Die Kraft des Laserstrahls

Laser erobern die Welt. Aus Industrieprozessen sind sie heute ebenso wenig wegzudenken wie aus der Medizin, der Luft- und Raumfahrt, der Informations- und Kommunikationstechnik oder aus Wissenschaft und Forschung. Einige Produkte, wie beispielsweise der Herzschrittmacher, ließen sich ohne den Laser gar nicht herstellen: Der gebündelte Lichtstrahl schweißt das Titangehäuse absolut dicht und porenfrei, ohne Nacharbeit.

Mit der Vielfalt der Anwendungen steigt der Bedarf an hoch effizienten Strahlquellen, präzisen Optiken und Positioniersystemen. Die ständig zunehmende Vielfalt von Laseranwendungen gründet auf dem Erfindergeist der Hersteller von Lasern und optoelektronischen Komponenten. Sie entwickeln Ultrakurzpulslaser (UKP) für Messwesen und Materialbearbeitung, Hochleistungs-Laserdioden, die auf bestem Weg in die industrielle Oberflächenbearbeitung sind, oder neue Strahlquellen für die Mikroskopie und Spektroskopie, die unerreicht hohe Auflösungen ermöglichen oder kleinste Werkstücke bearbeiten.

„Der Laser ist ein Wegbereiter der Miniaturisierung und ermöglicht mit minimalen Fokusdurchmessern von aktuell rund 25 Mikrometern beim Beschriften und etwa zehn Mikrometern beim Abtragen und Strukturieren ganz neue Produktgestaltungen. Auch Mikroverschweißungen in der Größenordnung von nur wenigen Mikrometern sind möglich“, erklärt Dr. Alexander Knitsch, der als Applikationsmanager bei der Ditzinger Trumpf GmbH + Co. KG für Anwendungen im Bereich Medizintechnik verantwortlich ist. Dazu komme, dass sich der Laser auf etwa 1 µm genau positionieren lässt. Die Laserleistung sei dabei präzise regelbar, der Wärmeeintrag ließe sich exakt steuern und an die Charakteristika temperaturintensiver Materialien anpassen.

Aktuelles Zauberwort der Laserbranche sind Ultrakurzpulslaser (UKP). Die kurzen Laserpulse werden in der industriellen Fertigung überall dort eingesetzt, wo Material besonders schonend und präzise bearbeitet werden muss. Dank Pulsdauern von wenigen Piko- oder Femtosekunden erfolgt die Bearbeitung mit UKP-Lasern ohne signifikante Wärmeeinflusszonen und Schmelzbildung. Die Vorteile des so genannten „kalten Abtrags“ werden unter anderem beim Bohren von Düsen, beim Schneiden von Dünnglas und beim Strukturieren von Werkzeugen genutzt. Die Schnittflächen sind in der Regel sehr glatt und sauber, der Materialabtrag beschränkt sich auf den Bereich des fokussierten Laserstrahls, der sehr präzise eingestellt werden kann – wovon vor allem die Stent-Fertigung profitiert.

Im Geschäftsfeld Mikrotechnik des Fraunhofer-Instituts für Werkstoff- und Strahltechnik IWS Dresden wird angewandte Forschung zur Mikro- und Feinbearbeitung mit Laserstrahlen betrieben, im Dienste der Miniaturisierung von Funktionselementen unter anderem in der Bio- und Medizintechnik. Zum Jahresbeginn hatte dort Dr. Udo Klotzbach die Leitung des neuen IWS-Geschäftsfeldes Mikrotechnik übernommen. Im Mittelpunkt seiner Forschung steht das Erzeugen unterschiedlichster Oberflächenstrukturen im Mikro- und Nanometerbereich an Metallen, Keramiken, Polymeren und verschiedensten Werkstoffverbünden oder Schichtsystemen. Innerhalb der Gruppe Biosystemtechnik werden Technologieplattformen entwickelt: Sie erlauben es, in einem Lab-on-a-Chip-System mit integrierten Mikropumpen komplexe Zellkulturexperimente durchzuführen. So lassen sich Prozesse, die im lebendigen Organismus ablaufen, für medizinische Diagnostik und Substanztestung nachbilden.

Wie sich mikromechanische, lasersystem- und biotechnische sowie Verfahren der Oberflächenfunktionalisierung erfolgreich kombinieren lassen, zeigt das Beispiel der Mikro-Biosysteme. „In Form einer Multi-Organ-Chip-Plattform können mit ihr schnell und zuverlässig Substanzen aus der Medizin-, Pharma- und Kosmetikindustrie auf ihre Wirkungen auf menschliche Organe untersucht werden“, erklärt Geschäftsfeldleiter Klotzbach.

Den Schritt aus der Forschung in die Anwendung hat der Laser auch im 3D-Druck geschafft: Seien es Elektroden von Cochlea-Implantaten für Gehörlose, metallische Unterbauten von Zahnkronen oder künstliche Gelenke – der Laser baut individualisierte Implantate nach CAD-Bauplänen Schicht für Schicht aus Metallpulver auf. Oft dienen dabei Körper-Scans der Patienten als Vorlage. Der durchgehend digitale Fertigungsprozess senkt Kosten und sorgt für perfekte Passformen von Implantaten und Prothesen.

Auch in der Therapie finden sich viele Anwendungen des Laserstrahls: Viele minimal-invasive Eingriffe stützen sich auf Faserlaser. Durch Mikroschnitte eingeführte Lasersonden beseitigen Krampfadern, Magengeschwüre und Fettpolster. Wo immer es geht, setzen Chirurgen, Zahn- und Hautärzte, Urologen und Gynäkologen auf die schonende Behandlung mit Licht, die keine Narben hinterlässt und selten zu Blutungen und Infektionen führt. Schlüssel dazu sind immer besser auf die jeweiligen Eingriffe ausgelegte Lichtwellenleiter: Miniaturisierung, eine Auswahl an Fasermaterialien und optischen Sondenspitzen sorgen für die jeweils benötigte Ausbreitung und Intensität des Lichts. Die Anwendungen reichen bis zum gezielten Laserangriff auf Tumore, die zuvor mit lichtaktivierbaren Substanzen angereichert werden.

Susanne Schwab susanne.schwab@konradin.de

Mit dem Laser individualisierte Implantate und Prothesen drucken