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Laserschneiden von chirurgischen Hypotubes

Übersicht

Hypotubes sind dünne Metallröhrchen, die in vielen modernen medizinischen Verfahren zum Einsatz kommen. Die Laserbearbeitung in einer vollautomatischen Arbeitsstation ist die Methode der Wahl für die Herstellung dieser Art von empfindlichen Medizinprodukten, da sie die erforderliche Präzision, Ausbeute und Durchsatzleistung gewährleistet. Die anwendungsoptimierte Software macht den Prozess einfach und äußerst effizient.

Hypotubes: Eine lebensrettende Technologie

Die minimalinvasive Chirurgie bietet viele Vorteile, und Hypotubes (manchmal auch als Führungsdrähte bezeichnet) sind wichtige Instrumente, die bei vielen dieser medizinischen Eingriffe zum Einsatz kommen. Diese Hypotubes müssen klein und flexibel sein, damit sie in die menschlichen Blutgefäße passen. Außerdem müssen sie hohl sein, um die Steuerung von Instrumenten oder die Verabreichung von Medikamenten zu ermöglichen.

Ein Hypotube muss eine Reihe komplexer Anforderungen erfüllen. Seine Kanten müssen gratfrei sein, und das Material, aus dem es besteht, sollte flexibel und leicht zu sterilisieren sein. Die Gestaltung seines distalen Endes kann von einem einfachen Schnitt bis hin zu komplexen, mikromechanisch bearbeiteten Bauteilen reichen. Für einen zuverlässigen Betrieb sollte ein Hypotube bei einer bestimmten Drehmomentbelastung flexibel sein und es muss Knicken und Druck standhalten.

Die Flexibilität eines Metall-Hypotubes wird durch ein Muster aus Einschnitten in seinen Wänden erreicht. Ein unterbrochenes Spiralmuster ist eine Möglichkeit, dies zu erreichen. Die Länge der Einschnitte und der Abstand zwischen ihnen bestimmen die verbleibende Steifigkeit des Rohrs. Die Präzision Einschnitte ist entscheidend für das korrekte Verhalten eines Hypotubes während chirurgischer Eingriffe.

„Die Präzision Schnitte ist entscheidend für das korrekte Verhalten eines Hypotubes während chirurgischer Eingriffe.“

Präzise und effiziente Bearbeitung von Hypotubes

In der Regel werden Hohlrohre mit modernster Lasertechnologie bearbeitet. Die Lasersysteme müssen verschiedene Aufgaben erfüllen, wie beispielsweise das Markieren, Schneiden und Bohren an oder in der Wand eines Metallrohrs. Derzeit gilt ein Faserlaser mittlerer Leistung als Goldstandard für diese Aufgaben. Alle Kanten müssen gratfrei sein, was nach dem Laservorgang unter Umständen einige Nachbearbeitungsschritte erforderlich macht.

Immer mehr Anwender entscheiden sich jedoch mittlerweile für einen Femtosekundenlaser anstelle eines Faserlasers. Ein solcher Ultrakurzpulslaser (USP-Laser) gibt seine Energie so schnell an das Material ab, dass sich die Wärme nicht ausbreiten kann, und die Wärmeeinflusszonen werden beim Verdampfen des Materials auf ein Minimum reduziert. Somit erzeugen USP-Laser relativ glatte Kanten, bei denen oft eine nachträgliche Reinigung mit Wasser ausreicht. Umgekehrt sind USP-Laser zwar äußerst präzise, aber etwas langsamer als Faserlaser.

Abbildung 1 zeigt ein mit dem Coherent Tube bearbeitetes Hypotube-Muster. Zu Demonstrationszwecken wurde ein StarCut Tube Hybrid verwendet, der sowohl über einen Faserlaser als auch über einen Femtosekundenlaser verfügt. Ein StarCut Tube SL, der nur mit einem Faserlaser oder einem Femtosekundenlaser ausgestattet ist, kann diese Aufgabe ebenfalls erfüllen und benötigt dabei weniger Platz.

