France

Fein- und Mikroschneiden Lasertechnik für perfekte Stents

Autor / Redakteur: Eduard Fassbind / Peter Reinhardt

Die Leistungsfähigkeit von Laseranlagen zum Fein- und Mikroschneiden ist immer nur so gut wie deren Gesamtkonzept aus Maschinenbau, Strahlquelle, Inline-Qualitätsprüfung und Automation. Beim Schneiden von Stents wird das volle Potenzial deshalb nur durch applikationsspezifische Anlagen erschlossen.

Schneidflanke eines mittels Pico-Laser geschnittenen Nitinol-Rohrs unter 200-facher Vergrößerung: Solch saubere Schnittflächen ohne Grat und Schlacke reduzieren den Aufwand für teure Nachbearbeitungszeit drastisch.
Schneidflanke eines mittels Pico-Laser geschnittenen Nitinol-Rohrs unter 200-facher Vergrößerung: Solch saubere Schnittflächen ohne Grat und Schlacke reduzieren den Aufwand für teure Nachbearbeitungszeit drastisch.
(Bild: Swisstec)

Je nach Implantationsort im Körper kann der Durchmesser eines Stents 1 bis 10 mm betragen. Die Länge reicht von wenigen Millimetern bis hin zu einigen Zentimetern. Eines ist jedoch fast allen Stents gemeinsam: Erst wenn sie am endgültigen Ort platziert sind, ist der maximale Durchmesser gefragt. Um sie dorthin zu bringen, werden sie mit noch geringerem Durchmesser durch die Arterien geschoben. Erst dann werden sie aufgedehnt.

Laserschneiden mit 3.000 mm/min Vorschub

Bis jedoch aus einem Rohr ein fertig implantierbarer Stent wird, sind viele Fertigungsschritte notwendig. Ein zentraler Prozessschritt ist hierbei das Laserschneiden. Die meisten Metallstents werden aus Rohren mit Wandstärken von wenigen Zehntelmillimetern geschnitten. Ihr Design ist derart optimiert, dass der Blutfluss bestmöglich gewährleistet ist und eine größtmögliche Flexibilität erhalten bleibt. Außerdem sollen Stents das Aufdehnen bestmöglich überstehen. Für den Laserprozess bedeutet das, dass sehr feine Strukturen genauestens geschnitten und Wärmeeinwirkung sowie Mikrorisse verhindert werden müssen. Mit den von Swisstec eingesetzten Faserlasern und den hochpräzisen mechanischen Komponenten ist dies mit einer Genauigkeit von ±1 μm möglich.

Bildergalerie
Bildergalerie mit 6 Bildern

Die Faserlaser arbeiten meist im infraroten Spektralbereich von 1.070 nm und mit Leistungen von 50 bis 100 W. Je nach Material, Dimensionen und Design werden dabei Schnittbreiten von 10 bis 20 μm und darunter erzielt. In der Systemlösung Multi Flexi Tube (MFT), die für das Schneiden von Rohren konzipiert ist, wird das Rohr mit einer mit Linearmotoren betriebenen X-Achse horizontal bewegt. Gleichzeitig dreht die A-Achse das in hochpräzisen Führungen gelagerte Rohr. Bei Anwendungen für Stents bleibt also der Laserkopf auf seiner Position. Nur für Anwendungen, bei denen ein Offset-Schnitt (Schnitt zeigt nicht zum Zentrum) gewünscht ist, werden zwei zusätzliche, voll NC-gesteuerte Achsen angeboten, die den Laserkopf auch horizontal oder vertikal bewegen.

Vom Prototyp bis zur Massenproduktion

Ein besonderes Highlight der MFT-Baureihe von Swisstec ist die leicht zu bedienende Funktion des Nassschneidens, bei der das Rohr mit Wasser gespült wird. Von Vorteil ist hierbei nicht nur die Kühlung, sondern auch der Schutz der gegenüberliegenden Wand. Meist wird fürs Laserschneiden ein an das Material angepasstes Prozessgas wie Argon, Stickstoff oder Sauerstoff verwendet. So sind Schnittgeschwindigkeiten über 3.000 mm/min möglich.

