Weißbuch

Wellenleiter für die Laserchirurgie

Überblick

Wellenrohre sind dünnwandige Metallrohre, die in vielen modernen medizinischen Anwendungen zum Einsatz kommen. Die lasergestützte Bearbeitung auf vollautomatischen Arbeitsstationen ist das Verfahren der Wahl für die Herstellung dieser präzisen medizinischen Produkte, da es die erforderliche Genauigkeit, Stückzahl und Produktionskapazität gewährleistet. Mit Hilfe anwendungsoptimierter Software lässt sich dieser Prozess einfach und äußerst effizient gestalten.

Wellenrohre: Eine lebensrettende Technologie

Minimalinvasive Eingriffe bieten zahlreiche Vorteile; bei vielen dieser medizinischen Verfahren kommt ein Katheter (manchmal auch als Führungsdraht bezeichnet) als wichtiges Instrument zum Einsatz. Diese Katheter müssen klein und biegsam sein, damit sie in die Blutgefäße des menschlichen Körpers eingeführt werden können. Außerdem müssen sie hohl sein, um Instrumente zu führen oder Medikamente zu verabreichen.

Schlauchkatheter müssen zahlreiche komplexe Anforderungen erfüllen. Ihre Ränder müssen gratfrei sein, und das verwendete Material sollte weich und leicht zu desinfizieren sein. Das distale Ende kann entweder als einfacher Schnitt oder als komplexes, mikromechanisch gefertigtes Bauteil ausgeführt sein. Um einen zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten, müssen Schlauchkatheter bei einer bestimmten Drehmomentbelastung flexibel sein und Verwindungen sowie Druckbelastungen standhalten können.

Metallische Sinusrohre erhalten ihre Flexibilität durch ein Schnittmuster an der Rohrwand. Ein unterbrochenes spiralförmiges Muster ist eine der Methoden, um diese Flexibilität zu erzielen. Die Schnittlänge und der Schnittabstand bestimmen die Reststeifigkeit des Rohrs. Die Präzision der Schnitte ist entscheidend dafür, dass das Sinusrohr während der Operation einwandfrei funktioniert.

„Die Präzision des Schnitts ist entscheidend dafür, dass der Hohlleitersystem während der Operation einwandfrei funktioniert.“

Präzise und effiziente Bearbeitung von Wellrohren

In der Regel werden Wellrohre mit modernster Lasertechnik bearbeitet. Das Lasersystem muss verschiedene Aufgaben erfüllen, beispielsweise das Markieren, Schneiden und Bohren an oder in den Wänden der Metallrohre. Derzeit werden für diese Aufgaben vorwiegend Faserlaser mittlerer Leistung eingesetzt. Alle Kanten müssen gratfrei sein, was unter Umständen eine Nachbearbeitung nach der Laserbearbeitung erforderlich macht.

Immer mehr Anwender entscheiden sich jedoch mittlerweile für Femtosekundenlaser anstelle von Faserlasern. Diese Ultrakurzpulslaser (USP-Laser) bringen ihre Energie schnell im Material auf, wodurch die Wärme nicht entweichen kann und die Wärmeeinflusszone während des Materialverdampfungsprozesses auf ein Minimum reduziert wird. Daher erzeugen USP-Laser relativ glatte Kanten, sodass in der Regel eine Nachbehandlung durch Wasserreinigung ausreicht. Allerdings sind USP-Laser, obwohl sie sehr präzise arbeiten, etwas langsamer als Faserlaser.

Abbildung 1 zeigt ein Beispiel für die Bearbeitung eines Hohlleiters mit dem StarCut Tube von Coherent. Zu Demonstrationszwecken haben wir den StarCut Tube Hybrid verwendet, der sowohl mit einem Faserlaser als auch mit einem Femtosekundenlaser ausgestattet ist. Auch der StarCut Tube SL, der nur über einen Faserlaser oder einen Femtosekundenlaser verfügt, kann diese Aufgabe erfüllen und benötigt dabei weniger Platz.

Die Probe wurde aus einem Edelstahlrohr mit einem Außendurchmesser von 0,7 mm herausgeschnitten. Die Wandstärke des Rohrs beträgt 100 µm. Am linken Ende wurde ein als „Schale“ bezeichneter Abschnitt abgeschnitten. In dieser Schale wurde ein kleiner Testschnitt vorgenommen. Außerdem wurden zwei schwarze Ringe auf das Rohr aufgebracht. Alle drei Schritte wurden mit Monaco von Coherent durchgeführt.

