Wie Femtosekundenlaser Medizinprodukte fertigen

Medizinprodukte entwickeln sich immer weiter in Richtung komplexer Formen, kleinerer Detailstrukturen und engerer Toleranzen.  Dies erfordert in Folge die Entwicklung und Einsatz von Fertigungswerkzeugen der nächsten Generation. Mikro-Materialbearbeitungsmaschinen mit Ultra-Kurzpuls-Lasern eröffnen neue Dimensionen der Bearbeitung und werden zum Bohren, zum Schneiden von Schlitzen und Nuten, zur Oberflächenstrukturierung und zum Schneiden von Produkten mit variablen Formen genutzt.

Die meisten Laseranwendungen nutzen einen stark fokussierten Laserstrahl in Kombination mit Bewegung des Werkstücks, des Laserstrahls oder einer Kombination von beiden zur Entfernung von Material mit hoher räumlicher Präzision. Die Vorteile der Materialbearbeitung mit gepulsten Lasern  sind in vielen Bereichen der Industrie geschätzt und etabliert. Der Vorteil ist die kontaktlose Bearbeitung ohne Werkzeugverschleiß. Die punktförmige Bearbeitungsstelle erlaubt eine hohe Flexibilität  und ist daher sehr gut zur 3-D Teilefertigung  geeignet. 

Der Laser kann  schnell mittels CAD/CAM Software konfiguriert werden. Darüber hinaus ist die Laserbearbeitung ein Prozess ohne Werkzeugwechsel, ohne verunreinigende Kühl-und Schmiermittel, ohne toxische Chemikalien  und zudem sehr viel präziser als mechanisches  Schneiden und Bohren. Nicht zu unterschätzen ist die Anwendung für verschiedenste Materialien wie Metall, Kunststoffe und Glas - im Unterschied beispielsweise zur Funkenerosion, welche nur im Zusammenhang mit leitendem Material  geeignet ist.

Mit der zunehmenden Miniaturisierung von medizinischen Produkten nimmt auch die Anforderung an den Laserprozess hinsichtlich höherer räumlicher Auflösung und geringer thermischer Belastung (Beschädigung durch Aufschmelzen  oder Mikrorisse der Bearbeitungskanten) zu. Dies wird  als die „Heat Effected Zone“ (HAZ) bezeichnet.

Genauso ist es wünschenswert, abgetragenes und aufgeschmolzenes Material zu minimieren, dadurch eine saubere Oberfläche zu erzeugen und eine Nachbearbeitung oder Reinigung zu vermeiden.

Die „klassische“ Laserbearbeitung nutzt Laser mit Pulsdauern von 40 bis 60 Nanosekunden. Jedoch sind diese Laser bei der Produktion von Strukturen kleiner als 10 mm, zum Bearbeiten von dünnen oder empfindlichen Substraten oder zum Schneiden mit sehr glatten Kanten (wie in Stents), nicht mehr die optimale Lösung.

Laser mit Ultrakurzen Pulsen (USP: Ultra-Short Pulse) können höhere Auflösungen bei gleichzeitig geringerer HAZ liefern.  Daher werden heute Medizinprodukte zunehmend unter Verwendung von Pikosekunden-Lasern  verwendet, wie zum Beispiel Laser der Coherent Rapid–Serie.

Durch die sehr kurze Pulsdauer wird die Prozesswärme zum großen Teil durch das verdampfte Material entfernt , bevor sie in das umgebende Material eintritt und eine unerwünschte HAZ  erzeugt. Das verdampfte Material besteht aus sehr kleinen Partikeln – bis zu Einzelatomen. Dadurch entstehen keine erstarrenden Materialtrümmer und es bleibt eine saubere, glatte Oberfläche zurück.

USP-Laser haben typischerweise eine sehr viel geringere Pulsenergie als ns-Laser, jedoch eine sehr hohe Puls-Repetitionsrate – üblicherweise im Bereich von 1 bis 50 MHz.  Dadurch wird pro Puls ein minimaler  Materialabtrag mit minimaler thermischer Belastung  erzeugt.

Dies erlaubt auch eine sehr genaue Kontrolle der Bearbeitungstiefe. Gleichzeitig garantiert die hohe Pulsrate einen  Materialabtrag, der gute Fertigungsstückzahlen für viele Fertigungsprozesse ermöglicht.

Seit einer gewissen Zeit hat das Interesse an Femtosekunden-Lasern (einige 10-15 s Pulsbreite) aus drei Gründen stark zugenommen. Besonders wichtig ist, daß dieser Laser den wachsenden Bedarf  an Miniaturisierung und perfekter Schnittkantenqualität sowie Oberflächenperfektion erfüllt.

Durch die Pulsdauer, die  1/1000  der Pulsbreite eines Pikosekundenlasers beträgt, werden die weiter oben beschriebenen Vorteile zusätzlich verstärkt. Dadurch wird der Bearbeitungsprozess praktisch nicht-thermisch. Das ist besonders bedeutend beim Bearbeiten von dünnen Schichten und empfindlichen Materialien, bei denen thermische Effekte nicht toleriert werden können.

Ein zweiter Grund ist der vermehrte Gebrauch von gemischten Werkstoffen und geschichtetem Material, beispielsweise bioabsobierbare Kunststoffe auf Metall oder Polyimide auf Glas. Die extrem geringe Pulsbreite der Femtosekunden-Laser (Kurzform : fs-Laser) geht einher mit sehr hohen Pulsspitzenleistungen, dadurch entsteht nichtlineare Absorption im Material.

