Laserbearbeitung Symbiose von Auftragsfertigung und Maschinenbau

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Das Einbringen von Konturen und Bohrungen in Präzisionsrohre im mikroskopischen Bereich – diese Aufgabenstellung wäre vor einigen Jahren noch kaum realisierbar gewesen. Doch der Einsatz neuester Femtosekundenlaser macht Lasermikrobearbeitung und die erfolgreiche Umsetzung verschiedener Kundenprojekte möglich.

Egal ob in der Gefäßchirurgie, der Urologie oder der Augenheilkunde, Präzisionsrohre kommen in einer Vielzahl medizinischer Fachbereiche für unterschiedliche Zwecke zum Einsatz. So sind Kanülen, Stents oder Katheter nur eine kleine Auswahl von Instrumenten, Operationsgeräten und Implantaten in der modernen Medizin. Um Eingriffe möglichst minimalinvasiv zu gestalten, bewegen sich die Dimensionen dieser Medizintechnikprodukte nicht selten im mikroskopischen Bereich.

Die LLT Applikation GmbH aus Ilmenau hat sich als Fertigungsdienstleister und Maschinenbauer von Serienanlagen für die Lasermikrobearbeitung auf die Herstellung und Bearbeitung von Kleinst- und Mikrokomponenten spezialisiert. Über die vergangenen 20 Jahre hat das Unternehmen eine Expertise in der Laserbearbeitung rohrförmiger Bauteile entwickelt. Während dieser Zeit sahen sich die Applikationsingenieure und Entwickler des Unternehmens immer wieder mit speziellen Anforderungen konfrontiert, denen man auch dank der permanenten Weiterentwicklung und Industrialisierung moderner Laserquellen begegnen konnte.

Ein Projekt, das den hohen Anspruch und die Vielfältigkeit der Herausforderungen für die Spezialisten aus Thüringen besonders deutlich macht, konnte das Unternehmen kürzlich erfolgreich abschließen. Die Aufgabenstellung bestand im Einbringen von Konturen und Bohrungen mit Durchmessern von 300 µm in einen rohrförmigen Edelstahlrohling. Im Auftrag des Kunden produzierte die LLT Applikation zunächst als Fertigungsdienstleister über 300.000 Stück solcher Kanülen und begann 2021 parallel mit der Neuentwicklung der Laserpräzisionsanlage LLT.micro.compact. Seit ihrer Inbetriebnahme im September ermöglicht die Maschine dem Auftraggeber die Fertigung der Kanülen im eigenen Haus.

Besondere Herausforderung: kleiner Durchmesser und verschlossenes Rohrende

Die Herausforderung bei der Bearbeitung der rohrförmigen Präzisionsbauteile bestand allerdings nicht allein in den winzigen Dimensionen der Rohlinge oder der einzubringenden Bohrungen. Vielmehr spielte die Forderung nach einer wirtschaftlichen Fertigung vor dem Hintergrund verschiedener Produktvarianten und des besonderen Ausgangszustands der Rohmaterialien eine zentrale Rolle. Während nämlich automatische Zuführsysteme in der Lage sind, Rohre von mehreren Metern Länge zuzuführen und damit einen längerfristigen autarken und besonders wirtschaftlichen Betrieb sicherzustellen, kam ein Rohrlader im konkreten Fall nicht infrage.

Dies lag zum einen daran, dass die zu bearbeitenden, 40 mm langen Rohrabschnitte bereits vereinzelt waren. Zudem waren die Rohlinge mit ihrem 0,5 mm kleinen Außendurchmesser an einem Rohrende verschlossen. Und auch die Gefahr von Beschädigungen der nur 50 µm starken Rohrwände durch ein automatisches Zuführsystem sprach von Beginn an für eine Kombination aus Einzelteilhandling und Batchfertigung. Nicht zuletzt dank eines ausgeklügelten Mechanismus zur Klemmung und Fixierung konnten die Ingenieure die veredelten Halbzeuge wirtschaftlich prozessieren.

