Laserlösungen für das Geräteschneiden aus Rohren und Flachmaterial

Roland Wölzlein | Aug 17, 2020

Heutzutage wird fast das gesamte Präzisionslaserschneiden von Metallen und Nichtmetallen mit Werkzeugen durchgeführt, die entweder mit Faserlasern oder Ultrakurzpulslasern (UKP) oder manchmal mit beidem ausgestattet sind. In diesem Artikel erläutern wir die unterschiedlichen Vorteile beider Lasertypen und schauen uns an, wie zwei Hersteller diese Laser einsetzen. NPX Medical (Plymouth, MN) ist ein Auftragsunternehmen für Spezialbearbeitung für eine Vielzahl von Geräten und Einsatzwerkzeugen wie Stents, Implantate und flexible Schläuche, wobei eine Maschine mit integriertem Faserlaser zum Einsatz kommt. Motion Dynamics stellt Unterbaugruppen wie „Zugdraht“-Baugruppen hauptsächlich für den Einsatz in der Neurologie her und nutzt dabei eine Maschine mit integriertem USP-Femtosekundenlaser sowie eines der neuesten Hybridsysteme, das sowohl einen Femtosekundenlaser als auch einen Faserlaser umfasst, für maximale Flexibilität und Vielseitigkeit.

Viele Jahre lang wurden die meisten Lasermikrobearbeitungen mit Festkörper-Nanosekundenlasern, sogenannten DPSS-Lasern, durchgeführt. Durch die Entwicklung zweier recht unterschiedlicher und damit komplementärer Lasertypen hat sich diese Situation nun völlig verändert. Der Faserlaser, der ursprünglich für die Telekommunikation entwickelt wurde, hat sich in vielen Branchen zu einem Arbeitslaser für die Materialbearbeitung entwickelt, meist bei Wellenlängen im nahen Infrarot. Der Grund für seinen Erfolg ist seine einfache Architektur und die unkomplizierte Skalierbarkeit der Leistung. Dies führt zu Lasern, die kompakt, äußerst zuverlässig und einfach in Spezialmaschinen integrierbar sind und in der Regel niedrigere Betriebskosten als ältere Lasertypen bieten. Und was für die Mikrobearbeitung wichtig ist: Der Ausgangsstrahl kann auf einen kleinen, sauberen Punkt von nur wenigen Mikrometern Durchmesser fokussiert werden, sodass sie sich gut für hochauflösendes Schneiden, Schweißen und Bohren eignen. Ihr Ausgang ist außerdem äußerst flexibel und steuerbar, mit Pulsfrequenzen von Einzelschuss bis 170 kHz. Zusammen mit der skalierbaren Leistung unterstützt dies schnelles Schneiden und Bohren.

Der einzige potenzielle Nachteil von Faserlasern in der Mikrobearbeitung besteht jedoch in der Bearbeitung kleiner Merkmale und/oder dünner, empfindlicher Teile. Die lange Impulsdauer (z. B. 50 µs) kann zu einer geringen Menge an Wärmeeinflusszonen (HAZ) wie Neugussmaterial und geringer Kantenrauheit führen, die möglicherweise eine gewisse Nachbearbeitung erfordern. Glücklicherweise beseitigt der neue Lasertyp – der Ultrakurzpulslaser (USP) mit Femtosekunden-Ausgangsimpulsen – das HAZ-Problem.

Bei UKP-Lasern wird der Großteil der mit dem Schneid- oder Bohrvorgang verbundenen zusätzlichen Wärme in den ausgeworfenen Rückständen abgeführt, bevor diese Zeit haben, sich im umgebenden Material auszubreiten. UKP-Laser mit Pikosekunden-Ausgangsleistung werden seit langem in Mikrobearbeitungsanwendungen für Kunststoffe, Halbleiter, Keramik und einige Metalle eingesetzt (eine Pikosekunde = 10–12 Sekunden). Aber bei Metallgeräten mit Streben so klein wie ein menschliches Haar führten die hohe Wärmeleitfähigkeit des Metalls und die winzigen Abmessungen dazu, dass Pikosekundenlaser nicht immer die besseren Ergebnisse lieferten, die die höheren Kosten früher UKP-Laser rechtfertigen würden. Diese Situation hat sich nun mit dem Aufkommen industrietauglicher Femtosekundenlaser (eine Femtosekunde = 10-15 Sekunden) geändert. Ein Beispiel ist die Monaco-Laserserie von Coherent Inc. Wie Faserlaser liegt ihre Leistung im nahen Infrarot, was bedeutet, dass sie alle in medizinischen Geräten verwendeten Metalle schneiden oder bohren können, einschließlich Edelstahl, Platin, Gold, Magnesium, Kobalt-Chrom, Titan usw. sowie Nichtmetalle. Und während die Kombination aus kurzer Pulsdauer und geringer Pulsenergie thermische Schäden (HAZ) verhindert, gewährleistet die hohe (MHz) Wiederholungsrate kostengünstige Durchsatzgeschwindigkeiten für viele hochwertige medizinische Geräte.

