Der Laserstrahl ist hochenergetisches, gerichtetes Licht einer definierten Wellenlänge. Er wirkt durch Erwärmung oder Verdampfung vom getroffenen Material oder belichtet fotosensitive Beschichtungen. Je nach Material unterscheiden sich Absorptionsraten und die zu erzielenden Effekte. Laser lassen sich durch Spiegel oder Linsen präzise auf die Arbeitsebene lenken. Sie wirken ohne direkten Materialkontakt und lassen sich über eine Maschinensoftware in beliebigen Konturen steuern. Neben dem Dauerstrahl-Laser sind gepulste Systeme verfügbar, die eine hohe Spitzenenergie in einem Bruchteil einer Sekunde freisetzen. Aus diesen Wirkungsprinzipien werden die wesentlichen Vorteile der Laserbearbeitung deutlich: Es kommt auf die geschickte Kombination verschiedener Parameter an, um die gewünschten Effekte zu erzielen. Schon bei der Entwicklung von neuen Produkten leisten Laser gute Dienste. Moderne LPKF-Systeme können im Labor seriennahe, funktionsfähige Prototypen generieren. Die größte Bandbreite weist wohl der UV-Laser auf. Er kann zum Beispiel laminierte Substrate strukturieren und daraus Leiterplatten für komplexe Schaltungen herstellen. Aus einer vollflächig kupferbeschichteten Platte erzeugt der Laser durch strukturieren der Isolationskanäle auch komplexe Leiterstrukturen – die gewünschten Leiterbahnen bleiben stehen, das Material auf beiden Seiten wird entfernt.
* LPKF
* LPKF
Laser in der Produktentwicklung
Bei dünnen starren, starr-flexiblen oder flexiblen Leitungsträgern ist er besonders effektiv: Der UV-Laser trennt einzelne Nutzen ohne thermischen oder mechanischen Stress aus größeren Vorlagen. Das ist wichtig, um die Delamination von Leiterbahnen oder die Beschädigung von Komponenten nahe an der Schneidkante zu vermeiden. Beim Lasertrennen werden keine Werkzeuge benötigt, und selbst bestückte Bauteile behindern den Schneidvorgang nicht. Auch Bohrungen mit dem Laser werden als Schneidprozesse durchgeführt. Flexible Schaltungsträger übernehmen in der Medizintechnik die Verbindung beweglicher Produktkomponenten oder helfen, besonders kompakte Produkte – zum Beispiel Herzschrittmacher – zu realisieren. Für Analysesysteme kommen aufgrund der günstigen physikalischen Eigenschaften häufig keramische Komponenten zum Einsatz. Das harte Material macht eine Bearbeitung mit herkömmlichen Werkzeugen schwierig. Der UV-Laser hat sich bei zwei Bearbeitungsformen bewährt: Zum einen kann er Keramik ritzen, schneiden und bohren, zum anderen ist er hervorragend zur Strukturierung von Metallbeschichtungen geeignet.
Laser für sichere und geprüfte Verbindungen
In der Medizintechnik hat sich das Laser-Durchstrahlschweißen einen hohen Stellenwert erobert. Mit diesem Verfahren lassen sich zwei Bauteile sehr sicher miteinander verbinden, ohne Zusatzstoffe (wie beim Kleben) oder Partikel (beim Ultraschallschweißen). Da der Laser keinen direkten Kontakt zum Material voraussetzt, entstehen optisch hochwertige Schweißnähte ohne jede Beeinträchtigung der Oberfläche. Beim Laser-Kunststoffschweißen kommen zwei Kunststoffe mit unterschiedlichen Absorptionseigenschaften zum Einsatz. Der obere Fügepartner ist lasertransparent, der Laserstrahl koppelt erst in der Schweißzone des unteren Fügepartners ein. Hier schmilzt der Kunststoff und überträgt die Wärme durch einen geringen Fügedruck auf den oberen Fügepartner. Auch dieser schmilzt in der Schweißzone. Nach dem Abkühlen entsteht eine sichere, optisch hochwertige und absolut hygienische Schweißverbindung. Das Laserverfahren bietet gerade für den Medizinbereich erhebliche Vorteile, weil gleich mehrere Verfahren zur Qualitätskontrolle im Prozess existieren und auch eingesetzt werden. So überprüft beispielsweise ein Pyrometer die Wärmeentwicklung in der Schweißnaht und gleicht