Femtosekundenlaser bietet schonende und sichere Bearbeitung

Sowohl bei der Auftragsfertigung der 300.000 Kanülen als auch in der neu entwickelten LLT.micro.compact kam ein Femtosekundenlaser zum Einsatz. Die 5 W starke Laserquelle ermöglicht bei den genannten 500 µm Außendurchmesser und 400 µm Innendurchmesser eine Bearbeitung der Röhrchen, ohne die gegenüberliegende Rohrinnenwand zu beschädigen. Und selbst bei noch kleineren Abmessungen sind gratfreie Schnittkonturen ohne Beschädigungen möglich.

Darüber hinaus erlaubt die Verwendung eines Femtosekundenlasers die besonders schonende Bearbeitung empfindlicher Materialien und Geometrien, wie sie z. B. im Fall medizinischer Gefäßstützen üblich sind. Die geringe thermische Belastung stellt sicher, dass die gewünschten funktionalen Materialeigenschaften erhalten bleiben, selbst wenn ein zusätzliches Spülen der Bauteile mit Wasser während der Laserbearbeitung aufgrund der verschlossenen Rohrenden oder der winzigen Dimensionen der Rohrabschnitte nicht möglich ist.

Nicht nur die Laserquelle will gut gewählt sein

Egal ob bei der Auftragsfertigung oder beim Bau von Maschinen zur Lasermikrobearbeitung, für optimale Ergebnisse spielen die Entwicklung und Realisierung komplexer, hochpräziser Vorrichtungen eine mindestens genauso wichtige Rolle wie die Auswahl der geeigneten Laserquelle oder der passenden Komponenten für die Maschinenkinematik. Schließlich müssen die Mikrobauteile zum Zweck der Bearbeitung präzise positioniert und fixiert werden. So musste der Werkstückträger im genannten Projekt derart konzipiert werden, dass die Rohrabschnitte trotz des geringen Außendurchmessers ohne Spiel geklemmt werden.

Hinzu kamen weitere Anforderungen an die Vorrichtung. In erster Linie durfte der Klemmmechanismus die Bauteile nicht beschädigen, da bereits kleinste Kratzer oder Verformungen die einwandfreie Funktionsfähigkeit der Kanülen gefährden. Des Weiteren sollte der Werkstückträger ein optimales Verhältnis zwischen seinen Abmessungen, seinem Fassungsvermögen, also der Anzahl der in einer Aufspannung zu bearbeitenden Kanülen, und der uneingeschränkten Zugänglichkeit der Prozessoptik gewährleisten.

Außerdem war bei der Gestaltung der Vorrichtung zu berücksichtigen, dass die Rohlinge in ein und derselben Aufspannung an der Ober- und Unterseite prozessiert werden können. Diese Anforderung war deshalb von besonderer Bedeutung, da bei der Laserbearbeitung der Oberseite auf bereits eingebrachte Konturen auf der gegenüberliegenden Seite des Bauteils referenziert werden sollte.

Anwender und Auftragsfertigung profitieren von durchdachter Ergonomie

Die Erfahrungen als Fertigungsdienstleister für Aufgabenstellungen der Lasermikrobearbeitung halfen den Maschinenbauern der LLT Applikation allerdings nicht nur bei der funktionalen Gestaltung von Laseranlage und Werkstückträger. Vielmehr profitieren die Maschinenbediener in der eigenen Auftragsfertigung ebenso wie die Anwender beim Kunden auch in ergonomischer Hinsicht von der Expertise. Diese äußert sich z. B. im einfachen Handling von Werkstückträger und Klemmmechanismus, einer Automatiktür oder der integrierten optischen Qualitätskontrolle, die Schnittrückstände automatisch erkennt, die betroffenen Bauteile selbständig klassifiziert und dem Operator durch entsprechende Darstellungen auf der Benutzeroberfläche das Aussortieren von Ausschussteilen erleichtert.

Vertriebsleiter Benny Wagner sieht das Nebeneinander von Fertigungsdienstleistung und Maschinenbau als wichtige Grundlage für den Erfolg der LLT Applikation. „Unsere Auftragsfertigung profitiert seit jeher von den Erfahrungen und Erkenntnissen aus unserem Maschinenbau und umgekehrt“, erklärt der 34-Jährige.

Weitere Artikel über Auftragsfertigung und Fertigungseinrichtungen finden Sie in unserem Themenkanal Fertigung.

* Sebastian Kull arbeitet im Vertrieb & Marketing bei der LLT Applikation GmbH

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