gesponsertTRUMPF steht als erfahrener Partner zur Seite Der Laser als Universalwerkzeug für die Medizintechnik

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TRUMPF SE + Co. KG

Mit dem Laser lassen sich in der Medizintechnik unterschiedliche Materialien zuverlässig bearbeiten. Der Laser-Experte TRUMPF hat dafür passende Laser und Lasersysteme im Portfolio – und steht seinen Medizintechnik-Kunden als zuverlässiger und erfahrener Partner zur Seite.

Mit Lasersystemen von TRUMPF können Hersteller von Medizinprodukten und medizinischen Komponenten selbst kleinste Bauteile präzise, flexibel und in konstant hoher Qualität bearbeiten. Die Hersteller von Medizinprodukten können mit der Technologie von TRUMPF eine ganze Reihe von Anwendungen umsetzen, wie das Schweißen von Herzschrittmachern, das Schneiden von Stents oder Kanülen, das Markieren von wiederverwendbarem Chirurgiebesteck oder den 3D-Druck von künstlichen Gelenken und Zahnimplantaten.

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Wie TRUMPF partnerschaftlich den Produktlebenszyklus begleitet

Das Hochtechnologieunternehmen liefert nicht nur Laser an die Medizintechnik-Branche, sondern begleitet und berät Medizintechnik-Hersteller in jeder Phase der Produktentwicklung, vom Konzept bis zur Serienfertigung. Medizintechnik-Hersteller können ihre Anwendungen oder (Produkt-)Ideen beispielsweise in den Laserapplikationszentren von TRUMPF auf Herz und Nieren testen – und sich die geballte Laser-Kompetenz der TRUMPF-Spezialisten holen. Dafür müssen keine eigenen Pilotanlagen aufgebaut werden.

Eines dieser Laserapplikationszentren gibt es am Hauptstandort in Ditzingen. Hier können die Produkte auch gleich im hauseigenen Labor munter getestet oder analysiert werden. Denn ausgereifte Fertigungsprozesse sind wichtig. Die Medizin- und Gesundheitsbranche stellt hohe Anforderungen an die Produkte. So müssen Medizinprodukte z. B. besonders robust und funktional sein und dabei zahlreiche Materialspezifikationen und gesetzliche Vorgaben und Normen einhalten.

„Auch wir bei TRUMPF profitieren von den Kundenprojekten“, erklärt Bernd Block, Branchenmanager Medizintechnik bei TRUMPF. Denn hier lassen sich neue Trends erkennen und die Anlagen können weiterentwickelt werden. „Wir suchen gemeinsam mit den Kunden nach der Lösung. Oder wir haben Lösungen für ein Problem, das es noch nicht gibt“, so Block weiter. Wenn der Prozess mitentwickelt wird, können auch gleich die passenden Applikationen mitentwickelt werden – denn bei TRUMPF gibt es alles vor Ort.

Von der Idee bis zur Serienfertigung

Von Anfang an bis zur Serienreife bietet das Unternehmen umfassende Lösungen und Dienstleistungen für jeden Schritt des Prozesses. Bereits in der Vor-Entwicklungsphase beginnt der Prozess, in dem Kunden ihre Produktideen oder Gerätekonzepte mit TRUMPF-Experten teilen, insbesondere hinsichtlich Material, Geometrie und Toleranzen. Die Experten prüfen die Machbarkeit dieser Anforderungen.

Während der Entwicklungsphase von Medizinprodukten entwickelt und implementiert TRUMPF spezifische Fertigungskonzepte. Besonderes Augenmerk liegt hier auf den Toleranzen bezüglich Geometrie und Oberflächenmaterial der Werkstücke sowie der Analyse möglicher Risiken. TRUMPF legt großen Wert auf die Entwicklung robuster Prozesse in diesem Schritt.

