Schweißen in der Medizintechnik mit Einmodenlasern

Einmodenlaser, die über einen intelligenten „oszillierenden“ Kopf zugeführt werden, ermöglichen eine präzise Steuerung der Schweißnahtabmessungen und der Wärmezufuhr beim Schweißen von Medizinprodukten.

Während viele bestehende Produktionslinien für Medizinprodukte gepulste Nd:YAG-Laser verwenden, verwenden die meisten neuen Anlagen QCW-Faserlaser mit mehreren Moden, die ähnliche Strahleigenschaften und Pulsparameter wie der Nd:YAG-Laser aufweisen und gleichzeitig die Vorteile niedriger Betriebskosten von Faserlasern bieten.

Bei der Entwicklung von Medizinprodukten und medizinischen Instrumenten gilt in der Regel eine Grundregel: Ein neues Produkt ist immer kleiner und komplexer als sein Vorgänger. Infolgedessen steigen auch die Anforderungen an die Schweißnahtgröße sowie an die Präzision und Genauigkeit des Schweißvorgangs stetig an. Und damit steigen auch die Anforderungen an die Steuerung der Wärmezufuhr. Das Problem ist, dass gepulste Laser, die häufig zum Schweißen eingesetzt werden, hinsichtlich der Materialauswahl manchmal einschränkend sein können, da hohe Abkühlgeschwindigkeiten der Schweißnaht zu einer Neigung zum Rissbildung führen können. Gibt es eine andere Schweißmöglichkeit?

Warum sind Einmoden-Faserlaser die Lösung?

Ein Single-Mode-Faserlaser mit kontinuierlicher Leistung (CW-Laser) in Verbindung mit einem Scankopf bietet eine einzigartige und überzeugende Schweißmöglichkeit: die Miniaturisierung der Schweißnaht – präzise Kontrolle der Schweißnahtabmessungen und der Wärmezufuhr.

Für diejenigen, die mit Einmodenlasern noch nicht so vertraut sind, sei angemerkt, dass Einmodenlaser die absolut beste Strahlqualität aufweisen und folglich den kleinsten Spotdurchmesser für eine gegebene Brennweite der Optik erzeugen. Single-Mode-Laser werden nämlich üblicherweise auf einen Fokusdurchmesser im Bereich von 25 µm (0,0025 mm) fokussiert, wenn eine Brennweite von 150 mm (6") verwendet wird. 

Der Vorteil besteht darin, dass wir durch die Kombination einer Single-Mode-Laserquelle mit einem Scanning-Arbeitskopf die Möglichkeit erhalten, den 25 µm großen Punkt schnell genug über das Werkstück zu bewegen, um die Wärmequelle nach Bedarf zu skalieren.  Wenn also eine Schweißnahtbreite von 100 µm erforderlich ist, bewegt sich der 25 µm große Punkt schnell senkrecht zur Schweißrichtung und erzeugt so die gewünschte Schweißnahtbreite von 100 µm. Die Bewegung dieses Punktes ist jedoch schnell genug, damit das Material hinsichtlich der Wärmezufuhr genauso reagiert, als würde ein Punkt mit größerem Durchmesser verwendet.

Die schnelle Bewegung auf dem Werkstück, die der Abtastkopf erzeugt, wird durch zwei sehr kleine Spiegel mit geringer Trägheit ermöglicht, die als Galvanometer oder „Galva“ bezeichnet werden und senkrecht zueinander montiert sind, und daher Bewegungen in der X- und Y-Achse erzeugen können.  Ein Objektiv mit einer F-Theta-Linse erzeugt dann eine ebene Brennebene, sodass der Laser auf einer Fläche von 100 × 100 mm oder 200 × 200 mm (je nach Brennweite der Optik) über die gesamte Fläche hinweg scharf bleibt.

Der Laserpunkt kann sich somit überall innerhalb des gesamten Arbeitsbereichs bewegen und Schweißnähte beliebiger Form und Größe erzeugen. Beim Mikroschweißen stellt diese Fähigkeit eine erhebliche Erleichterung des Prozesses dar.

Vorteile des Einsatzes von Monomoden-Faserlasern:

1. Ermöglicht die Erzeugung von Punktschweißnähten beliebiger Form und Größe – sei es ein Kreis, ein Ring, eine Spirale, ein Quadrat, ein Smiley oder alles, was unter Berücksichtigung der thermischen Einschränkungen der Bauteile und der mechanischen Anforderungen an die Schweißnaht optimiert werden kann.

2. Dynamische Skalierung der Schweißpunkte – verschiedene Schweißpunkte am selben Bauteil können allein durch die Werkzeugbahn individuell dimensioniert und geformt werden, anstatt die Parameter zu ändern, oder Schweißpunkte an verschiedenen Bauteilen können je nach Bedarf skaliert oder geformt werden.

3. Verkürzung der Zykluszeit bei Mehrpunkt-Schweißnähten – Der Wechsel zwischen den Schweißpunkten ist selbst bei Verwendung linearer Antriebe relativ langsam im Vergleich zu einem Abtastkopf, der sich in Bruchteilen einer Sekunde von einem Punkt zum nächsten bewegen kann. Ein klassisches Anwendungsbeispiel für Scanköpfe beim Punktschweißen sind flexible Arme, die früher für alle Festplattenlaufwerke verwendet wurden; in der Regel werden 25 Punktschweißnähte in weniger als 1 s ausgeführt.

