Der Wert der Laserbearbeitung in der Medizingeräteindustrie

Jonathan Magee 28. Juli 2021

Von der Steuerung des Herzrhythmus über die Neuromodulation bis hin zu orthopädischen Implantaten und Hörimplantaten spielen Lasermaterialbearbeitungssysteme eine entscheidende Rolle bei der Herstellung dieser lebensverbessernden Geräte. Dies sind einige der heute gängigen Anwendungen von Laserbearbeitungssystemen, die bei der Herstellung medizinischer Geräte eingesetzt werden, und die Anwendungsbasis wächst rasant. Sogar die Grundlage für völlig neue Produkte konzentrierte sich auf die Verfügbarkeit der Lasermaschinensystemtechnologie.

Lasersysteme waren schon immer wichtig für die Medizingeräteindustrie. Als Laser in den 1970er Jahren erstmals kommerzialisiert wurden, wurden sie von der Industrie angenommen. Sie haben sich zusammen mit den Produkten, die sie herstellen können, weiterentwickelt und neue und verbesserte medizinische Produktdesigns ermöglicht. Beispielsweise sind wir gerade dabei, ultrakurzgepulste Laser einzusetzen, die bei Bearbeitungsvorgängen an medizinischen Geräten einen vernachlässigbaren Wärmeeintrag verursachen.

Lesen Sie weiter, um einen Rückblick auf die Erfolge der Laserbearbeitung zu erhalten und einen Blick darauf zu werfen, was sonst noch möglich ist.

In mehreren kritischen Kategorien machen Lasertechnologien einen Unterschied. Beispielsweise zielt das Herzrhythmus-Management (CRM) darauf ab, die Lebensqualität von Menschen zu verbessern, deren Herz oft zu langsam schlägt oder aussetzt. Bei der Herstellung von CRM-Geräten kommen mehrere industrielle Laserprozesse zum Einsatz, wie z. B. Laserschweißen mit gepulsten Faserlasern zur hermetischen Abdichtung der Herzschrittmacherkartusche, Abisolieren der für das Gerät verwendeten Elektroden mit gütegeschalteten und kurzgepulsten Lasern sowie Lasermarkierung von UDI-Codes auf dem Gerät mit Faserlasermarkierungen. Herzschrittmacher verfügen in ihrer Baugruppe über wärmeempfindliche Elektronik, und dies war einer der Gründe, warum bei ihrer Herstellung ursprünglich Lasersysteme eingesetzt wurden, da die Nettowärmeübertragung vernachlässigbar oder mit entsprechend konstruierten Lasersystemen beherrschbar ist.

Laser eignen sich auch für die Automatisierung, beispielsweise für die Integration in ein Glovebox-Schweißsystem, um eine Oxidation der geschweißten Herzschrittmacher zu verhindern. Vor dem Aufkommen der Faserlasertechnologie in der Medizingeräteindustrie Mitte der 2000er Jahre wurden diese Geräte mithilfe älterer Festkörperlaser auf Stabbasis aus den späten 80er und frühen 90er Jahren hergestellt.

Neuromodulation mithilfe medizinischer Geräte wird zunehmend zur Kontrolle der Auswirkungen von Erkrankungen wie der Parkinson-Krankheit und dem benignen essentiellen Tremor eingesetzt. Diese revolutionären Geräte können in das Gehirngewebe oder das Rückenmark implantiert werden, um die motorische Koordination zu verbessern. Die Elektroden bestehen aus relativ inerten Metallen, die mit Kunststoff beschichtet sind. Um die Elektroden freizulegen, die anschließend in den Körper eingebettet werden, werden die empfindlichen Drähte aus Materialien wie Platin und Kupfer per Laserdraht von ihren Fluorpolymermänteln, häufig PTFE, und anderen Polymeren wie PET oder Polyimid befreit.

Die für eine solche Bearbeitung eingesetzten Lasersysteme sind hinsichtlich der geforderten Kantenqualität und der gewünschten Wirkung auf dem blanken Metall unterschiedlich. Der große Vorteil von Lasersystemen bei diesen Prozessen besteht darin, dass sie sich gut in schlüsselfertige automatisierte Produktionssysteme integrieren lassen und dass sie Drähte, die einen Durchmesser von bis zu einem Tausendstel Zoll haben können, weder berühren noch große mechanische Kräfte darauf ausüben . Eine solche Laserbearbeitung kann aufwändige manuelle Prozesse unter dem Mikroskop ersetzen. Oftmals ist der Laser die beste verfügbare Methode für den Hersteller medizinischer Geräte, und das ist oft der Grund, warum die Medizintechnik-Ingenieure bei der Entwicklung innovativer neuer Produkte natürlich ein Lasersystem als erste Produktionsidee in Betracht ziehen.