Sobald das Design eines Stents festgelegt ist, kann dieses von der 2D-Zeichnung einfach mittels CAM-Programm in einen NC-Code umgewandelt werden. Dieser steuert den Schneideprozess mit allen Parametern wie Schnittgeschwindigkeit, Gasdruck und Wasserdurchfluss. Aufgrund ihrer Kompaktheit – die kleinste Ausführung MFT 80 mit einer Schnittlänge von 75 mm kommt gerade auf einen Platzbedarf von 0,7 m2 – und der einfachen Handhabung werden diese Systeme auch in der Entwicklung der Stent-Designs eingesetzt.

Bei der Produktion von Nadeln, Kanülen und rohrförmigen endoskopischen Geräten sind natürlich andere Dimensionen gefragt. Soll die Produktion 24 Stunden pro Tag und sieben Tage die Woche laufen, sind oft automatische Systeme im Einsatz. Aus einem Lademagazin werden die Rohre dann nicht nur zugeführt, sondern auch vollautomatisch an die Wasserversorgung angekuppelt. Auch beim Entnahmesystem reicht die Palette vom einfachen Auffangbehälter über pneumatisches Ausstoßen bis hin zur Einzelentnahme durch einen Roboterarm mit sechs Achsen.

Selbst Aufgaben, die über das Laserschneiden hinausgehen, können in einer Kundenlösung vorkommen. Bei der Herstellung von Endoskopen kommen etwa das Schweißen und sogar mechanische Bearbeitungsschritte wie das Schleifen mit Diamantwerkzeugen oder das Prägen und Biegen hinzu. Da die Vielfalt der medizinischen Werkzeuge und Implantate schier unermesslich erscheint, gleicht bei solch umfassenden Projekten keine Maschinenlösung der anderen.

Neue Technologien für neue Anwendungen

Ein Trend in der Stent-Produktion ist die Verwendung von Polymeren oder Magnesium, die vom Körper abgebaut werden können. Solche Werkstoffe bedürfen neuer Lasertechnologien, da sie mit herkömmlichen Lasern buchstäblich verbrennen würden. Dazu dienen Ultra-Kurzpulslaser mit Pulslängen im Bereich von Pico- oder sogar Femtosekunden (10-12 bzw. 10-15 s) statt der üblichen Mikrosekunden (10-6 s). In diese kurzen Pulse wird eine extrem hohe Energie gepackt, sodass das Material augenblicklich in den gasförmigen Zustand übergeht, anstatt zuerst zu schmelzen. Es wird also Puls für Puls Material abgetragen, ohne das umgebende Material zu erhitzen. Daher spricht man von einem kalten Prozess.

Ultra-Kurzpulslaser verbessern etablierte Prozesse

Aber nicht nur bei diesen neuen Materialien, auch bei herkömmlichen Werkstoffen werden mit dieser Lasertechnologie überragende Ergebnisse erzielt. Je nach Material ist der Prozess zwar etwas langsamer als das Schneiden mittels Faserlaser, die Schneidflanken sind allerdings grat- und schlackefrei, und die Wärmeeinflusszonen sind praktisch vernachlässigbar. Mittlerweile sind solche Ultra-Kurzpulslaser auch bestens in die bereits am Markt erhältlichen Mikrobearbeitungssysteme integrierbar. Um den Anforderungen an Robustheit und Genauigkeit gerecht zu werden, sollten entsprechende Anlagen am besten auf stabilem Granit basieren. Dieser schützt nicht nur die Komponenten vor mechanischen Schäden, sondern ermöglicht aufgrund seiner Temperaturspeicherfähigkeit auch eine größtmögliche Unabhängigkeit von Schwankungen der Temperatur.

Mit den neuen Ultra-Kurzpulslasern bieten sich also Möglichkeiten, die Produktion von medizinischen Implantaten auf eine völlig neue Ebene zu heben. Kosteneinsparungen ergeben sich beispielsweise durch weniger Nachbearbeitungsaufwand. Zudem sind geringere Wandstärken der oft teuren Materialien möglich. Auch völlig neuartige Materialien können nun Einzug in die Medizintechnik finden. Derzeit sind viele Kunden dabei, erste Schritte in diese Richtung zu unternehmen. Dabei werden neue Designs getestet und weitere potenzielle Anwendungen gesucht.

Kontakt:

Eduard Fassbind

CEO der Swisstec Micromachining AG

CH-9100 Herisau

www.swisstecag.com

(ID:42248982)