4. Anpassung der Schweißnahtabmessungen – Durch die Querbewegung entlang der Schweißnaht lassen sich Breite und Tiefe der Schweißnaht präzise steuern. Beispielsweise verringert ein gepulster QCW- oder Nd:YAG-Laser die Schnitttiefe der Schweißnaht von der Mittellinie zum Rand hin. Mit einem Einmodenlaser und einem Scankopf lässt sich ein quadratisches Querschnittsprofil erzeugen, sodass die Eindringtiefe in der Mitte und am Rand der Schweißnaht gleich ist. Daher kann bei Stumpf- oder Kehlnähten jede Unwucht der Schweißverbindung berücksichtigt werden, ohne die Festigkeit der Schweißnaht zu beeinträchtigen.

• Links: herkömmlicher Durchschuss und Querschnitt eines mit einem Pulslaser erzeugten Punktes, Punktgröße ~ 800 µm.
• Rechts: Durchschmelzung und Querschnitt eines mit einem Monomode-Laser erzeugten Punktes, Punktgröße ~ 30 µm, der sich schnell durch das Material bewegt.

5. Minimierung der Wärmezufuhr – Die Wärmezufuhr ist direkt proportional zur Leistung der Wärmequelle und zur Einwirkzeit auf das Werkstück.  Die Nebenwirkung der Wärmequelle ist eine Funktion ihrer Größe. Durch die Verwendung eines 25 µm großen Punktes, der sich schnell in jeder gewünschten Richtung über das Werkstück bewegt, haben wir nun eine präzise Kontrolle über die Wärmezufuhr und verfügen über alle Steuerungsinstrumente zur Optimierung.

6. Große Prozessfenster, mehr schweißbare Werkstoffe – durch die minimale Wärmezufuhr und den im Dauerbetrieb arbeitenden Laser wird die Abkühlgeschwindigkeit des Werkstücks verringert, wodurch sich der Bereich der schweißbaren Werkstoffe erweitert und gleichzeitig die Wahrscheinlichkeit von Rissen in der Schweißnaht verringert wird.

7. Möglichkeit der 3D-Bewegung – Der Laser-Scankopf kann mit zusätzlichen Bewegungsachsen ausgestattet werden, um die Fokusebene in der Z-Achse zu verschieben, was noch mehr Möglichkeiten bietet.

Vorteile von Einmoden-Faserlasern

1. Geringere Laserleistung – Die Verwendung eines Fokus von etwa 25 µm erhöht die Leistungsdichte, was bedeutet, dass eine geringere Durchschnittsleistung erforderlich ist, wodurch die benötigte Laserleistung sinkt und sowohl die Anschaffungs- als auch die Betriebskosten gesenkt werden.

2. Geringere Anschaffungskosten – Aufgrund der hohen Produktionsmengen sind Scanköpfe für die Lasermarkierung ein Massenprodukt, weshalb ein Hightech-Scankopf selbst im Vergleich zu festen Arbeitsköpfen relativ kostengünstig ist.

3. Einfache Programmierung – Die Programmierung der Bewegung des Scankopfes erfordert keine Kenntnisse des G- oder M-Codes, da die Schweißbahnen mithilfe von Kreis- und Geradenfunktionen erstellt werden, genau wie in einem Zeichenprogramm, also genauso wie bei Markierungslasern. Die Software führt den Anwender durch die Vorbereitung der Laserbahn und den gesamten Arbeitsablauf, der auch den Einsatz von Bildverarbeitung vor dem Schweißen, die Überwachung während des Schweißprozesses oder die Kontrolle nach dem Schweißen umfassen kann.

4. Minimale Stellfläche des Systems – in der Regel hat der Laserkopf eine Arbeitsfläche von 200 × 200 mm (8 × 8") und ist nicht größer als ein kleiner Schuhkarton. Der Laserstrahl wird über eine Glasfaser von der Laserquelle zugeführt, die sich in der Regel zusammen mit dem Steuerungs-PC in einem separaten Rack befindet. Die Gesamtfläche des Lasersystems ist somit sehr gering.

Mehr als nur ein Laser-Scankopf

Auch wenn die Beschleunigungs- und Verzögerungswerte des Laser-Scankopfes sehr hoch sind, treten sie dennoch auf, was bedeutet, dass einige Schweißbahnen Abschnitte mit höherer oder niedrigerer Wärmeaufnahme aufweisen können.

Unser intelligenter „oszillierender“ Kopf Coherent SmartWeld+ löst dieses Problem und passt die Leistung und damit auch die Wärmezufuhr während des Betriebs an. Dieses vollständig flexible und programmierbare Schwingungs-/Leistungsschema ermöglicht eine präzise Steuerung der Erwärmung und Abkühlung der Schweißnaht – und sorgt so für eine genauere Kontrolle der Schweißparameter, einschließlich der Nahtbreite und der Durchbruchtiefe.

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Quelle:Coherent.com