„Die Probe wurde aus einem Edelstahlrohr mit einem Außendurchmesser von 0,7 mm herausgeschnitten. Die Wandstärke des Rohrs beträgt 100 µm.“

Die Probe wurde aus einem Edelstahlrohr mit einem Außendurchmesser von 0,7 mm entnommen. Das Rohr hat eine Wandstärke von 100 µm. Am linken Ende wurde ein als „Schale“ bezeichneter Abschnitt abgeschnitten. In dieser Schale wurde ein kleiner Testschnitt angebracht. Außerdem wurden auf dem Rohr zwei schwarze Ringe markiert. Alle drei Schritte wurden mit Monaco von Coherent durchgeführt.

Abb. 1:Ein mit dem Coherent High-Intensity StarCut Tube Hybrid hergestelltes HHVT-Muster. Der Außendurchmesser beträgt 0,7 mm.

Im nächsten Schritt wird eine lange, unterbrochene Spirale in die Rohrwand eingraviert. Für diesen Arbeitsschritt wechselt das System zur zweiten Laserquelle dieser Mischstation: dem Coherent PowerLine mit mittlerer Leistung. Das Spiralmuster wird „im Flug“ geschnitten, d. h. während sich das Rohr mit hoher Geschwindigkeit fortbewegt. Dabei wird der Laserstrahl bei jedem Schnittbeginn präzise zeitlich gesteuert.

Abbildung 2 zeigt das Ergebnis der Bearbeitung mit einem Faserlaser. Es gibt zwei typische Ausführungen der Achse eines Sinuswellenrohrs: eine unterbrochene Spirale oder das sogenannte „Brick-and-Mortar“-Muster. Das „Brick-and-Mortar“-Muster besteht aus parallelen, unterbrochenen Einschnitten, ähnlich wie die Steine einer Mauer. Ein typisches Seewellenrohr ist etwa 1,5 Meter lang; mit einem dynamischen Schneidprogramm lassen sich längere Abschnitte des Seewellenrohrs sehr schnell bearbeiten. Die Zykluszeit für dieses Muster betrug nur 35 Sekunden.

Abb. 2:Coherent PowerLine führt dynamische Schnitte in Form eines Ziegelmusters (links) oder einer unterbrochenen Spirale (rechts) durch, wobei die Schnittbreite weniger als 20 µm beträgt.

Benutzerfreundliche Software für den Laserschnitt in Echtzeit

Coherent Tube wurde speziell für die einfache Bearbeitung von medizinischen Produkten in kleinen und großen Stückzahlen entwickelt. Die Cagila-Software ist so optimiert, dass sich Bearbeitungsprozesse mühelos programmieren lassen. Zur Beschleunigung des Arbeitsablaufs sind einige Zusatzfunktionen integriert, wie beispielsweise die „Strobe“-Funktion. Diese Funktion ermöglicht die automatische Erzeugung von unterbrochenen spiralförmigen Mustern oder Ziegelmustern während des Rohrschneidvorgangs.

„Strobe“ ist eine Zusatzfunktion des StarCut Tube-Systems, die eine „sofortige“ Auslösung des Lasers ermöglicht, ohne dass es zu Verzögerungen kommt, die zu Durchbrüchen führen könnten. Das Triggersignal wird synchron zur Position der Drehachse erzeugt. Dadurch werden sowohl die Verzögerung als auch das Jitter beim Ein- und Ausschalten des Lasers auf ein Minimum reduziert. Geometrien in Spiral- oder Ziegelmuster-Design können entweder über eine tabellenbasierte Eingabe (siehe Abbildung 3) oder aus importierten CAD-Daten generiert werden. Anschließend können die Geometrien automatisch bearbeitet werden. Es können Nachbearbeitungsfunktionen integriert werden, wie beispielsweise das automatische Nachspannen nach Festlegung eines Abstands sowie das Hinzufügen zusätzlicher Biegungen nach dem Start oder vor der endgültigen Schnittposition.

Abbildung 3:Mit dem Generator für Stroboskop-Geometrien in der Steuerungssoftware lassen sich ganz einfach spiralförmige oder ziegelartige Strukturen erzeugen.

„Strobe ist eine Zusatzfunktion des StarCut Tube-Systems, die eine ‚sofortige‘ Auslösung des Lasers ermöglicht, ohne dass es zu Verzögerungen kommt, die zu Durchbrüchen führen könnten.“

Abb. 4:Coherent StarCut Tube SL kann mit einem Faser- oder Femtosekundenlaser ausgestattet werden und nimmt unter den vergleichbaren Produkten auf dem Markt den geringsten Platz ein (2.200 mm × 760 mm). Er lässt sich mit mehreren Zu- und Abführmodulen ausstatten, um eine vollautomatische Bearbeitung zu ermöglichen.

