Der Grund für die zunehmende Verbreitung von Femtosekundenlasern in der Herstellung medizinischer Geräte und Hilfsmittel (MDM) liegt vor allem in der Kombination aus einem besseren Preis-Leistungs-Verhältnis und der steigenden Nachfrage nach hervorragender Schnittqualität.

Faserlaser dominieren bereits seit einigen Jahren die Schneid- und Bohranwendungen in der Medizinprodukteindustrie dank ihrer relativ geringen Kosten, ihrer skalierbaren Leistung und ihrer hohen Zuverlässigkeit. Femtosekundenlaser bieten einen klaren Vorteil hinsichtlich der Schnittqualität, konnten sich jedoch lange Zeit nur einen geringen Marktanteil sichern. Dies ändert sich nun jedoch relativ schnell, wie die Verkaufszahlen von Coherent für Schneidsysteme belegen. Schauen wir uns an, was der Grund für diesen dramatischen Anstieg des Marktanteils im Vergleich zu Faserlasern ist.

Femtosekundenlaser – bessere und feinere Schnitte

Die einzigartige Kombination von Vorteilen beim Einsatz von Femtosekunden- (fs) Lasern für die Materialbearbeitung ist seit langem bekannt. Bei herkömmlichen Lasern, wie beispielsweise Faserlasern, ist der Großteil der Wechselwirkungen mit dem Material photothermischer Natur, was zur Entstehung einer thermisch beeinflussten Zone (HAZ) führt. In Präzisionsanwendungen schränkt dies die Mindestgröße der Elemente ein, die sauber bearbeitet werden können, ohne dass sie durch Hitze beschädigt werden. Eine Beschädigung kann sowohl das Schmelzen als auch inakzeptable funktionale oder kosmetische Oberflächenbeeinträchtigungen bedeuten, die eine anschließende mechanische Nachbearbeitung erfordern würden (z. B. Entgraten, manuelles Polieren oder Reiben). Da der Femtosekundenlaser um ein Vielfaches kürzere Impulse mit einer wesentlich höheren Spitzenleistung liefert, verdampft das Material, bevor die Wärme in das Werkstück eindringen kann. Dieses kühlere und präzisere Schneiden ermöglicht die Herstellung kleinerer Elemente ohne Gussrückstände, sodass weder Schleifen noch Polieren erforderlich ist. Darüber hinaus funktioniert dieses Verfahren bei nahezu jedem Material, einschließlich Bauteilen aus Verbundwerkstoffen wie Polymer- und Metallschichten – siehe Abbildung.

Abbildung 2. Femtosekundenlaser können praktisch jedes Material mit hervorragender Kantenqualität und ohne Umschmelzen des Materials schneiden.

Miniaturgeräte mit feineren Details

Ein wichtiger Treiber für die zunehmende Verbreitung der Fs-Laserbearbeitung in jüngster Zeit ist die Nachfrage nach medizinischen Geräten (z. B. periphere Stents, minimalinvasive Katheter, minimalinvasive Instrumente usw.), die sich durch kleinere Bauteile mit dünneren Wänden und einer höheren Anzahl an geschnittenen Details auszeichnen. Dies zeigt sich insbesondere an der Nachfrage nach Maschinen, die für das Schneiden geometrischer Formen in Röhrchen konfiguriert sind, wie in der Abbildung oben dargestellt. Darüber hinaus ist die Verwendung anspruchsvollerer und teurerer Materialien ein weiterer Faktor. Ein Beispiel hierfür sind bioabsorbierbare Stents aus Magnesium, bei denen die Ausbeute durch die Nachbearbeitung nach dem Schneiden mit Faserlasern um bis zu 50 % sinken kann. Da das Schneiden mit einem FS-Laser jedoch keine Nachbearbeitung der Produkte erfordert, bleibt die volle Ausbeute erhalten.