In der stark regulierten Medizintechnik-Branche ist die Zulassung besonders wichtig. In dieser Phase des Produktlebenszyklus muss der Hersteller sicherstellen, dass für die jeweilige Risikoklasse seines Produkts die gesetzlichen Anforderungen und regulatorischen Normen eingehalten werden. TRUMPF unterstützt Unternehmen mit Fachwissen über die geltenden Richtlinien und Vorschriften.

Bei der Serienfertigung muss sichergestellt werden, dass konsistente Ergebnisse erzielt werden. Hierzu werden Monitoringfunktionen zur Prozesskontrolle integriert, wobei der Prozessfluss oberste Priorität hat und als wesentlicher Bezugspunkt für Auftragssteuerung, Daten- und Ressourcenmanagement sowie Wartung und Instandhaltung dient. In einer vernetzten Produktion werden außerdem Datenschnittstellen und Exportfunktionen betrachtet.

In der letzten Phase, der Auslaufphase eines Medizinprodukts, ist es wichtig für Hersteller zu überlegen, wie sie Produktionsanlagen und -technologien sinnvoll weiternutzen können, möglicherweise auch für die Fertigung anderer Medizinprodukte. TRUMPF unterstützt durch Beratung und Laborversuche zu allen Aspekten einer Weiterverwendung.

Der Laser ist ein zuverlässiges Werkzeug

Mit der Technologie von TRUMPF können Medtech-Hersteller eine ganze Bandbreite von Anwendungen umsetzen. Hochpräzises Schweißen, Schneiden, Markieren, Oberflächenstrukturierung oder der 3D-Druck gehören dazu, v. a. in den medizinischen Fachbereichen chirurgische Instrumente, implantierbare medizinische Geräte, Implantate und plastische Chirurgie sowie Zahntechnik.

Mit dem Laser lassen sich heliumdichte Verbindungen auch zwischen unterschiedlichen metallischen Werkstoffen schweißen. Typische Anwendungsfälle sind das Laserschweißen von AIMD-Gehäusen (z. B. bei Herzschrittmachern), Schweißnähte an Komponenten (wie bei Endoskopen oder optischen Elementen) und elektronische Anschlüsse auf Leiterplatten und Elektroden. Das Laserschneiden ermöglicht im Rahmen enger Toleranzen einen sehr präzisen und gratfreien Schnitt. Zu den üblichen Anwendungsfällen gehören das Schmelz- und Sublimierschneiden von Metallstents, das Zuschneiden von Polymerstents und klingenloses Trennen von Kanülen.

Lasermarkieren von Polymeren

In der Medizintechnik kommt auch häufig Kunststoff zum Einsatz. Dieser Werkstoff ist allerdings schwieriger zu bearbeiten. Gefragt sind spezielle Fertigungsmethoden, die von Experten in den TRUMPF-Applikationslaboren täglich angewendet werden. Mit dem Laser haben Hersteller für das Markieren, Schneiden, Bohren und Strukturieren von unterschiedlichsten Kunststoffen in der Medizintechnik ein starkes Werkzeug. Er bearbeitet auch kleinste und komplexe Bauteilformen flexibel und effizient – und das bei geringer thermischer Belastung. Die Lasermarkierungen punkten durch ihre Dauerhaftigkeit, sie sind abriebfest, kontrastreich und stellen die Rückverfolgbarkeit der Bauteile sicher. Da der Laser kontaktfrei arbeitet, verhindert er eine Kontamination des Materials.

Für verschiedene Anforderungen hat TRUMPF die richtigen Lösungen in Form von Laserbearbeitungsanlagen parat. Der effiziente Beschriftungslaser TruMark 6030 ermöglicht z. B. komplexe 3D-Freiform-Markierungen von Data Matrix Codes, UDI-Codes oder Text – dank TruTops Mark 3D. Das Markieren von zylindrischen Werkstücken mit bis zu 120° ist in einem Markierschritt ohne Bauteildrehung möglich.