„......Die Kantenqualität der mit dem Femtosekundenlaser bearbeiteten Produkte ist sehr gut, sodass in der Regel keine Nachbearbeitung wie beispielsweise elektrolytisches Polieren erforderlich ist.“

Platzsparende automatisierte Bearbeitung

Medizinprodukte werden in der Regel in kostspieligen Reinräumen hergestellt.Coherent StarCut Tube SL benötigt von allen Lasern seiner Klasse den geringsten Platzbedarf und beansprucht somit nur ein Minimum an wertvollem Reinraumplatz.

StarCut Tube kann für die manuelle und die automatische Bearbeitung konfiguriert und mit einem Faserlaser, einem Femtosekundenlaser oder beiden Lasertypen ausgestattet werden. Für eine vollautomatische Lösung können mehrere Zuführ- und Entlademodule hinzugefügt werden. So kann die Maschine beispielsweise mit Hilfe von StarFeed S Katheter wie Entstopfungskatheter mit einem Außendurchmesser von nur 0,3 mm automatisch laden. Andere Katheter-Lademodule decken einen Durchmesserbereich von 1 mm bis 20 mm und eine Länge von 3 m ab und ermöglichen eine vollautomatische, mannlose Produktion.

StarCut Tube kann mitPowerLine von Coherent betrieben werden, dessen Impulsbreite zwischen 10 und 50 Mikrosekunden einstellbar ist, oder mitCoherent hochmodernen USP-Laser MonacoCoherent , Monacounter 350 Femtosekunden liegt. Faserlaser eignen sich besonders gut zum Schneiden von dickeren Materialien und Rohren, da beim Schneiden dieser Materialien die Geschwindigkeit eine entscheidende Rolle spielt. Femtosekundenlaser eignen sich besser zum Schneiden extrem dünner oder präziser Teile, bei denen die Oberflächengüte von entscheidender Bedeutung ist und thermische Nebenwirkungen vermieden werden müssen.

Die Bearbeitungsgenauigkeit bei der Laserbearbeitung liegt unter +/- 5 µm. Tatsächlich weisen die mit dem Femtosekundenlaser bearbeiteten Produkte eine sehr gute Kantenqualität auf, sodass Nachbearbeitungen wie das elektrolytische Polieren in der Regel nicht erforderlich sind. Die Maschine kann sowohl rohrförmige Werkstücke (mit einem Durchmesser von bis zu 30 mm) als auch flache Werkstücke bearbeiten und bietet somit eine höhere Vielseitigkeit und einen größeren Nutzen. Die Maschine ermöglicht 2-Achsen-, 3-Achsen- oder 4-Achsen-Bearbeitungen.

Die Software ist benutzerfreundlich und ermöglicht eine schnelle Bearbeitung. Verschiedene Bediener können je nach ihrem Kenntnisstand unterschiedliche Zugriffsrechte erhalten. Prozess- und Werkstückparameter können zur Rückverfolgbarkeit protokolliert werden. In einem Hybridsystem kann die Maschine innerhalb desselben Arbeitsgangs unter Verwendung einer einzigen CNC-Datei zwischen zwei Lasern umschalten. Für die vollautomatische Bearbeitung steht ein spezielles Modul für den automatischen SMS-Versand zur Verfügung; bei Problemen oder nach Abschluss eines Arbeitsgangs sendet es eine SMS an den Bediener.

Zusammenfassung

Coherent StarCut Tube Coherent bietet eine deutlich höhere Bearbeitungsflexibilität bei geringem Platzbedarf. Bei Bedarf lassen sich durch den Einsatz einer vielseitigen Software und die mechanische Integration verschiedener Laserquellen hohe Präzision und hohe Produktionsleistungen erzielen. Die Anlage wurde speziell für die automatisierte Fertigung von Medizinproduktkomponenten in kleinen und großen Stückzahlen entwickelt und bietet Optionen für die automatische Zu- und Abführung.

Coherent mehr als 25 Jahre Fachwissen in der Herstellung medizinischer Produkte. Kunden können auf vielfältige Weise von dieser Erfahrung profitieren. So können sie beispielsweise Muster zur Prüfung und Prozessentwicklung einsenden. Wir bieten regelmäßige Schulungen für Bediener aller Qualifikationsstufen an, um unser Fachwissen weiterzugeben.