Auch andere Industriezweige (z. B. die Display-/Elektronikfertigung) orientieren sich zunehmend an der FS-Lasertechnologie, was eine zusätzliche Nachfrage auf dem Markt darstellt, die die Laserhersteller wiederum dazu motiviert, noch fortschrittlichere FS-Laser und -Maschinen zu entwickeln.

Fortschritte im Bereich der FS-Laser – höhere Leistung, geringere Kosten pro Watt

Femtosekundenlaser haben hinsichtlich Leistung, Wirtschaftlichkeit und Zuverlässigkeit ein neues Reifegradniveau erreicht. Die Leistung ist ein besonders wichtiger Leistungsparameter, da sie den Durchsatz in der Produktion direkt bestimmt. Ein Beispiel für Fs-Laser der neuen Generation ist die Coherent Monaco-Serie, bei der die maximale Leistung in den letzten vier Jahren schrittweise von weniger als 20 W auf über 60 W gesteigert wurde. Gleichzeitig sind jedoch auch die Anschaffungskosten pro Watt Leistung gesunken. Die ersten Monaco-Modelle sind bereits seit mehreren Jahren rund um die Uhr in anspruchsvollen Produktionsumgebungen im Einsatz, was die höhere Zuverlässigkeit von Femtosekundenlasern unterstreicht und zusätzlich zu niedrigeren Gesamtbetriebskosten beiträgt. Zusammen mit den Kosteneinsparungen durch den Wegfall mechanischer Nachbearbeitungsschritte hat dies bei vielen Präzisionsschneidaufgaben definitiv zu einem wirtschaftlichen Durchbruch geführt.

Effizientere, automatisierte Maschinen

Die meisten Kunden, die medizinische Geräte herstellen, wollen natürlich keinen Laser, sondern vielmehr eine komplette Lasermaschine. Und genau das ist der letzte Teil des Marktbildes – die Verfügbarkeit fortschrittlicher FS-Lasermaschinen mit vereinfachter automatisierter Teilehandhabung und Produktkontrolle. Zu den Maschinen gehört auch eine benutzerfreundliche Software, die weder umfangreiche Schulungen noch Fachkenntnisse erfordert. Dies bietet dem Anwender Flexibilität beim schnellen Wechsel zwischen einzelnen Aufgaben oder bei der Durchführung langer, unbeaufsichtigter Serien. Ein Beispiel hierfür ist die ExactCut-Serie von Coherent, die unsere neueste Bedienungssoftware enthält: Coherent Laser FrameWork.

Fazit: Faserlaser, Femtosekundenlaser oder beides?

Eine der wichtigsten Fragen für jeden, der sich heute im Bereich MDM eine neue Maschine anschafft, ist die Wahl zwischen einem Femtosekunden- und einem Faserlaser. Der wichtigste verbleibende Vorteil des Faserlasers ist die Möglichkeit, dank der höheren verfügbaren Leistung schneller und dickere Werkstücke zu schneiden. Bei dünneren Werkstücken werden die Vorteile hinsichtlich Leistung und Geschwindigkeit jedoch häufig dadurch geschmälert, dass die Anzahl der Wiederholungen pro Zeiteinheit reduziert werden muss, um eine kumulative thermische Schädigung des Materials und der Produkte zu vermeiden. Das Fazit lautet daher, dass der optimale Lasertyp tatsächlich von den spezifischen Anforderungen der Anwendung abhängt.

Aus diesem Grund sind die neuesten Laserschneidmaschinen für medizinische Geräte nun wahlweise mit einem Femtosekunden- oder einem Faserlaser oder als Hybridvariante mit beiden Lasertypen erhältlich. Dank dieser zweiten Option können Anwender nahtlos zwischen den Lasern wechseln, sogar innerhalb eines einzigen Auftrags, bei dem es Schnitte geben kann, die mit einem Faserlaser kostengünstiger als mit einem Fs-Laser durchgeführt werden können – und umgekehrt.

Quelle: www.coherent.com