Das Probenstück wurde aus einem Edelstahlrohr mit einem Außendurchmesser von 0,7 mm ausgeschnitten. Das Rohr hat eine Wandstärke von 100 µm. Am linken Ende wurde eine sogenannte Skive ausgeschnitten. Innerhalb der Skive wurde ein kleiner Testschlitz ausgeschnitten. Zusätzlich wurden zwei schwarze Ringe auf dem Hyporohr markiert. Diese drei Schritte wurden alle mit einem Coherent Monaco durchgeführt.

„Die Probe wurde aus einem Edelstahlrohr mit einem Außendurchmesser von 0,7 mm ausgeschnitten. Das Rohr hat eine Wandstärke von 100 µm.“

Abbildung 1:Hypotube-Probe, hergestellt mit einem Coherent Tube Hybrid. Der Außendurchmesser beträgt 0,7 mm.

Im nächsten Schritt wurde eine lange, unterbrochene Spirale in die Wand des Rohrs geschnitten. Für diesen Vorgang wechselte das System zur zweiten Laserquelle dieser Hybrid-Arbeitsstation: einem Coherent PowerLine mit mittlerer Leistung. Das Spiralmuster wurde „on-the-fly“ geschnitten, d. h. während das Rohr ständig mit hoher Geschwindigkeit bewegt wurde. Dabei wurde der Laser genau zum Beginn jedes Schnitts getriggert.

Abbildung 2 zeigt die Ergebnisse der Faserlaserbearbeitung. Es gibt zwei typische Muster für den Schaft eines Hypotubes: unterbrochene Spiralen oder das sogenannte Ziegelmuster. Ziegelmuster bestehen aus parallelen Reihen unterbrochener Einschnitte, die den Steinen in einer Ziegelmauer ähneln. Typische Hypotubes sind etwa 1,5 m lang, und durch den Einsatz eines On-the-Fly-Schneidverfahrens lässt sich der längere Teil eines Hypotubes sehr schnell bearbeiten. Die Zykluszeit für dieses Muster betrug nur 35 Sekunden.

Abbildung 2:Der Coherent PowerLine schneidet im laufenden Betrieb entweder in einem Ziegelmuster (links) oder in einer unterbrochenen Spirale (rechts) mit einer Schlitzbreite von weniger als 20 µm.

Benutzerfreundliche Software für das Laserschneiden im laufenden Betrieb

Die Benutzeroberfläche des Coherent Tube wurde für die einfache Handhabung kleiner und großer Chargen medizinischer Produkte entwickelt. Die Software Cagila ist für die einfache Programmierung der Bearbeitungsabläufe optimiert. Um den Arbeitsablauf zu beschleunigen, sind einige zusätzliche Funktionen integriert, wie beispielsweise die Strobe-Funktion. Sie unterstützt die automatische Erzeugung von unterbrochenen Spiralmustern oder Ziegelmustern beim Schlauchschneideprozess.

Strobe ist eine Zusatzfunktion für die StarCut Tube-Systeme, die es ermöglicht, den Laser „on-the-fly“ ohne Ansteuerungsverzögerung zu triggern. Das Triggersignal wird synchron zur Position der Drehachse erzeugt. Dadurch werden Verzögerungen und Schwankungen bei den Ein- und Ausschaltbefehlen des Lasers minimiert. Die Geometrie für die Spiral- oder Mauerwerkdesigns kann entweder über eine tabellenbasierte Eingabe (siehe Abbildung 3) oder aus importierten CAD-Daten generiert werden. Die Geometrie wird dann automatisch verarbeitet. Nachbearbeitungsfunktionen, wie z. B. automatisches Nachspannen nach einer definierten Strecke, können ebenso integriert werden wie zusätzliche Umdrehungen nach dem Start oder vor der endgültigen Schnittposition.

Abbildung 3:Mit dem Strobe Geometry Generator in der Steuerungssoftware lassen sich Spiral- oder Ziegelstrukturen ganz einfach erstellen.

„Strobe ist eine Zusatzfunktion für die StarCut Tube-Systeme, die es ermöglicht, den Laser ohne Durchbruchverzögerung ‚on-the-fly‘ auszulösen.“

Abbildung 4: Der Coherent Tube SL kann auf der kleinsten Stellfläche des Marktes (2.200 mm x 760 mm) entweder mit einem Faser- oder einem Femtosekundenlaser ausgestattet werden. Für die vollautomatische Bearbeitung stehen verschiedene Zu- und Entlademodule zur Verfügung.