Die TruMicro-Mark-Serie überzeugt durch Ultrakurzpulslaser: Mit TruTops Mark 3D erzeugt der TruMicro Mark 1020 komplexe 3D-Freiform-Markierungen. Der TruMicro Mark 2030 sorgt mit kleinem Fokusdurchmesser und telezentrischen Objektiven für eine höchst präzise Mikrobearbeitung. Die flexible Einstellung der Pulsdauer beim TruMicro Mark 2030 ermöglicht ein breiteres Spektrum an Anwendungen wie Gravuren, Bohrungen und Schnitte. Im Einsatz ist der UKP Laser TruMicro Mark 2030 bei KLS Martin: Der Medizintechnik-Hersteller markiert damit die Griffe seiner Schraubendreher aus Kunststoff. Der Allround-Beschrifter TruMark 3330 markiert alle Kunststoffe präzise – speziell flammhemmende und transparente Kunststoffe. Zudem ermöglicht er unterschiedliche Markierprozesse wie das Abtragen, Verfärben und Schäumen und markiert durch seinen sehr kleinen Spotdurchmesser selbst kleinste Codes. Der TruMark 3330 punktet durch die lange Lebensdauer der UV-Laserkomponenten und sein industriebewährtes Laserkonzept. Zum Einsatz kommt der Allround-Beschrifter u. a. bei MED-EL. Der Hörsysteme-Hersteller bringt auf den Bauteilen für seine Cochlea-Implantate resistente und kontrastreiche Beschriftungen auf.

Black Marking: dauerhaft und korrosionsbeständig

Ein für die Medizintechnik wichtiges Anwendungsfeld ist das Lasermarkieren. Die Laserkennzeichnungen werden in zahlreichen unterschiedlichen Bereichen für verschiedene Materialien verwendet: Beim Gravieren von Metall, zum Aufbringen von UDI(Unique Device Identification)-konformen Laserbeschriftungen auf wiederverwendbaren chirurgischen Instrumenten, zum Markieren von Katheterkomponenten sowie für Kennzeichnungen mit Regenbogeneffekt auf Glas. Ein besonderes Verfahren ist hier das Black Marking. Es führt zu einer äußerst dunklen, kontrastreichen Beschriftung der Oberfläche. Ultrakurze Laserpulse führen auf der Oberfläche zu Strukturen im Nanometerbereich. Die mikrostrukturierte Oberfläche sorgt dafür, dass die Streuung des Lichts reduziert wird und eine permanent tiefe und blickstabile Schwärzung der Markierung entsteht. Da die Laserpulse ultrakurz sind, bleibt die Farbänderung in bestimmten Parameterbereichen zudem korrosionsbeständig. Der Grund: Durch den Einsatz der Ultrakurzpulslaser ist die Wärmeeinflusszone äußerst klein und damit verbleibt ausreichend freies Chrom auf der Oberfläche, sodass sich eine selbstheilende Oxidschicht bilden kann.

