddienstleistungen anbietet. Das 2019 gegründete Unternehmen hat sich in der Branche einen Ruf für Qualitätsprodukte und schnelle Reaktionsfähigkeit erworben und unterstützt eine breite Palette von Geräten, darunter Stents, Implantate, Klappenstents und flexible Zuführschläuche für ebenso vielfältige chirurgische Eingriffe, darunter neurovaskuläre, Herz-, Nieren-, Wirbelsäulen-, orthopädische, gynäkologische und gastrointestinale Chirurgie. Der wichtigste Laserschneider ist der StarCut Tube 2+2 mit einem StarFiber 320FC mit einer durchschnittlichen Leistung von 200 Watt. Mike Brenzel, einer der Gründer von NPX, erklärte: „Die Gründer bringen jahrelange Erfahrung in der Entwicklung und Herstellung medizinischer Geräte mit – insgesamt mehr als 90 Jahre“ und verfügen über Erfahrung mit StarCut-ähnlichen Maschinen mit Faserlasern. Ein Großteil unserer Arbeit umfasst das Schneiden von Nitinol, und wir wissen bereits, dass Faserlaser die Geschwindigkeit und Qualität liefern können, die wir benötigen. Für Geräte wie dickwandige Schläuche und Herzklappen benötigen wir Geschwindigkeit, und der USP-Laser ist möglicherweise für unsere Anforderungen zu langsam. Neben Produktionsaufträgen mit hohem Volumen – wir sind auf kleine Teilechargen spezialisiert – nur zwischen 5 und 150 Stück – ist es unser Ziel, diese Kleinchargen-Durchlaufzeiten einschließlich Design, Programmierung, Schneiden, Formen, Nachbearbeitung und Inspektion in nur wenigen Tagen abzuschließen, im Vergleich zu den Wochen nach der Auftragserteilung bei größeren Unternehmen. „Neben der Geschwindigkeit erwähnte Brenzel die Zuverlässigkeit der Maschine als großen Vorteil, da in den letzten 18 Monaten nahezu ununterbrochenen Betriebs kein einziger Serviceanruf erforderlich war.
Abbildung 2. NPX bietet eine Vielzahl von Nachbearbeitungsoptionen. Das hier gezeigte Material ist Edelstahl T316 mit 5 mm Außendurchmesser und 0,254 mm Wandstärke. Der linke Teil ist geschnitten/mikrogestrahlt und der rechte Teil ist elektropoliert.
Neben Nitinolteilen verwendet das Unternehmen auch in großem Umfang Kobalt-Chrom-Legierungen, Tantallegierungen, Titanlegierungen und zahlreiche Arten von medizinischem Edelstahl. Jeff Hansen, Leiter der Laserbearbeitung, erklärt: „Die Flexibilität der Maschine ist ein weiterer wichtiger Vorteil, da sie es uns ermöglicht, eine Vielzahl von Materialien, einschließlich Rohren und Flachmaterial, zu schneiden. Wir können den Strahl auf einen 20-Mikrometer-Punkt fokussieren, was für dünnere Rohre sehr nützlich ist. Einige dieser Rohre haben einen Innendurchmesser von nur 0,012 Zoll, und das hohe Verhältnis von Spitzenleistung zu Durchschnittsleistung der neuesten Faserlaser maximiert unsere Schneidgeschwindigkeit bei gleichzeitiger Gewährleistung der gewünschten Kantenqualität. Wir benötigen die Geschwindigkeit unbedingt für größere Produkte mit einem Außendurchmesser von bis zu 1 Zoll.“
Neben Präzisionsschneiden und schneller Reaktion bietet NPX auch eine breite Palette an Nachbearbeitungstechnologien sowie umfassende Designdienstleistungen, die auf seiner langjährigen Branchenerfahrung basieren. Zu diesen Techniken gehören Elektropolieren, Sandstrahlen, Beizen, Laserschweißen, Wärmehärten, Formen, Passivieren, Af-Temperaturtests und Ermüdungstests, die alle für die Herstellung von Nitinol-Geräten von entscheidender Bedeutung sind. Die Verwendung der Nachbearbeitung zur Steuerung der Kantenbeschaffenheit, so Brenzel, „hängt normalerweise davon ab, ob es sich um eine Anwendung mit hoher oder niedriger Ermüdung handelt. Beispielsweise kann sich ein stark ermüdungsbeanspruchtes Teil wie eine Herzklappe im Laufe seiner Lebensdauer eine Milliarde Mal verbiegen. Als Schritt der Nachbearbeitung ist es wichtig, durch Sandstrahlen den Radius aller Kanten zu vergrößern. Aber Komponenten mit niedriger Ermüdung wie Verabreichungssysteme oder Führungsdrähte erfordern oft keine umfangreiche Nachbearbeitung.“ In puncto Designkompetenz, erklärt Brenzel, gebe es mittlerweile sogar bis zu Drei Viertel der Kunden nutzen zudem die Designleistungen von NPX, um Hilfe und Kompetenz bei der Erlangung der FDA-Zulassung zu erhalten. Das Unternehmen sei sehr gut darin, aus der Idee einer „Serviettenskizze“ in kurzer Zeit ein Produkt in seiner endgültigen Form zu machen.