„...die durch die Femtosekunden-Laserbearbeitung erzielte Kantenqualität ist so gut, dass Nachbearbeitungen wie beispielsweise das Elektropolieren oft entfallen.“

Automatisierte Verarbeitung auf kleinstem Raum

Medizinprodukte werden häufig in kostspieligen Reinräumen hergestellt. Der Coherent Tube SL verfügt über die geringste Stellfläche unter den Lasern dieser Art und beansprucht somit nur wenig wertvollen Platz im Reinraum.

Der StarCut Tube kann für die manuelle und automatisierte Bearbeitung konfiguriert und mit einem Faserlaser, einem Femtosekundenlaser oder beiden ausgestattet werden. Für eine vollautomatische Lösung können verschiedene Zuführ- und Entlademodule hinzugefügt werden. Mit dem StarFeed S beispielsweise kann die Maschine Rohre wie Thrombektomiekatheter mit einem Außendurchmesser von nur 0,3 mm automatisch laden. Andere Rohrlademodule sind für Rohre mit einem Durchmesser von 1 mm bis 20 mm und einer Länge von bis zu 3 m ausgelegt und ermöglichen eine vollautomatische, manuelle Produktion.

Die im StarCut Tube verbauten Laser sind entweder der Coherent PowerLine mit einstellbaren Pulsbreiten von 10 bis 50 Mikrosekunden oder ein hochmoderner USP-Laser– der Coherent Monaco– mit einer Pulsbreite von weniger als 350 Femtosekunden. Der Faserlaser eignet sich ideal zum Schneiden von dickeren Materialien und Rohren, bei denen es besonders auf Geschwindigkeit ankommt. Der Femtosekundenlaser eignet sich besser zum Schneiden sehr dünner oder empfindlicher Bauteile, bei denen die Oberflächenqualität entscheidend ist und thermische Nebenwirkungen vermieden werden müssen.

Präzision bei der Laserbearbeitung Präzision besser als +/- 5 µm. Tatsächlich ist die durch die Femtosekunden-Laserbearbeitung erzielte Kantenqualität so gut, dass Nachbearbeitungen wie beispielsweise das Elektropolieren oft entfallen. Die Maschine kann sowohl rohrförmige (mit einem Durchmesser von bis zu 30 mm) als auch flache Werkstücke bearbeiten, was ihren Nutzen und Wert erhöht. Sie ist mit 2, 3 oder 4 Achsen erhältlich.

Die Software ist auf einfache Handhabung und schnelle Bearbeitung ausgelegt. Je nach Qualifikationsniveau können verschiedene Bediener unterschiedliche Zugriffsrechte erhalten. Prozess- und Werkstückparameter können zur Rückverfolgbarkeit protokolliert werden. Im Hybridsystem kann die Maschine innerhalb eines Auftrags in derselben CNC-Datei zwischen zwei Lasern wechseln. Für die vollautomatische Bearbeitung ermöglicht ein spezielles Modul den automatischen SMS-Versand; es sendet dem Bediener eine SMS, sobald ein Problem auftritt oder ein Auftrag abgeschlossen ist.

Zusammenfassung

Die Coherent Tube bietet maximale Flexibilität bei der Bearbeitung und eine kompakte Bauweise. Die vielseitige Software und die mechanische Integration verschiedener Laserquellen ermöglichen bei Bedarf hohe Präzision hohen Durchsatz. Mit ihren automatisierten Zu- und Abförderungsoptionen ist sie für die automatisierte Fertigung kleiner und großer Losgrößen von medizinisches Gerät ausgelegt.

Die Anwendungsexperten von Coherent mehr als 25 Jahre Erfahrung in der Herstellung medizinischer Produkte. Kunden können auf vielfältige Weise von dieser Erfahrung profitieren. So können sie beispielsweise Muster zur Prüfung und Prozessentwicklung einsenden. Das Know-how wird zudem im Rahmen regelmäßiger Schulungen für Bediener aller Qualifikationsstufen weitergegeben.