Die Vorteile dieses Laserbearbeitungsverfahrens sind für die Medizintechnik vielfältig. Ein Vorteil ist die so genannte Blickwinkelstabilität. Der sehr hohe, gleichmäßige Kontrast aus allen Blickwinkeln ist auf die periodischen Nanostrukturen zurückzuführen, die das Licht mehrfach gestreut reflektieren und absorbieren. Durch die Bearbeitung mit dem Laser wird eine deutliche Farbänderung am Metall hervorgerufen – bis hin zu einem tiefdunklen Schwarzton. Darüber hinaus entsteht durch das Black Marking ein starker Kontrast und eine sehr matte Erscheinung ohne Reflexion, was die manuelle und automatische Lesbarkeit selbst kleinster Pixel nochmals deutlich verbessert. Das Black Marking mit Ultrakurzpulslaser eignet sich hervorragend für sehr kleine und feingliedrige Markierungen oder kleinflächige DMC(Data Matrix Code)- sowie UDI-Codes. Die Pulsdauern sind beim Einsatz von Ultrakurzpulslasern rund eine Millionen Mal kürzer und dabei energiereicher, als bei sonstigen Markierlasern und die Markierungen können mit einer sehr kleinen Spotgröße aufgetragen werden. Daher eignet sich dieses Verfahren besonders gut, um filigrane Beschriftungen zu realisieren. Nach der Medizinprodukteverordnung der EU (Medical Device Regulation, kurz MDR) müssen beispielsweise Implantate oder OP-Besteck mit dem rückverfolgbaren UDI-Code versehen werden. Aufgrund der kürzeren Einwirkzeiten bleibt die chemische Integrität der Oberfläche erhalten, da Chromatome kaum in die unteren Schichten diffundieren. Black Marking ermöglicht demnach korrosionsbeständige Kennzeichnungen verschiedenster Art, die auch nach etlichen Reinigungs- und Passivierungszyklen noch gut lesbar sind.

Additive Fertigung vereint Laser- und Maschinenbau-Fähigkeiten

Und nicht zu vergessen: die additive Fertigung. Bei dieser Technologie werden die beiden Kernkompetenzen von TRUMPF vereint: Laser- und Maschinenbau-Fähigkeiten. Mit Metall-3D-Drucksystemen können Kunden Medizinprodukte mit unterschiedlichen Geometrien, Abmessungen und Legierungen schnell und unkompliziert fertigen. Dazu zählen beispielsweise Endoprothesen, Gelenkersatz, Wirbelsäulenimplantate oder Kronen. Vorteile, die von der präzisen Individualisierung bis zur verbesserten Funktionalität reichen, ermöglichen eine Serienfertigung, die die Effizienz steigert und neue Perspektiven für die Patientenversorgung eröffnet. TRUMPF ist Vorreiter in Sachen additive Fertigung, v. a. im Dentalbereich. Hier ist das Hochtechnologieunternehmen Marktführer in Europa mit seinen Maschinen in Dentallaboren. Die TruPrint 1000 ist momentan die schnellste Maschine auf dem Dentalmarkt. Bei besserer Qualität fertigt die TruPrint 1000 mit höherem Tempo. In der Ausführung mit Doppel-Laser ist die Anlage rund acht Mal schneller als konventionelle Verfahren wie Fräsen.

TRUMPF versteht sich als zuverlässiger Partner an der Seite seiner Medizintechnik-Kunden. Mit dem Kunden früh ins Gespräch zu kommen sei wichtig, betont Block. „Denn es geht nur zusammen mit dem Kunden.“ Das Hochtechnologieunternehmen punktet mit seinen Aktivitäten und Erfahrungen aus anderen Branchen, wie der Automobil-Branche. „Die Medizintechnik-Branche kann von Innovationen aus anderen Branchen profitieren und TRUMPF kann den Transfer“, versichert Block als „Dolmetscher“ zwischen der Medtech-Branche und TRUMPF.

Transfer von Wissen: Zusammenarbeit mit Automobilzulieferern

Apropos Automobil-Branche: Von der kann die Medizintechnik-Branche profitieren, v. a., was die Erfahrung angeht. Denn Automation und Volumen in der Produktion spielen eine immer größere Rolle, um der schneller werdenden Entwicklungszyklen und der hohen Nachfrage Herr zu werden. Und dem Faktor „Preis pro Stück“ muss heute mehr Bedeutung zugemessen werden als früher. Hohe Volumen, effiziente Produktion – wer, wenn nicht die Automobilzulieferer, könnten das am besten?