Natürlich braucht in unserer Branche praktisch niemand nur einen Laser; Vielmehr benötigen sie eine laserbasierte Maschine, und es gibt mittlerweile eine Reihe von Spezialmaschinen, die für das Schneiden und Bohren medizinischer Geräte optimiert sind. Ein Beispiel ist die StarCut Tube-Serie von Coherent, die mit einem Faserlaser, einem Femtosekundenlaser oder als Hybridversion, die beide Lasertypen umfasst, erhältlich ist.

Was verstehen wir unter „spezialisiert für Medizinprodukte“? Die meisten dieser Geräte werden in begrenzten Stückzahlen hergestellt, oft basierend auf kundenspezifischen Designs. Flexibilität und Benutzerfreundlichkeit sind daher entscheidende Überlegungen. Und während viele Geräte aus Rohrrohlingen hergestellt werden, müssen einige Komponenten aus Flachmaterial präzisionsgefertigt werden; Die gleiche Maschine muss beides bewältigen, um ihren Wert zu maximieren. Diese Anforderungen werden in der Regel durch die Bereitstellung mehrerer CNC-gesteuerter (xyz- und rotatorischer) Bewegungsachsen zusammen mit einer benutzerfreundlichen HMI für einfache Programmierung und Steuerung erfüllt. Beim StarCut Tube ermöglicht ein neues optionales Tubenlademodul mit Seitenlademagazin (StarFeed genannt) für Tuben bis zu 3 m Länge und Sortierer für die geschnittenen Produkte eine vollautomatische Hands-Off-Produktion.

Die Prozessflexibilität dieser Maschinen wird durch die Unterstützung sowohl des Nass- als auch des Trockenschneidens sowie einer leicht einstellbaren Förderdüse für Prozesse, die ein Hilfsgas benötigen, weiter erhöht. Auch bei der Bearbeitung sehr kleiner Teile ist die räumliche Auflösung besonders wichtig, was eine thermomechanische Stabilität bedeutet, um die Auswirkungen von Vibrationen zu eliminieren, die häufig in Maschinenwerkstätten auftreten. Dieser Bedarf wird bei der StarCut Tube-Serie dadurch erfüllt, dass die gesamte Schneidplattform aus massiven Granitelementen aufgebaut ist.

NPX Medical ist ein relativ neuer Vertragshersteller, der Design-, Engineering- und Präzisions-Laserschneiddienstleistungen für Hersteller medizinischer Geräte anbietet. Das 2019 gegründete Unternehmen hat sich in der Branche schnell einen Ruf für Qualitätsprodukte und schnelle Reaktionen zur Unterstützung einer breiten Palette von Geräten erarbeitet, darunter Stents, Implantate, Klappengerüste und flexible Einführschläuche für eine ebenso vielfältige Reihe chirurgischer Eingriffe, darunter neurovaskuläre, Herz-, Nieren-, Wirbelsäulen-, Orthopädie-, Gynäkologie- und Magen-Darm-Eingriffe. Die wichtigste Laserschneidmaschine ist die StarCut Tube 2+2, ausgestattet mit einem StarFiber 320FC mit 200 Watt Durchschnittsleistung. Mike Brenzel, einer der NPX-Gründer, erklärte: „Die Gründer brachten jahrelange Erfahrung in der Entwicklung und Herstellung medizinischer Geräte mit – insgesamt über 90 Jahre – und zuvor Erfahrung mit ähnlichen StarCut-Maschinen, die Faserlaser verwenden. Ein Großteil unserer Arbeit umfasst das Schneiden von Nitinol.“ , und wir wussten bereits, dass ein Faserlaser die Geschwindigkeit und Qualität liefern würde, die wir brauchten. Wir brauchen Geschwindigkeit für dickwandige Schläuche und Geräte wie Herzklappen, bei denen ein UKP-Laser für unsere Anforderungen möglicherweise zu langsam ist. Zusätzlich zu großen Produktionsaufträgen – Wir sind auf die Herstellung von Teilen in kleinen Mengen spezialisiert – zwischen nur 5 und 150 Einheiten – und unser Ziel ist es, diese kleinen Chargen in nur wenigen Tagen vollständig abzuwickeln, einschließlich Design, Programmierung, Schneiden, Formen, Nachbearbeitung und Inspektion Im Gegensatz zu größeren Unternehmen, die nach der Auftragserteilung möglicherweise mehrere Wochen benötigen.“ Neben der Geschwindigkeit erwähnte Brenzel auch die Zuverlässigkeit der Maschine als großen Vorteil, da in den letzten 18 Monaten nahezu ununterbrochenen Betriebs kein einziger Serviceeinsatz erforderlich war.

