Femtosekunden-Laser erobert die Medizintechnik

Stuttgart, 11. April 2012. “Ob in der Herstellung von medizinischen Instrumenten oder Implantaten, der Laser arbeitet schnell, reproduzierbar und mit allerhöchster Qualität. Ohne Laser wären zum Beispiel Herzschrittmacher oder Stents gar nicht herstellbar”, erläutert Lothar Kugler, Geschäftsführer der Kugler GmbH. “Und dabei macht man sich immer mehr die Vorteile der Ultrakurzpulslaser-Materialbearbeitung zunutze”, ergänzt Dr. Erwin Jäger, Geschäftsführer von TOPAG Lasertechnik GmbH. Dass der Laser mittlerweile einen sehr hohen Stellenwert als Werkzeug in der Medizintechnik erlangt hat, wird auch die LASYS 2012, internationale Fachmesse für Laser-Materialbearbeitung, widerspiegeln. Sie öffnet vom 12. bis 14. Juni 2012 zum dritten Mal im Turnus von zwei Jahren ihre Pforten auf dem Stuttgarter Messegelände und lenkt ihren Fokus auf Maschinen, Verfahren und Dienstleistungen, einschließlich der laserspezifischen Maschinensubsysteme. Dabei ist die LASYS 2012 auf fast alle Branchen, wie etwa den Maschinenbau und Automobilsektor, die optische Industrie, metallbe- und -verarbeitende Industrie, den Anlagen- und Apparatebau, die Elektro- und Elektronikindustrie, die Medizintechnik, Präzisions- und Feinwerktechnik, Kunststoff- und Halbleiterindustrie sowie auf die Anwendung unterschiedlichster Materialien ausgerichtet.

“Die Medizintechnik lässt als starker, wachstumsstabiler Markt bei vielen Firmen, die dort noch nicht engagiert sind, das Gefühl aufkommen, ein wichtiges Geschäftsfeld zu vernachlässigen”, sagt Gerhard Hein, Geschäftsführer der Arbeitsgemeinschaft Laser und Lasersysteme für die Materialbearbeitung im VDMA. Sein Weltmarktvolumen wird Ende 2010 laut VDMA je nach Abgrenzung auf 100 bis 220 Milliarden US-Dollar geschätzt. Die Bandbreite der Laseranwendungen in diesem Marktsegment ist entsprechend sehr vielfältig: “Verfahren wie Laserschneiden, -strukturieren, -schweißen und -bohren, oder Laserbeschriften werden bei der Herstellung von Medizinprodukten bereits häufig eingesetzt etwa bei der Produktion von medizinischen Sägeblättern, Augenskalpellen, chirurgischen Nadeln und vielem mehr”, sagt Dr. Siegfried Pause, Geschäftsführer der LLT Applikation GmbH. Mit Nahtschweißen und Beschriften von Kameras für die Endoskopie, Schneiden und Schweißen von Wundspreizern, Punktschweißen von Fangkörbchen, Beschriften von Hüftgelenkspfannen, gasdichtem Schweißen von Herzschrittmachern ließe sich die Liste der Anwendungen noch lange weiterführen. Eines ist klar, die Medizintechnik stellt höchste Anforderungen an die Materialbearbeitung: Viele Produkte werden zunehmend kleiner, sie sollen zudem möglichst geringen thermischen Einfluss nehmen, sterilisations- und korrosionsbeständig sein, glatte, porenfreie Oberflächen besitzen, außerdem wirtschaftlich gefertigt werden möglichst ohne Nacharbeit und Reinigungsaufwand. Hinzu kommt, dass in der Medizintechnik eine große Produktvielfalt vorliegt, aber oft kleine Losgrößen. Einige Aussteller der LASYS 2012 zeigen beispielhaft, dass gerade wegen der hohen Anforderungen, Lasersysteme hier prädestiniert Einsatz finden.