Zwei Beispiele, wie der Wissens- und Erfahrungstransfer gelingen kann: Im neuen Center of Excellence Medical eines Anlagen- und Maschinenbauers mit Schwerpunkt Automobilindustrie verstehen die Experten die hohen Anforderungen in der Medizintechnik an Produktsicherheit und Verfügbarkeit. Und auch die Erfahrung aus Projekten in der sicherheitsfanatischen Aerospace-Branche ist von Vorteil, wenn in der Medizintechnik umfangreiche Dokumentation und durchgehend hundertprozentige Produktqualität verlangt wird. Deshalb hat das Unternehmen auch vor zwei Jahren seinen Fokus verstärkt auf die Medizintechnik gelegt und sich mit TRUMPF einen Partner an die Seite geholt. Zusammen wollen sie 3D-Druck, Fräsmaschine und Teilemarkierung perfekt hintereinander schalten und so die Herstellung künstlicher Kniegelenke produktiv zu bekommen wie noch nie. Die Idee: Der 3D-Drucker liefert in Serienfertigung die Grundform der künstlichen Kniegelenke aus Kobaltchrom oder Titanlegierungen. Anschließend wandern die Knie in die Fünfachs-Fräsmaschine. Hier ist es besonders wichtig, dass die Oberflächenqualität stimmt, damit die Patienten ihren Gelenkersatz beschwerdefrei nutzen können. Das Team hat mit seinem Partner hierfür einen speziellen, sogenannten konkaven Tonnenfräser entwickelt. Er fräst die Funktionsflächen in nur 30 Minuten pro Knie.

Der 3D-Druck bietet für die Herstellung von Implantaten entscheidende Vorteile: Er ermöglicht eine präzise und flexible Fertigung aus hochwertigen Materialien wie Kobalt-Chrom oder Titanlegierungen und erlaubt gleichzeitig die Herstellung komplexer Strukturen. Dies ermöglicht eine individuellere Anpassung an die anatomischen Gegebenheiten und die Herstellung poröser Strukturen, die mit anderen Verfahren nur schwer zu realisieren sind und die Osseointegration für eine langfristige Stabilität fördern. Im 3D-Drucker können die Grundformen der Implantate in Serie gefertigt werden, wobei die endgültigen Geometrien von porösen Gitterstrukturen oder komplexen Designelementen direkt gedruckt werden können. Die Bearbeitung in einer 5-Achs-Fräsmaschine kann sich dann auf die Oberflächen, z. B. die Gelenkflächen, beschränken. Auch eine Kombination, bei der komplexe Strukturen exakt auf bereits gefräste Grundformen gedruckt werden, führt zu einer wirtschaftlichen und effizienten Produktion. Diese Kombinationen ermöglichen eine auf das jeweilige Produkt abgestimmte und damit wirtschaftliche Kombination der Technologien, um die gewünschten Eigenschaften und Geometrien des Implantats kostengünstig und in hoher Qualität herstellen zu können.

Die Kunststofftechnik-Abteilung eines anderen typischen Großzulieferers von Automotive-Komponenten hat zwar schon etwas Erfahrung und für Medizintechnik-Unternehmen Schläuche geliefert, was aber noch fehlte, waren eigene Produktideen. Anlass ist ein Trend in der Endoskopie: Jetzt nimmt sich die Medizin endoskopisch geführte OPs in engen Blutgefäßen, Nervenbahnen und im Gehirn vor. Für die Schläuche heißt das: Sie müssen viel, viel dünner werden als ihre Brüder aus der Magen-Darm-Chirurgie. Und zwar so dünn, dass eine mechanische Bearbeitung nicht mehr zu handhaben ist. Sie sollen teilweise weniger als einen Millimeter im Außendurchmesser haben und gleich mehrere separate Kanäle für Kamera und Werkzeuge im Inneren. Zusätzlich sollen die Schläuche über kleinste Löcher an den Seiten verfügen, durch die Chirurgen z. B. Medikamente versprühen können. Das Problem: Die Löcher können nicht fein genug gebohrt werden, ohne die Trennwände der drei innenliegenden Kanäle zu verletzen. Damit die Kanten der Löcher nicht zu rau sind, will der Zulieferer hier mit Laserlicht arbeiten. Hier kommen die Experten von TRUMPF ins Spiel. Obwohl es schwierig ist, Polymere per Laser zu bearbeiten, hat das Hochtechnologieunternehmen eine Lösung parat. Das Polymer, um das es hier geht, heißt PTFE, besser bekannt unter dem Markennamen Teflon, und kommt der bei dieser Art Endoskopie infrage. Femtosekundenlaser sind hier die richtige Wahl: Die Femtopulse koppeln gut in PTFE ein und hinterlassen feinste, abgerundete Schnittkanten und hochexakte, gratfreie Bohrlöcher im Polymer. Zudem kann mit dem Femtolaser das PTFE an Sollknickstellen, die die Endoskop-Schläuche benötigen, gezielt ausgedünnt werden.