diese mit den Sollvorgaben ab, eine Verbrennungsdetektion erkennt Beeinträchtigungen durch Materialverschmutzung oder die Reflektionsdiagnose bestätigt die erfolgreiche Schweißung durch die Messung der Totalreflektion an Grenzflächen. Der einfachste Qualitätstest ist auch gleichzeitig der wirkungsvollste: LPKF-Laser-Welding-Systeme ermitteln den Fügeweg bei in der Schweißnaht angeordneten Schmelzstegen und können so auch geänderte Materialeigenschaften der Fügepartner ausgleichen. In der Medizintechnik kommt dieses zuverlässige Fügeverfahren in zahlreichen Varianten zum Einsatz. Beim Quasisimultanschweißen fährt der Laser die Schweißnaht mehrfach komplett ab und schmilzt sie auf ganzer Länge. Der obere Fügepartner verbindet sich über die gesamte Schweißnaht. Dieses Verfahren kommt zum Beispiel beim SEAGsens-Sensoriksystem der Schweizer Electronic AG zum Einsatz. Dieser Sensor wird bei Blutspenden direkt nach der Entnahme am Blutbeutel befestigt und muss die gesamte Bearbeitungskette ohne Beeinträchtigungen mehrfach durchlaufen. Er kann einer Röntgenstrahlung standhalten, ist resistent gegen elektrische Wechselfelder und ist mit einem biokompatiblen Gehäuse ausgestattet. Die härteste Beanspruchung ist jedoch mechanischer Art. Die Trennung der Blutbestandteile wird z. B. in Zentrifugen vorgenommen. Der Sensor wird einer Zentrifugalkraft bis zur 5.000-fachen Erdbeschleunigung ausgesetzt. Damit ist eine Gewichtsbeaufschlagung durch den Blutbeutel von bis zu 3,5 Tonnen verbunden. Der Sensor protokolliert alle Temperaturwerte in Vollkurvenaufzeichnung und stellt die Daten per RFID zur Dokumentation zur Verfügung.Völlig unverzichtbar ist der Laser, wenn es um feinste Strukturen wie zum Beispiel in der Mikrofluidik geht. Dabei werden feine Kanäle sicher verbunden – auf der Fläche einer Streichholzschachtel werden Schweißnähte von mehreren Metern Länge untergebracht. Auch diese Schweißungen erfolgen im Quasisimultanverfahren. Ein Beispiel ist ein Mikrozerstäuber, der exakte Wirkstoffmengen freigibt und damit volumengesteuerte Sprayapplikationen erlaubt. Eine andere Technologie kommt beispielsweise für Katheter zur Ballondilatation zum Einsatz. Sie werden etwa zur Aufweitung verengter Herzkranzgefäße eingesetzt. Der Ballonbereich wird mit Hilfe des Radialverfahrens geschweißt: Dabei wird das Werkstück unter einem stationären Laserstrahl gedreht.
Dreidimensionale Baugruppen
Ein weiteres interessantes Einsatzgebiet sind dreidimensionale Schaltungsträger. Dabei werden auf 3D-Kunststoffbauteilen Leiterbahnen erzeugt. Das derzeit wichtigste Verfahren ist die LPKF-LDS-Technologie (Laser-Direktstrukturierung). Die im Spritzgussverfahren hergestellten Kunststoffkörper sind mit einem LDS-Additiv versehen. Der Laserstrahl aktiviert dieses Additiv, im nachfolgenden Metallisierungsbad bauen sich unterschiedliche Metallschichten auf. In diesem Verfahren werden großtechnisch Millionen von Antennen hergestellt. In der Medizintechnik gibt es zum Beispiel Anwendungen bei Hörgeräten und einem Dentalhandstück. Bei beiden gilt es, Komponenten mit hochintegrierten Elektronikkomponenten zu erstellen, die gleichzeitig ein geringes Gewicht und minimales Volumen aufweisen. Der Laser hat sich bereits in ganz verschiedenen Bereichen der Medizintechnologie als Werkzeug bewährt. Aber das Lasersystem ist nur so leistungsfähig, wie die Summe der Einzelkomponenten. Für eine effektive Mikromaterialbearbeitung mit dem Laser müssen Spezialisten aus Maschinenbau, Steuerungs- und Antriebstechnik, Lasertechnik und Optik, der Materialwissenschaften und Softwarespezialisten zusammenarbeiten – damit sich mit benutzerfreundlichen Lasersystemen hervorragende Medizinprodukte herstellen lassen.☐
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