Abbildung 2. NPX bietet eine Vielzahl von Nachbearbeitungsoptionen. Das hier gezeigte Material ist T316-Edelstahl mit einem Außendurchmesser von 5 mm und einer Wandstärke von 0,254 mm. Der linke Seitenteil ist im Zuschnitt/mikrogestrahlt, der rechte Seitenteil ist elektropoliert.

Neben Nitinol-Teilen arbeitet das Unternehmen auch intensiv mit Kobalt-Chrom, Tantal, Titan und verschiedenen Arten medizinischer Edelstähle. Jeff Hansen, Laserbearbeitungsmanager, erklärte: „Die Maschinenflexibilität ist ein weiterer wichtiger Vorteil, der es uns ermöglicht, ein wirklich vielfältiges Spektrum an Materialschnitten zu unterstützen, darunter sowohl Rohre als auch Flachmaterial. Wir können den Strahl auf einen Punkt von 20 Mikrometern fokussieren, was.“ eignet sich hervorragend für dünnere Rohre. Einige dieser Rohre haben einen Innendurchmesser von nur 0,012 Zoll und das hohe Verhältnis von Spitzenleistung zu Durchschnittsleistung der neuesten Faserlaser maximiert unsere Schnittgeschwindigkeiten und liefert dennoch die gewünschte Kantenqualität. Und das brauchen wir auf jeden Fall die Geschwindigkeit für größere Produkte, die einen Außendurchmesser von bis zu 1 Zoll haben könnten.“

Neben präzisem Schneiden und schneller Reaktion bietet NPX auch eine umfassende Palette an Nachbearbeitungstechniken sowie umfassende Designdienstleistungen, die auf seiner umfangreichen Erfahrung in der Branche basieren. Zu diesen Techniken gehören Elektropolieren, Sandstrahlen, Beizen, Laserschweißen, Wärmefixieren, Umformen, Passivieren, Af-Temperaturtests und Ermüdungstests, die alle für die Herstellung von Nitinol-Geräten von entscheidender Bedeutung sind. Brenzel sagte, dass der Einsatz von Nachbearbeitung zur Manipulation der Kantenbeschaffenheit „häufig davon abhängt, ob es sich um Anwendungen mit hoher oder geringer Ermüdung handelt. Beispielsweise kann man erwarten, dass sich ein Teil mit hoher Ermüdung wie eine Herzklappe milliardenfach biegt.“ Während seiner gesamten Lebensdauer ist es sehr wichtig, als Schritt in der Nachbearbeitung den Radius an allen Kanten durch Sandstrahlen zu vergrößern. Ein ermüdungsarmes Teil wie ein Einführsystem oder ein Führungsdraht erfordert jedoch normalerweise keine umfangreiche Nachbearbeitung ." In Bezug auf die Designkompetenz erklärte Brenzel, dass inzwischen bis zu drei Viertel ihrer Kunden ihre Designdienstleistungen in Anspruch nehmen und zusätzlich auf die Hilfe und Kompetenz von NPX bei der Erlangung der FDA-Zulassung zurückgreifen. Das Unternehmen ist sehr geschickt darin, „Serviettenskizzen“-Konzepte in kurzer Zeit in endgültige Produkte umzusetzen.

Motion Dynamics (Fruitport, MI) ist ein Hersteller, der sich auf kundenspezifische Mikrofedern, medizinische Spulen und Drahtkomponenten spezialisiert hat, mit dem Ziel, die Probleme seiner Kunden in kürzester Zeit zu lösen, egal wie komplex oder scheinbar unmöglich. Bei medizinischen Geräten liegt der Schwerpunkt auf komplexen Baugruppen für neurovaskuläre Eingriffe, einschließlich der Konstruktion, Produktion und Montage hochwertiger Drahtkomponenten für Anwendungen wie steuerbare Kathetergeräte einschließlich „Zugdraht“-Baugruppen.