“Es kommt auf die richtige Kombination der Laserstrahlquelle, des Materials selbst und der Maschine an, um optimale Laserschnitte oder Laserschweißnähte im Mikrometerbereich herzustellen”, hat Kugler erfahren. Die Kugler GmbH stellt 3- und 5-Achs-Laser-Mikrobearbeitungsmaschinen auf der LASYS 2012 vor, die in der Lage sind, mit mehreren unterschiedlichen Laserstrahlquellen zu arbeiten, oder auch im gleichen Arbeitsgang spanende Arbeitsschritte durchzuführen. “Das ermöglicht dem Hersteller, sehr komplexe Bauteile in einer Aufspannung in der gleichen Maschine zu bearbeiten. So können zum Beispiel in der neuen Maschinengeneration komplexe Mikrobauteile geschweißt, geschnitten und gekennzeichnet werden – jede Bearbeitung mit einer anderen Strahlquelle”, sagt Kugler. Ihm zufolge nehmen auch die Produktkennzeichnung, die Rückverfolgbarkeit und der Plagiatschutz in der Medizintechnik einen sehr hohen Stellenwert ein.

“Neben den klassischen Nd: YAG-Lasern werden heute zunehmend Faser- und Scheibenlaser angewendet, da sie sich aufgrund der hervorragenden Strahlqualität besonders für die Präzisions- und Mikrobearbeitung eignen”, erklärt Dr. Pause. LLT Applikation wird auf der LASYS 2012 die weiterentwickelte Laser-Präzisionsschneideanlage precicut 50/35 vorstellen, die besonders für die Fertigung von Präzisionsflachteilen wie Implantaten, medizinischen Sägeblättern, Brillengestellen aber auch rotationssymmetrischen Teilen, wie etwa Knochenbohrern, konzipiert ist. Sie sei laut LLT auf höchste Steifigkeit und Schwingungsstabilität ausgelegt und ermöglicht Schnittgeschwindigkeiten von bis zu 10 Meter/Minute und Fertigungsgenauigkeiten im Hundertstel-Millimeterbereich. Mit bis zu 5 NC-Achsen ist die Maschine sowohl für 2D- als auch 3D-Bearbeitung geeignet und das modulare Konzept ermöglicht es, unterschiedliche Laserstrahlquellen zu integrieren. Ein hochauflösendes Kamerasystem erkennt die Lage vorgefertigter Teile auf dem Bearbeitungstisch und korrigiert die Schneidprogramme automatisch. Für noch genauere Teile mit Toleranzen im µ-Bereich hat LLT weitere Präzisionsmaschinen im Programm.

Vieles weist darauf hin, dass die Zukunft des Lasers in der Materialbearbeitung der Medizintechnik dem Femtosekunden (fs)-Laser gehört. Laser mit Pulslängen im Piko- und Femtosekundenbereich werden auch Ultrakurzpuls-Laser (UKP) genannt. “Aufgrund der kurzen Lichtpulse erreicht man eine neue Qualität in der physikalischen Wechselwirkung von Licht und Materie. Hier wird auch von kaltem Schneiden gesprochen, weil durch diese äußerst kurzen Lichtimpulse nahezu überhaupt keine Wärme in das Material eingebracht wird”, erklärt Dr. Jäger. Die Schnittflächen seien in der Regel ideal glatt und völlig sauber und der Materialabtrag beschränke sich nur auf den Bereich des fokussierten Laserstrahls, der äußerst präzise eingestellt werden könne. “Stents bestehen zum Beispiel aus einer wärmeempfindlichen Nickel-Titan-Legierung mit Formgedächtnis. Die Materialeigenschaften werden bei einer konventionellen Laserbearbeitung oft negativ beeinträchtigt, was eine aufwändige mechanische Nachbearbeitung erfordert. Dabei können dünnwandige Stents leicht Schaden nehmen. Mit UKP-Laser lassen sich diese Nachteile vermeiden. Und sie erlauben zudem, neuartige bioabsorbierbare Stents zu bearbeiten”, berichtet Dr. Jäger weiter. Sie bestehen etwa aus Polymermaterialien, die sich nach einer bestimmten Zeit im Körper auflösen. Dr. Jäger schlussfolgert: “Solche Stents sind mit klassischer Lasertechnologie nicht herstellbar.” TOPAG wird auf der LASYS 2012 zwei fs-Laserserien vorstellen: Pharos mit Ausgangsleistung bis 20 Watt und Carbide mit zirka 4 Watt. Die Pulslänge bei Pharos liege für bestimmte Modelle sogar unter 200 fs, was TOPAG zufolge seinesgleichen suche. Carbide zeichne sich durch eine minimale elektrische Leistungsaufnahme von kleiner 300 Watt, seiner kompakten Bauweise und Preisvorteile aus.