Automatisierungslösungen: Automatisches Beschriften von Bauteilen

Das TRUMPF Zusammenarbeit kann, zeigt auch ein Gemeinschaftsprojekt mit KPI Engineering, SICK und Universal Robots. Gemeinsam haben die Unternehmen ein mobiles Robotersystem entwickelt. „Als technologisch führende Unternehmen in den Bereichen Lasertechnik, Automatisierung, Sensorik und Robotik konnten wir gemeinsam eine einmalige Roboterlösung entwickeln. Unser Ziel ist es, die Unternehmen hier in der Gegend zu stärken, damit sie im internationalen Wettbewerb bestehen können – durch eine Automatisierung, die ihre Produktivität steigert, ihre Arbeitsabläufe verbessert und die Sicherheit ihrer Mitarbeiter erhöht“, erklärt Bernd Block die Beweggründe der Projektgruppe.

Das System automatisiert das Be- und Entladen von Maschinen in der Medizintechnik, ist jedoch nicht auf diese Branche beschränkt. „Das Besondere: Mit der Anlage können auch jene Unternehmen ihre Prozesse automatisieren, die keine Vorkenntnisse in Sachen Automatisierung oder Robotik haben“, sagt Block.

Bei der Automatisierungslösung handelt es sich um ein Lasermarkiersystem von TRUMPF, das der Automatisierungsspezialist KPI Engineering mit einem Roboter von Universal Robots kombiniert hat. Ein Kamerasystem von SICK unterstützt den Roboter in der Erfassung der Bauteile unabhängig von deren Lage und Geometrie. Dadurch kann das Robotersystem auch Schüttgut verarbeiten. Nach Einlegen in die Arbeitsstation erkennt das integrierte TRUMPF Kamerasystem die entsprechenden Bauteile sowie deren Lage und der TRUMPF Beschriftungslaser (Ultrakurzpulslaser) markiert die Bauteile kontrastreich und korrosionsbeständig mit einem Text und einem sogenannten Data-Matrix-Code, der den bekannten QR-Codes ähnelt. Das Lasermarkiersystem erfasst dabei automatisch Geometrie und Position des Bauteils und prüft ebenfalls automatisch die Qualität der Markierung.

Dank des modularen Aufbaus, vergleichbar mit einem Baukastensystem, können Anwender die Robotiklösung mobil und flexibel an verschiedenen Fertigungsanlagen verwenden. Ein weiterer Pluspunkt: Die Nutzer können die Anlage selbst leicht programmieren. Dank digital vernetzter Sensoren geht keine Gefahr vom Roboter aus.

Hier können Sie die TRUMPF-Experten treffen

TRUMPF ist als Aussteller auf der MedtecLIVE with T4M in Stuttgart vertreten. Vom 18. bis 20. Juni kann man den Laser-Experten in Halle 1 am Stand 312 zu treffen. Ansonsten sind Medizintechnik-Hersteller natürlich immer am Hauptstandort in Ditzingen willkommen, um sich im Laserapplikationszentren Beratung zu ihren Projekten zu holen.

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