Motion Dynamics (Fruitport, MI) ist ein Hersteller kundenspezifischer Miniaturfedern, medizinischer Spulen und Drahtbaugruppen, dessen Mission darin besteht, Kundenprobleme, egal wie komplex oder scheinbar unmöglich sie sind, in kürzester Zeit zu lösen. Bei medizinischen Geräten konzentriert sich das Unternehmen vor allem auf komplexe Baugruppen für die neurovaskuläre Chirurgie, einschließlich der Konstruktion, Produktion und Montage hochwertiger Drahtbaugruppen für Anwendungen wie lenkbare Kathetergeräte, einschließlich „Zugdraht“-Baugruppen.
Wie bereits erwähnt, hängt die Wahl zwischen Faser- oder USP-Laser von den technischen Präferenzen sowie der Art der unterstützten Geräte und Prozesse ab. Chris Witham, Präsident von Motion Dynamics, erklärte: „Dank unseres stark auf neurovaskuläre Produkte ausgerichteten Geschäftsmodells können wir differenzierte Ergebnisse in Design, Ausführung und Service liefern. Wir verwenden Laserschneiden ausschließlich zur Herstellung der Komponenten, die wir selbst verwenden, um die hochwertigen, „schwierigen“ Komponenten herzustellen, die zu unserer Spezialität und unserem Ruf geworden sind; wir bieten Laserschneiden nicht als Auftragsleistung an. Wir haben festgestellt, dass die meisten unserer Laserschnitte am besten mit USP-Lasern durchgeführt werden, und ich verwende seit vielen Jahren eine StarCut Tube mit einem dieser Laser. Aufgrund der starken Nachfrage nach unseren Produkten arbeiten wir täglich in zwei 8-Stunden-Schichten, manchmal sogar in drei Schichten. 2019 müssen wir eine weitere StarCut Tube anschaffen, um dieses Wachstum zu unterstützen. Dieses Mal haben wir uns jedoch für eines der neuen Hybridmodelle aus Femtosekunden-USP-Lasern und Faserlasern entschieden. Wir haben es außerdem mit einem StarFeed kombiniert. Be- und Entlader, sodass wir das Schneiden vollständig automatisieren konnten – der Bediener legt einfach den Rohling in die Zuführung. Das Rohr wird in den Zuführer geladen und das Software-Betriebsprogramm für das Produkt wird gestartet.
Abbildung 3. Dieser flexible Edelstahl-Zuführungsschlauch (neben einem Radiergummi abgebildet) wurde mit einem Monaco-Femtosekundenlaser geschnitten.
Witham fügt hinzu, dass sie die Maschine zwar gelegentlich zum Flachschneiden verwenden, mehr als 95 Prozent ihrer Zeit jedoch mit der Herstellung oder Änderung zylindrischer Produkte für ihre lenkbaren Katheterbaugruppen verbringen, nämlich Hypotubes, Spulen und Spiralen, einschließlich des Schneidens profilierter Spitzen und des Schneidens von Löchern. Diese Komponenten werden letztendlich bei Verfahren wie der Aneurysmareparatur und der Thrombusentfernung verwendet. Dies erfordert den Einsatz von Laserschneidern für eine Vielzahl von Metallen, darunter Edelstahl, reines Gold, Platin und Nitinol.
Abbildung 4. Motion Dynamics verwendet ebenfalls in großem Umfang Laserschweißen. Oben wurde die Spule an das lasergeschnittene Rohr geschweißt.
Welche Laseroptionen gibt es? Witham erklärte, dass für die meisten seiner Komponenten eine hervorragende Kantenqualität und minimale Schnittfugen entscheidend seien, weshalb man zunächst USP-Laser bevorzugte. Zudem ließen sich keine der von dem Unternehmen verwendeten Materialien mit diesen Lasern schneiden, darunter auch die winzigen Goldkomponenten, die in einigen seiner Produkte als röntgendichte Markierungen verwendet werden. Er fügte jedoch hinzu, dass neue Hybridoptionen, darunter Faserlaser und USPs, dem Unternehmen mehr Flexibilität bei der Optimierung von Geschwindigkeit und Kantenqualität böten. „Zweifellos können Glasfasern höhere Geschwindigkeiten ermöglichen“, sagte er. „Aufgrund unseres speziellen Anwendungsschwerpunkts erfordert dies jedoch in der Regel eine Nachbearbeitung, wie z. B. chemische Reinigung, Ultraschallreinigung oder Elektropolieren. Mit einer Hybridmaschine können wir daher für jedes Bauteil den optimalen Gesamtprozess wählen – USP allein oder Faserlaser mit Nachbearbeitung. So können wir die Möglichkeiten der Hybridbearbeitung desselben Bauteils erkunden, insbesondere bei größeren Durchmessern und Wandstärken: Selbst schnelles Schneiden mit Faserlasern und anschließender Einsatz eines Femtosekundenlasers für Feinschnitte.“ Er geht davon aus, dass der USP-Laser auch weiterhin die erste Wahl bleiben wird, da die meisten ihrer Laserschnitte Wandstärken zwischen 4 und 6 Tausendstel aufweisen, obwohl sie auch auf Wandstärken zwischen 1 und 20 Tausendstel treffen. Edelstahlrohre liegen zwischen 100 und 250 Tausendstel.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Laserschneiden und -bohren Schlüsselprozesse bei der Herstellung verschiedener medizinischer Geräte sind. Dank der Fortschritte in der Kernlasertechnologie und hochoptimierter, auf die spezifischen Anforderungen der Branche abgestimmter Maschinen sind diese Prozesse heute einfacher anzuwenden und liefern bessere Ergebnisse als je zuvor.