Wie bereits erwähnt, ist die Wahl des Faser- oder UKP-Lasers eine Frage sowohl der technischen Präferenz als auch der Art der unterstützten Geräte und Prozesse. Chris Witham, Präsident von Motion Dynamics, erklärte: „Das Unternehmen basiert auf einem stark fokussierten Geschäftsmodell für neurovaskuläre Produkte, bei dem wir differenzierte Ergebnisse in Bezug auf Design, Ausführung und Service bieten können. Wir verwenden Laserschneiden ausschließlich zur Herstellung der Komponenten.“ die wir intern verwenden, um die hochwertigen, „schwierigen“ Baugruppen herzustellen, die zu unserer Spezialität und unserem Ruf geworden sind; wir bieten Laserschneiden nicht als Vertragsdienstleistung an. Wir haben festgestellt, dass die meisten Laserschnitte, die wir durchführen, die besten sind Wir haben dies mit einem UKP-Laser erledigt und verfügen seit mehreren Jahren über ein StarCut Tube, das mit einem dieser Laser ausgestattet ist. Aufgrund der starken Nachfrage nach unseren Produkten arbeiten wir in zwei 8-Stunden-Schichten/Tagen und manchmal auch in drei, und im Jahr 2019 mussten wir sie anschaffen ein weiteres StarCut-Rohr, um dieses Wachstum zu unterstützen. Dieses Mal haben wir uns jedoch für eines der neuen Hybridmodelle mit einem Femtosekunden-UKP-Laser sowie einem Faserlaser entschieden. Dieses haben wir zusätzlich mit einem StarFeed-Be- und Entlader gekoppelt, damit wir das Schneiden vollständig automatisieren können – Der Bediener belädt den Feeder einfach mit leeren Röhrchen und startet die Software-Betriebsroutine für dieses Produkt.“

Abbildung 3. Dieses flexible Abgaberohr aus rostfreiem Stahl (neben einem Radiergummi abgebildet) wurde mit einem Monaco-Femtosekundenlaser geschnitten.

Witham fügt hinzu, dass sie die Maschine zwar gelegentlich zum Flachschneiden verwenden, sie jedoch in über 95 % der Fälle zum Erstellen oder Modifizieren zylindrischer Produkte für ihre steuerbaren Katheterbaugruppen verwendet wird, nämlich Hyposchläuche, Spulen und Spiralen, einschließlich Schneiden geformter Spitzen und Schneiden Löcher. Diese Baugruppen werden letztendlich für Verfahren wie die Reparatur von Aneurysmen und die Entfernung von Blutgerinnseln verwendet. Dies erfordert die Verwendung des Laserschneiders für eine breite Palette von Metallen, darunter Edelstahl, reines Gold, Platin und Nitinol.

Abbildung 4. Motion Dynamics nutzt auch in großem Umfang Laserschweißen. Oben wurde die Spule mit einem lasergeschnittenen Rohr verschweißt.

Wie sieht es mit der Wahl der Laser aus? Witham erklärt, dass bei den meisten ihrer Komponenten eine hervorragende Kantenqualität und eine minimale Schnittfuge von entscheidender Bedeutung sind, weshalb sie ursprünglich einen UKP-Laser bevorzugten. Darüber hinaus gibt es kein Material, das das Unternehmen verwendet, das nicht mit einem dieser Laser geschnitten werden kann, einschließlich der winzigen Goldbestandteile, die in einigen ihrer Produkte als strahlenundurchlässige Markierungen verwendet werden. Er fügt jedoch hinzu, dass die neue Hybridoption, die sowohl einen Faserlaser als auch einen USP umfasst, ihnen mehr Flexibilität bei der Optimierung der Geschwindigkeits-/Kantenqualitätsfrage bietet. „Die Glasfaser liefert zweifellos eine viel höhere Geschwindigkeit“, sagte er. „Aber aufgrund des Schwerpunkts unserer speziellen Anwendung bedeutet dies oft eine Art Nachbearbeitung wie chemische und Ultraschallreinigung oder Elektropolieren. Mit der Hybridmaschine können wir also wählen, welchen Gesamtprozess – USP allein oder Faser und Nachbearbeitung – wählen. Prozess – ist für jedes Bauteil optimal. Und es ermöglicht uns die Möglichkeit einer gemischten Bearbeitung desselben Bauteils, insbesondere bei größeren Durchmessern und Wandstärken: nämlich schnelles Schneiden mit dem Faserlaser und anschließendes Feinschneiden mit dem Femtosekundenlaser ." Er geht davon aus, dass der UKP-Laser ihre erste Wahl bleiben wird, denn obwohl sie auf Wandstärken zwischen 1 und 20 Tausend Tausend Tonnen stoßen, handelt es sich beim Laserschneiden größtenteils um rostfreie Rohre mit Wandstärken zwischen vier und sechs Tausend Tausend Tausend Tausend Tausend Tausend.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Laserschneiden und Bohren wichtige Prozesse bei der Herstellung aller Arten von medizinischen Geräten sind. Dank der Fortschritte bei den Kernlasertechnologien und hochoptimierten Maschinen, die für die besonderen Anforderungen dieser Branche konfiguriert sind, sind diese Prozesse heute einfacher anzuwenden und liefern bessere Ergebnisse als je zuvor.

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