Anders als beim normalen (linearen) Absorptionsprozess ist hierbei keine Wellenlängenabhängigkeit zu beobachten. Daher kann der fs-Laser praktisch an jedem Material eingesetzt werden, selbst bei transparenten Stoffen wie Glas.  Dadurch können beschichtete und laminierte  Substrate in einem einzigen Prozess bearbeitet werden, was den Produktionsprozess vereinfacht und  in vielen Fällen die Stückkosten reduziert.

Letztlich sind fs-Laser durch ihre Verbesserungen hinsichtlich ihrer Leistung, Lebensdauer, Zuverlässigkeit und „Cost of Ownership“  für industrielle Anwender attraktiv geworden. Vor wenigen Jahren waren fs-Laser ausschließlich in  Forschungsanwendungen im Einsatz.

In den letzten Jahren haben Hersteller von fs-Lasern  wie Coherent neue Lasermaterialien – Ytterbium-dotierte Glasfasern -  entwickelt, die eine  sehr viel höhere Laserleistung ermöglichen als herkömmliche Laserkonzepte. Da das laseraktive Material in Faserform vorliegt, ermöglicht diese neue Technologie der industriellen fs-Laser einfacheres Design und Konstruktion, was geringere Fertigungskosten und höhere Zuverlässigkeit zur Folge hat.   

So hat zum Beispiel die Monaco-Serie von Coherent eine Ausgangsleistung von bis zu 60 Watt in einem kompakten, vor Umwelteinflüssen geschütztem Gehäuse (667x360x181 mm). Durch vergleichsweise niedrigere Anschaffungskosten und erhöhte Zuverlässigkeit ermöglicht dieser Laser  ökonomisch attraktive Femtosekunden- Materialbearbeitung  für viele Medizinprodukte.

Darüber hinaus sind diese Laser in verschiedenen Integrationsvarianten verfügbar.  Optionen sind hier von der reinen Laserquelle, Laseranlagen mit  Scanning/ Focussing Optik, Anlagen mit integrierter Materialzuführung  bis zur  Komplettlösung mit Anwendersoftware, ausgerichtet für spezifische Anwendungen.

Wie schon vorher erwähnt, gibt es verschiedene Möglichkeiten, Laserbearbeitung einzusetzen, in Abhängigkeit, wie das Werkstück und/oder der Laserstrahl relativ zueinander bewegt werden.

Beim Schneiden von Röhren-Rohlingen für kardiovaskuläre und periphere Stents ist das übliche Verfahren, zylindrische Schnitte, ebenso wie komplizierte Muster von Schnitten, zu erzeugen. Die Prozessentwicklung im Applikationslabor und beim Kunden hat gezeigt, dass der Einsatz von fs-Lasern zu Stents mit einer hervorragenden Konsistenz und Festigkeit der erzeugten Strukturen führt.

Dabei ist der Laser typischerweise in eine Workstation integriert und der Rohling ist in einer 4-Achsen-Halterung montiert.   (3-Achsen Translation und eine Achse Rotation). Der Einsatz eines fs-Lasers ermöglicht das Schneiden von  Röhren- oder Flachmaterial-Rohlingen  mit Präzision und Toleranzen im Mikrometer-Bereich. Zur Vermeidung von Ablagerung durch Abtragmaterial wird der Schneidprozess  bei dickwandigen Rohlingen mit einem koaxialen Gasstrahl  unter hohem Druck durchgeführt.

Ein unterschiedliches Konzept findet Anwendung bei der Erzeugung von Oberflächentexturen auf gebogenen Materialien wie Katheter-Ballons oder Oberflächenbearbeitung von flachen Rohlingen, beispielsweise rostfreier Stahl. Als optimale Lösung kommt hierbei üblicherweise ein 2D-Scanners in Verbindung mit einem 2-Achsen Galvanometer-Scanners zum Einsatz, der einen Arbeitsradius von 20 cm überstreicht. Die Verwendung eines fs-Lasers ermöglicht  Ergebnisse mit hoher Genauigkeit und einer Tiefenkontrolle unter 1 mm Toleranz.

Noch eine weitere Methode wurde für Aufgaben wie Bohren von Präzisionslöchern in gespülten Ablationskathetern mit kegelförmigen Bohrungen oder genaues Positionieren von Schlitzen und Nuten, ebenso wie die Erzeugung von speziellen Formen in Röhren oder Flachmaterial weiterentwickelt.

Hier besteht die Bearbeitungsstation aus einem 5-Achsen Trepanning Scan Head mit  koaxialer Hilfsgas-Führung und einer 5-Achsen- Bewegungssteuerung. Auch hier erzielt der fs-Laser Genauigkeiten im sub-Mikrometer-Bereich und saubere Oberflächen ohne Nachbearbeitung.

Gerätehersteller stehen vor der Herausforderung, immer kleinere und präzisere Komponenten fertigen zu müssen, dabei aber gleichzeitig kostengünstig zu produzieren.

Mikro-Materialbearbeitung mit Ultra-Kurzpuls-Lasern unterstützt diese Forderung in verschiedenen Aspekten durch ihre Präzision in kleinen Strukturen, ohne das Werkstück durch Bearbeitungskräfte oder Temperatur zu schädigen oder zu  beeinflussen. Der minimale Einfluss des abgetragenen Materials auf die Oberflächenqualität erspart in vielen Fällen einen anschließenden Reinigungsprozess.