Orthopädische Implantate werden seit vielen Jahren laserbeschriftet und graviert, und einige Geräte werden lasergeschweißt und aus Metallpulvern per Laser 3D gedruckt. Die vollständige Lasererzeugung von Orthoimplantaten hat zu einer Massenanpassung unter Verwendung von Daten geführt, die aus MRT-Scans generiert wurden. Lasersysteme sind sogar in der Lage, ausgewählte Bereiche der Metallimplantate aus Materialien zu polieren, sodass diese eine geringere Oberflächenrauheit aufweisen als die ursprüngliche 5-Achsen-CNC-bearbeitete Oberfläche. Umgekehrt können Laserbearbeitungssysteme Orthoimplantate strukturieren, um Oberflächen für die Zelladhäsion bereitzustellen. Auf ein und demselben Bauteil können unterschiedliche funktionale Oberflächeneigenschaften erzeugt werden.

Der Einsatz laserbasierter Fertigung ist im Ortho-Sektor weit verbreitet und bildet in Verbindung mit Schnittstellen zur Auftragsdatenverarbeitung ein integriertes Lasersystem, das direkt mit dem Produktbestell- und Verifizierungssystem verbunden ist. Dies ermöglicht Rückverfolgbarkeit und Qualitätsprüfungen für jedes Teil sowie ein Protokoll aller Vorgänge während des Lasermaterialbearbeitungsvorgangs, wodurch Risiken vermieden werden und der Hersteller in der Lage ist, die gesetzlichen Vorschriften schnell einzuhalten.

Laserschneiden von Metall.

Auch die bei Orthoimplantaten verwendete Instrumentierung ist stark auf die Laserbearbeitung angewiesen, vom Laserschneiden von Knochensägen über das Schweißen von Sägekassetten bis hin zur Markierung abgestufter Skalen für die chirurgische Schnitttiefe.

Bildverarbeitungssysteme wie intelligente Kameras mit zugehöriger Software sind weithin in Lasersysteme integriert und sorgen während der Bearbeitung für die notwendigen Kontrollen, um ein perfektes Produkt zu gewährleisten. Viele der in der Orthopädie eingesetzten Verfahren basieren auf Faserlasern, dennoch gibt es immer noch CO2 und ältere Technologien. Hersteller medizinischer Geräte tendieren dazu, nach zukunftsweisenden Technologien zu suchen, um sich Wettbewerbsvorteile zu verschaffen und die Einhaltung gesetzlicher Vorschriften bei Produktionsmethoden zu verbessern.

Eine analoge Laserstrukturierungstechnologie wird bei deutlich kleineren Cochleaimplantaten zur Verbesserung der Taubheit eingesetzt. Lasersysteme können in der Regel mit einem schnellen ROI an den Maßstab und das Produktionsvolumen des Produkts angepasst werden.

Es gibt viele andere Prozesse, die hier nicht behandelt werden, von der Bearbeitung mikrofluidischer Assay-Diagnosegeräte über das Gravieren und Strukturieren von Keramik und Gläsern, die in medizinischen Geräten verwendet werden, bis zum Schneiden von Metallen und Kunststoffen für Stents, Hypotubes, chirurgische Klingen und das Schweißen von Kunststoffen. Sie alle erfreuen sich mittlerweile großer Beliebtheit bei großen Herstellern medizinischer Geräte und ihren Vertragspartnern.

Seit ihrer Einführung haben Lasersysteme maßgeblich zur erfolgreichen Herstellung medizinischer Geräte aller Art und Größe beigetragen. Von chirurgischen bis hin zu implantierten Geräten können Laser sicherstellen, dass Teile identifizierbar, nicht korrodierend und ungiftig sind. Dank ihrer Vielseitigkeit und der Fähigkeit, ein breites Spektrum an Materialien zu bearbeiten, können Laser im Zuge des rasanten Fortschritts der Medizintechnik noch kosteneffizientere und innovativere Verfahren ermöglichen. Diese Fortschritte werden sowohl für Konstrukteure als auch für medizinisches Fachpersonal Vorteile bieten, indem sie modernste Möglichkeiten zur Risikominderung, zur Gewährleistung der Einhaltung gesetzlicher Vorschriften und zur Erhöhung der Patientensicherheit bieten.

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