“Die Qualitätsanforderungen im Medizintechnikbereich stellen höchste Ansprüche an das Gesamtsystem, da neben dem richtigen Laser, die Handhabung der Teile sowie die Prozessvalidierung entscheidend für die Serienproduktion ist”, betont Dieter Mairhörmann, Sales Manager Medical Industry bei der ROFIN-BAASEL Lasertech GmbH. Der Aussteller der LASYS 2012 hat sich schon frühzeitig als Anbieter von Komplettsystemen etabliert. Etwa zur Vermeidung von unerwünschter Gratbildung beim Laserschneiden von Stents hat das Unternehmen Systeme mit neuartigen Strahlquellen im Portfolio: “Zum Beispiel wurden Faserlaser mit speziellen Pulseigenschaften entwickelt, die gegenüber herkömmlichen Lasern ein deutlich besseres Austriebsverhalten der Schmelze bewirken und etwa Formgedächtnislegierungen wie Nitinol auch in Dickenbereichen bis zu 1 mm schnell und gratarm schneiden können. Völlig ohne Gratbildung, jedoch bei noch etwas geringerer Geschwindigkeit, funktioniert das Schneiden mit Femtosekunden-Lasern”, so Mairhörmann weiter. Die Laserquellen StarFiber und StarFemto werden einfach in das System StarCutTube eingebaut, um rohrförmiges Halbzeug mit Schnittspaltbreiten im Bereich kleiner 20 µm zu schneiden. “Mit Femtosekunden-Lasern integriert in StarCutTube-Anlagen ist schon heute eine industriell zuverlässige Bearbeitung von bioresorbierbaren Materialien verfügbar”, resümiert Mairhörmann.

Laser-Maschinen etwa für die Stents-Herstellung benötigen auch hochpräzise Bewegungssysteme. “Gerade im stark umkämpften Stent-Fertigungsmarkt gewinnt die permanente Steigerung der Produktionsleistung immer mehr an Bedeutung”, meint Stefan Köcher vom technischen Vertrieb bei Aerotech. Um diesen hohen Anforderungen gerecht zu werden, bietet Aerotech, ebenfalls Aussteller auf der LASYS 2012, mit VascuLathe ein voll integriertes Bewegungssystem. Es kombiniert ein automatisierbares Materialhandling mit direkt angetriebenen Linear- und Rotationseinheiten für den absoluten Hochleistungsbereich. “Gegenüber traditionellen Lösungen sind Durchsatzerhöhungen um das Zwei- bis Fünffache erreichbar”, so Köcher weiter. Zugleich ließen sich dem Experten zufolge die Fertigungstoleranzen im Submikrometerbereich weiter minimieren, was eine konstant hohe Produktqualität sichere, oder diese sogar verbessere.

Auch Kugler und Dr. Pause sehen eine der zukünftigen Herausforderungen für Laser-Materialbearbeitungsmaschinen der Medizintechnik in der Integration von Ultrakurzpuls-Lasern. “Mit diesen Strahlquellen können die Fertigungsgrenzen bezüglich Genauigkeit und Bearbeitungsqualität nochmals erweitert werden”, meint Dr. Pause und offenbart: “Noch in diesem Jahr wird LLT Maschinen mit UKP auf den Markt bringen.” Zukünftige Mikro-Laserbearbeitungsmaschinen müssten laut Kugler zudem eine extrem hohe Verfahrdynamik der NC-Achsen aufweisen, um entsprechende Fertigungsgenauigkeit gewährleisten zu können. So müssten zum Beispiel Maßnahmen ergriffen werden, die Steifigkeit zu erhöhen bei gleichzeitig reduzierter Maschinengröße. Mehr erfahren Besucher auf der LASYS 2012. Sie ist eine einzigartige branchen- und materialübergreifende Präsentations- und Kommunikationsplattform gezielt für die Laser-Materialbearbeitung. Ein hochkarätiges Rahmenprogramm sorgt für die Weiterbildung und den internationalen Wissensaustausch. Zur LASYS 2012 werden 200 Aussteller erwartet.
Über die LASYS:

Maschinen, Verfahren und Dienstleistungen, einschließlich der laserspezifischen Maschinensubsysteme, stehen im Fokus der LASYS, deren Markenzeichen die einzigartige branchen- und materialübergreifende Ausrichtung ist. Als Industrieshow wendet sich die LASYS gezielt an Anwender und Anbieter der Laser-Materialbearbeitung.

Hinweise für Journalisten:
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