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Perfektion dank Licht: Miniaturisierte Medizinprodukte mit dem Laser bearbeiten

| Autor/ Redakteur: Erik Poulsen / Kathrin Schäfer

In der Medizintechnik und speziell der minimal-invasiven Chirurgie ist der Trend zu immer kleineren Sonden, Kameras und Instrumenten weiter ungebrochen. Für ihre Herstellung ist die Laserbearbeitung ideal, denn mit ihr lassen sich Abmessungen im Hundertstelmillimeter- sowie Toleranzen im Mikrometer-Bereich realisieren.

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Für Markierbänder für Katheter ist die Herstellung mittels Laserbearbeitung ideal geeignet.
Für Markierbänder für Katheter ist die Herstellung mittels Laserbearbeitung ideal geeignet.
(Bild: GF Machining Solutions)
  • Laserbearbeitung in der Medizintechnik
  • Abmessungen im Hundertstelmillimeter- sowie Toleranzen im Mikrometer-Bereich realisieren
  • USP-Laser-Workstation für präzise, saubere, gratfreie Oberflächen

Bei der Laserbearbeitung wird starkes Laserlicht erzeugt und mittels Linsen und Spiegeln auf einen Punkt gebündelt. Aktuelle Technologien nutzen gewöhnlich Fiberlaser und ermöglichen einen gerade einmal 20 µm großen, gebündelten Lichtpunkt. Trifft dieser Laser auf die Werkstoffoberfläche, werden die Atome so stark erwärmt, dass das Material schmilzt und sogar verdampft – Metall wird vom festen in den gasförmigen Aggregatzustand versetzt. Das Laserlicht ist gepulst, das heißt, kurze Lichtstöße schmelzen oder verdampfen das zu schneidende Material (Ablation). Der Einsatz eines ultrakurzgepulsten oder USP-Lasers (mit einer Pulsdauer von wenigen Pico- oder gar Femtosekunden) verkleinert den Schmelzbereich (die „Wärmeeinflusszone“, kurz HAZ). Das Material wird dabei verdampft, sodass praktisch keine HAZ, aber eine sehr saubere und exakte Kante entsteht.

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Wie bei herkömmlichen Bearbeitungsverfahren werden bei der Laserbearbeitung CAD-Dateien in Maschinenbefehle umgesetzt, anhand derer der Laser das Produkt herstellt. Mit dem Bearbeitungssystem wird der gebündelte Lichtstrahl dort positioniert, wo Material abgetragen werden muss. Hierbei gibt es im Allgemeinen zwei Ansätze, um ein Produkt herzustellen: Entweder bleibt der Laserstrahl an derselben Stelle und der Werkstoff wird bewegt, oder der Werkstoff bleibt an Ort und Stelle und die Teilegeometrie wird mithilfe eines Scanners überwacht.

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Mit beiden Verfahren lässt sich eine sehr hohe Präzision erreichen. Auf welchen Ansatz die Wahl fällt, richtet sich nach der Anwendung: Die Teilegröße, die Werkstoffdicke und die Geometrien der Produktmerkmale bestimmen, welcher Ansatz am besten geeignet ist. Moderne USP-Anlagen, die Positioniergenauigkeiten von +/- 1 µm (und eine noch bessere Wiederholbarkeit) erreichen, ermöglichen ein kräftiges Wachstum im Bereich der USP-Mikrobearbeitung. Möglich wird diese Positioniergenauigkeit nur durch eine hochstabile Maschinenplattform – wichtig sind dabei die Thermostabilität sowie die Standfestigkeit. Microlution, eine Marke von GF Machining Solutions, stellt Maschinen mit dieser hohen Stabilität und Wiederholbarkeit her.

Teilequalität und Dokumentation sind in der Medizintechnik unerlässlich

Im Vergleich zu herkömmlichen Bearbeitungssystemen bieten die USP-Laser-Workstations von Microlution zahlreiche Vorteile. Der Materialabtrag mittels Laser führt nicht nur zu sehr präzisen, sauberen, gratfreien Oberflächen, sondern erfolgt auch frei von Verunreinigungen,die auftreten können, wenn das Schneidwerkzeug zuvor Kontakt mit einem anderen Werkstoff hatte. Außerdem müssen Laser-Schneidwerkzeuge von Microlution nie nachgeschärft werden; auch werden weder Schneidöle noch -flüssigkeiten benötigt. Mittels USP-Laser bearbeitete Teile erfordern darüber hinaus eine weniger umfangreiche Nachbearbeitung; Schritte wie das Waschen oder Entgraten entfallen. Allein diese beiden Vorteile bringen es mit sich, dass sich der Umwelteinfluss der Teileproduktion durch die Laser-basierte Bearbeitung deutlich reduziert. Zudem kann ein Prozess auf Basis eines USP-Lasers an unterschiedliche Werkstoffe oder Produktdesigns angepasst werden – einfach durch Änderung der Systemparameter oder der Software. Bei der Bearbeitung mittels USP-Laser sind zudem Merkmale realisierbar, die mit herkömmlichen Werkzeugen unmöglich sind, zum Beispiel negativ konische Bohrungen. Zudem kann ein USP-Laser für die Bearbeitung vielfältigster Werkstoffe wie Metalle, Glas und Keramik konfiguriert werden, was für Hersteller erheblich mehr Flexibilität bedeutet.

Trotz der zahlreichen Vorteile dieses Verfahrens gibt es auch für einen Laser Grenzen des Machbaren. Eine wichtige Beschränkung ist die Materialabtragsrate, die in der Regel bei 0,002 bis 0,02 mm3 pro Sekunde liegt. USP-Laser tragen Material mittels Ablation ab, doch die tatsächliche Ablationsrate ist von Faktoren wie dem Winkel des Laserstrahls relativ zur Werkstoffoberfläche und der Art des Werkstoffs abhängig.

Die Teilequalität, die Effizienz und die Dokumentation sind bei der Herstellung medizinischer Geräte wichtige Punkte. Voraussetzung für eine effiziente Fertigung ist ein Bearbeitungssystem, das automatisiert werden kann, etwa mit einem Roboter, der Teile laden und entnehmen kann. Neben der Möglichkeit, ein System mit der internen ERP-Lösung zu vernetzen, erfordert die Herstellung medizinischer Geräte, dass das System wichtige Einstellungen und Systemeinstellungen dokumentiert und speichert. Die Laserbearbeitung wird in einer ganzen Reihe von Anwendungsgebieten dazu verwendet, den Produktionsprozess zu beschleunigen und die Produktqualität zu verbessern. Katheter-Markierungsbänder und die miniaturisierten Merkmale von HF-Ablationskathetern, wie sie bei Herzoperationen verwendet werden, sind zwei wichtige Beispiele. Bei beiden genannten Produktfamilien wie auch bei modernen medikamentenbeschichteten Mikrostents kommt im Herstellungsprozess fast ausschließlich die Technologie der Laserbearbeitung zum Einsatz. GF Machining Solutions bietet mit Microlution Maschinen an, die für die Fertigung von mikrokleiner Medizinprodukte konzipiert sind.

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* Der Autor: Erik Poulsen ist Medical Segment Manager bei GF Machining Solutions.

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