Ophir Spiricon Europe / MKS Instruments Regelmäßige Prüfungen der Lasertechnik sind unumgänglich

Laser kommen bei der Fertigung sensibler Medizinprodukte wie Stents oder Herzschrittmacher zum Einsatz. Entsprechend gründlich und regelmäßig sollte die Leistung des Lasers überprüft werden.

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• Produktionsprozesse mit Lasertechnik für die Medizintechnik

• Qualitätsprüfung in der Produktion

• Messung der Laserleistung

Stents werden filigran geschnitten, Herzschrittmacher mit Lasern für gleichzeitig feinste und absolut dichte Nähte geschweißt und Implantate im Selective Laser Manufacturing individuell auf Patienten abgestimmt – Laser kommen in sehr vielen Produktionsprozessen in der Medizintechnik zum Einsatz, eines haben sie gemeinsam: Die Qualität des gefertigten Produktes entscheidet maßgeblich über den Erfolg der Behandlung eines Menschen. Hier scheint es naheliegend, dass alle Anstrengungen unternommen werden, um Schlechtteile zu vermeiden. Die regelmäßige Prüfung des Laserstrahls trägt wesentlich zur Prozesssicherheit bei. Tatsächlich wird die Entwicklung einer Laseranlage für die Medizinproduktion begleitet von zahlreichen Messungen, und die Anlagen durchlaufen vor der Marktreife viele Optimierungsstadien. Auch vor der Auslieferung führen die Hersteller in der Regel umfangreiche Qualitätsprüfungen durch. Ist die Anlage aber erst in der Produktion, vertrauen viele Anwender – wenn überhaupt – einzig auf der Messung des Laserleistung. Hier bietet sich den Unternehmen hinsichtlich ihrer Produktqualität eindeutig Optimierungspotenzial. Warum dieses genutzt werden sollte, zeigt das nachfolgende Beispiel.

Ein Hersteller von geschweißten Implantaten fertigte die gleichen Produkte an zwei Standorten und verwendete dazu Laseranlagen des exakt gleichen Typs. Während die Produktion an einem Standort reibungslos und nahezu ohne Ausschuss funktionierte, mussten an der zweiten Anlage regelmäßig zahlreiche Teile aussortiert werden. Sie erfüllten die Qualitätsanforderungen nicht. Erst die Ermittlung der beiden Laserstrahlprofile brachte das Problem ans Licht: Bei der Anlage, die regelmäßig Ausschuss produzierte, entsprach das Laserstrahlprofil in keiner Weise den Vorgaben. Beide Laser sollten bei 9 Hz und einer Pulsdauer von 5 ms laut Spezifikation die gleiche Pulsspitzenleistung erzeugen. Auf den Bildern ist deutlich zu erkennen, dass die Pulsenergie rechts trotz gleicher Parameter deutlich schwächer und der Fokusdurchmesser größer war.

Laserfertigung von Medizinprodukten wird immer anspruchsvoller

Der Zusammenhang von Fokusgröße und Leistungsdichte zeigt schnell auf, warum der größere Fokusdurchmesser so signifikante Auswirkungen zeigt: Der halbe Fokusdurchmesser resultiert in der vierfachen Leistungsdichte. In diesem Beispiel hätte schon eine Energiemessung des Strahls einen Hinweis ergeben, das Strahlprofil macht das Ausmaß direkt sichtbar. Doch wo liegen die Ursachen für die Unterschiede zwischen den beiden Anlagen? Während die Laserstrahlquellen in der Regel vor äußeren Einflüssen gut geschützt stabile Leistungen liefern, unterliegen beispielsweise die optischen Komponenten zur Fokussierung des Strahls Alterungs- und Verschleißprozessen. Teilweise sind sie auch schlicht nicht optimal im Strahlengang positioniert. Beides lässt sich in der Regel nicht mit bloßem Auge erkennen, Fehler schleichen sich unerkannt ein. Es sei denn, der fokussierte Strahl wird regelmäßig vermessen.

In diesem Beispiel wurde die Strahlprofilmessung als Analysetool genutzt, um die Produktion von Ausschuss zu erklären. Im Interesse der Hersteller und der Patienten gilt es aber vielmehr, Ausschuss zu vermeiden. Dieses Ziel lässt sich mit präventiven Strahlprofilmessungen erreichen, die – in regelmäßigen Abständen durchgeführt – Trends aufzeigen. Sobald eine Verschlechterung der Werte beobachtet wird, können entsprechende Gegenmaßnahmen ergriffen werden. Bei der Produktion besonders sensibler Produkte bietet sich eine engmaschige Qualitätsprüfung vor jedem produzierten Teil an, um die Qualität und somit den Marktwert des gefertigten Produkts weiter zu steigern. Die Entscheidung, welche Messfrequenz für eine Anlage sinnvoll ist, hängt von der entsprechenden Risiko- und Potentialbewertung des Anwenders ab. Liegt diese Einschätzung vor, geht es um die Auswahl der geeigneten Messtechnik und die Entscheidung, ob manuell oder automatisiert gemessen werden sollte. Grundsätzlich lässt sich das Strahlprofil nach unterschiedlichen Messprinzipien ermitteln. Man unterscheidet zwischen schlitz- und kamerabasierten sowie berührungslosen Messgeräten.

Die Messmethode hängt vom Laser, der Anlage und den Zielen ab

Die Anwendungen für Lasertechnik in der Fertigung von Medizinprodukten haben sich in den letzten Jahren stark diversifiziert. Damit einher ging die Entwicklung immer anspruchsvollerer Prozesse sowohl beim Schneiden als auch beim Schweißen. Immer höhere Ansprüche an die Fügestellen oder die fortlaufende Miniaturisierung seien hier beispielgebend genannt. Laseranlagen im Betrieb zu prüfen erhöht die Produktqualität, senkt den Energieverbrauch und schont Ressourcen. Mit einer Strahlprofilmessung lässt sich das Potential sehr gut ausschöpfen. Welche Messmethode genutzt werden kann, hängt maßgeblich vom jeweiligen Laser, der Anlage und den (basierend auf einer Risikobewertung) festgelegten Zielen ab. Dieser Prozess stellt für die Anwender nicht selten eine hohe Barriere dar und lässt sich am besten mit Unterstützung von Messtechnikexperten bewältigen.

Erfahrene Vertriebsingenieure analysieren die gegebenen Parameter detailliert und ermitteln daraus die entsprechenden Empfehlungen, die dann vor Ort demonstriert werden. Der Blick auf aktuelle Entwicklungen im Bereich Digitale Fertigung zeigt, dass die Strahlanalyse in digitalisierten Prozessketten mit Lasern unumgänglich werden wird. Die Technologien sind heute schon verfügbar.

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