Präziser als Drahterosion

Absolute Zuverlässigkeit und hohe Qualitätsstandards sind die Kernkompetenzen in der Medizintechnik. Die Lasermikrobearbeitung wird hier bei allen Materialen – von Kunststoffen über Saphir bis Titan – eingesetzt. Sie ermöglicht besonders präzise Bearbeitungen, die beim Herstellen unterschiedlicher OP-Instrumente eine entscheidende Rolle spielen. Bei minimalinvasiven chirurgischen Instrumenten ist es beispielsweise notwendig, die Funktionen zu miniaturisieren. So werden inzwischen mittels Lasertechnik Kanäle als Elektrodenführungen in chirurgischen Nadeln eingebracht oder auch Mikroskalpelle hergestellt. In anderen Bereichen werden dagegen hochfeine Bohrungen benötigt, etwa für die Herstellung von Zerstäuberdüsen für Inhalationsmedikamente. Das Laserverfahren sorgt hier für die nötige Präzision.

Mit der Mikrostrukturierung lassen sich zudem je nach Anforderung bestimmte Oberflächeneigenschaften erzielen: Eine sehr glatte Oberfläche reduziert beispielsweise den Verschleiß bei Hüftgelenkimplantaten und macht diese besonders robust. In anderen Bereichen der Implantationstechnik sind wiederum raue Strukturen von Vorteil, um ein besseres Einwachsen des Implantats zu ermöglichen.

Lasersysteme haben sich in den letzten Jahren für viele Schneidprozesse aufgrund ihrer Schnelligkeit und Flexibilität als Standard etabliert. Eine Ausnahme bildete bisher das Feinschneiden hochpräziser Komponenten, da hier die Genauigkeit aufgrund des Wärmeeintrags und der teils unscharfen Schnittgeometrie noch hinter der traditionellen Funkenerosion per Schneiddraht zurückstand. Die Deggendorfer GFH GmbH, ein Spezialist für Lasermikrobearbeitung, hat jetzt allerdings mit der GL.Evo eine Anlage entwickelt, die einen Ultrakurzpulslaser (UKP) mit einer Trepanieroptik kombiniert und so selbst bei rechtwinkligen Konturen scharfe Schnittkanten erzeugen kann. Die Qualität übertrifft dabei die Drahterosion: Die Toleranzen beim Abfahren der Schnittlinie bewegen sich bei diesem neuen Laserschneideverfahren im Bereich weniger Mikrometer, der Mittenrauwert der erzeugten Oberflächen liegt unter 0,3 µm. Gleichzeitig ist das System schneller und lässt sich auch bei nicht leitenden Werkstoffen einsetzen.

Herzstück der neuen GL.Evo ist ein 50 W- Pikosekundenlaser mit einer Pulsrate von bis zu 1 MHz. Da dieser statt eines dauerhaften Laserstrahls nur ultrakurze Energieblitze von 10 ps Dauer aussendet, wird der Werkstoff rund um die Eintrittsstelle weniger stark erwärmt als bei herkömmlichen Strahlquellen. Verzug oder andere hitzebedingte Veränderungen des Materials werden somit verhindert, wodurch auch Folien von wenigen Mikrometern Stärke problemlos bearbeitet werden können. Aber auch dickere Werkstücke unterschiedlicher Materialien bis 1 mm lassen sich damit konturgetreu schneiden, ohne dass Kanten und Schnittflächen nachbearbeitet werden müssten. Dazu dient die von GFH ursprünglich für das Mikrobohren entwickelte Spezialoptik GL.Trepan in Verbindung mit der Festoptik GL.Pptifix. Erstere versetzt den Laserstrahl in eine Taumelbewegung mit bis zu 30 000 min-1, um ein gleichmäßig geformtes und stabiles Strahlprofil zu gewährleisten, das auch rechtwinklige Schnitte erlaubt. Der Schnittspalt kann ab 50 µm eingestellt werden. Zudem lassen sich über den Anstellwinkel beim Eintritt des Lasers in die Trepanieroptik auch leicht Hinterschnitte bis 3° erzeugen. Ein integrierter, photosensitiver Detektor überwacht dabei den Strahl in vier Dimensionen und gleicht eventuelle Abweichungen in der Ausrichtung mittels steuerbarerer Spiegelumlenker aus. Die exakt konditionierten Pulse werden durch die Festoptik GL.Optifix fokussiert und durch Verfahren der Anlagenachsen an der zu schneidenden Kontur entlang geführt. Fehler in der Achsbewegung werden dabei ebenso kompensiert wie der Laserstrahldurchmesser, so dass die Geometrietreue gewährleistet ist. Zugleich beinhaltet die Festoptik eine ringförmige Gasdüse, die Prozessgas auf die Schnittstelle bläst. Dadurch wird zum einen die Optik vor Schlackespritzern oder Dämpfen geschützt und zum anderen das aufgeschmolzene oder verdampfte Material aus der Schnittfuge getrieben, so dass sich saubere Oberflächen ohne Grate und Tropfen ergeben. Zusätzlich verhindert das Prozessgas bei metallischen Werkstoffen eine Oxidation des umgebenden Bereichs.

Mit dem neuen Laserbearbeitungszentrum können Eisen- und Nichteisen-Metalle ebenso wie nicht-metallische Stoffe bis zu einer Stärke von 1 mm geschnitten werden. Die Geschwindigkeit hängt dabei vor allem von der gewünschten Kontur- und Oberflächenqualität ab. Bei einem Kupfer-Beryllium-Werkstück mit 0,12 mm Stärke und hohen Anforderungen an den Schnitt lässt sich beispielsweise eine Geschwindigkeit von mehreren Hundert Millimetern pro Minute erreichen, bei 0,2 mm dickem Edelstahl immerhin 60 mm/min. Der Zeitaufwand für das Laser-Mikroschneiden unterschreitet damit deutlich die Dauer einer vergleichbaren Bearbeitung mittels Drahterosion. Zudem ermöglichen die vielfältigen Einstellungsoptionen der Trepanier- und der Fokussieroptik für Schnittspaltdurchmesser, Schnittwinkel, Geschwindigkeit, Fokuslinse und Schneiddüse eine unkomplizierte Anpassung an den jeweiligen Anwendungsfall und somit eine wirtschaftliche Produktion bereits bei geringen Stückzahlen. su