Entwicklung und Validierung von Laserschweißprozessen

Getestet bei der schweißtechnischen Lehr- und Versuchsanstalt München

20. Januar 2011

Wenn Unternehmen für die Entwicklung oder Validierung anspruchsvoller Laserschweißprozesse externe Unterstützung benötigen, wenden sie sich nicht selten an Peter Limley. Der Laserspezialist der schweißtechnischen Lehr- und Versuchsanstalt SLV München hat mit den Laserschweißsystemen „Integral“ und „Performance“, einigen anderen Rofin-Lasern und verschiedenen Prüflaboren alle Möglichkeiten zur Evaluierung und Validierung manueller, wie automatisierter Schweißprozesse. Die SLV München ist eine von bundesweit acht in der GSI mbH zusammengefassten Lehr- und Versuchsanstalten und mit ihren 85 Mitarbeitern das größte schweißtechnische Institut in Bayern. Neben dem umfangreichen schweißtechnischen Ausbildungsangebot stellt die Beratung für unterschiedlichste Schweißverfahren einen Hauptaufgabenbereich der SLV dar. Das Spektrum der Auftraggeber ist bunt, es reicht vom Stahlbau über die Medizintechnik bis zum Max-Planck Institut für Plasmaphysik.

Kanülierte Schrauben zur Stabilisierung der Wirbelsäule

Rofins Hand-CNC-Schweißlaser Performance, Select und Integral sind aufgrund ihrer Vielseitigkeit in der medizintechnischen Produktion weit verbreitet. Folgerichtig landen immer wieder auch neue medizintechnische Produkte auf Peter Limleys Schreibtisch. Wie das der Ulrich Medical aus Ulm. Der Medizintechnikspezialist entwickelt eine neue Generation seiner Cosmic-Schrauben zur dynamischen Stabilisierung der Wirbelsäule. Bei zahlreichen Erscheinungsformen degenerativer Veränderungen der Wirbelsäule ist weder die Implantation einer Bandscheibenprothese noch die Versteifungsoperation die erste Wahl. Für diese Fälle stellt das dynamische Stab-Schrauben-System eine elegante Alternative dar.

Zentraler Bestandteil des Cosmic-Konzepts ist ein Scharniergelenk zwischen Schraubenkopf und Gewindeteil. Um die Operationstechnik zum Einschrauben der Implantate in die Wirbelkörper noch präziser und sicherer zu machen, hat Ulrich Medical die weiterentwickelten Schrauben kanüliert, also mit einer zentralen Bohrung versehen. So kann Position und Winkel des späteren Schraubkanals zunächst mit einem dünnen Führungsdraht festgelegt werden. Dieser dient in der Folge auch zum präzisen Setzen der Schraube. Der bislang als Gelenkachse verwendete, durchgehende und beidseitig vernietete Verbindungsstift ist bei der neuen Hohlschraube im Weg.

Laserfeinschweißung als redundante Sicherung

Medizintechnische Zulassungen für Implantate verlangen redundante Sicherheiten für zentrale Funktionen. Die Presspassung der zwei kleinen Stifte, die nun die Verbindung der Schraube mit der Halbschale übernehmen, reicht dazu nicht. Deshalb muss eine Laserschweißung als redundante Sicherheit gegen die Lockerung der Stifte eingesetzt werden. Alle Teile sind aus einer Titanlegierung, die Stifte mit 1,5 mm Durchmesser etwa 3 mm Länge einigermaßen winzig. Hinzu kommt, dass ein kleiner Spalt überschweißt werden muss, da die Bohrungen als Montagehilfe für das Einsetzen der Stifte auf den ersten Zehntelmillimetern einen leicht vergrößerten Durchmesser aufweisen.

Entwicklung des optimalen Laserschweißprozesses

Nach dem Einlegen der Teile in die Werkstückaufnahme erzeugt ein automatischer, achsengesteuerter Schweißprozess die gewünschte, kreisförmige Schweißnaht. Peter Limley ermittelt mit Werkstückmustern in einigen Versuchsreihen auf Rofins Schweißsystem „Performance“ geeignete Werte für Ladespannung, Pulsdauer und Pulsenergie. Ziel ist eine konstante Einschweißtiefe von 0,4 mm mit einem Gefüge ohne Poren und Mikrorisse. Die schließlich ermittelten Laserparameter reduzieren die nötige Schweißnahtbreite auf etwa 500 μm und den unerwünschten Wärmeeintrag gegenüber den ersten Probeschweißungen auf einen Bruchteil.

Da in diesem Fall der Hersteller ein baugleiches Rofin-Lasersystem einsetzt, gestaltet sich die Übertragung des Schweißprozesses in die Vorserienproduktion ausgesprochen einfach. Die Proben daraus bestätigen dann auch die gute Übertragbarkeit der Schweißparameter.

Metallografische Beurteilung zur Validierung

Die metallografische Beurteilung erfolgt in erster Linie mit Querschliffen. Die geschliffenen und polierten Flächen der Querschnitte erlauben unter dem Mikroskop die exakte Prüfung der Position und Tiefe der Schweißnaht sowie der Gefügeumwandlung des Materials. Die Auswertung verschiedener Stichproben lässt ferner die Bewertung der Stabilität des Verfahrens gegenüber Bauteiltoleranzen zu.

Die Abwesenheit von Mikrorissen und feinsten Poren wird mit Hilfe von Farbeindringprüfungen kontrolliert. Das Verfahren nutzt ein farbiges Eindringmittel mit hohem Kriechvermögen und die Kapillarkräfte feinster Öffnungen. Existieren diese, holt ein Entwicklungsprozess das Eindringmittel nach einer Reinigung wieder an die Oberfläche zurück und macht so auch kleinste Risse von 1 μm sichtbar.

Härtemessungen schließlich, prüfen die schweißbedingten Aufhärtungen im aufgeschmolzenen Bereich sowie die Härtereduktion im Grundmaterial. Die metallografische Beurteilung der bei Ulrich Medical gefertigten Proben durch die SLV München zeigt konstante Schweißergebnisse und keinerlei Auffälligkeiten. Damit ist eine wichtige Voraussetzung für die medizinische Zulassung der neuen Schrauben erfüllt.

Integral mit mehr Laserpower und Validierungsunterstützung

Mittlerweile sind die hohlgebohrten Cosmic-Schrauben als Therapievariante zur dynamischen Stabilisierung der Wirbelsäule etabliert. Und Rofins neuer „Integral“ mit 200 Watt hat den „Performance“ als meist genutztes Laserschweißsystem der SLV München abgelöst. Mit der hohen Leistung und der entsprechenden Pulsstabilität des neuen Laserresonators eignet sich die Anlage insbesondere auch für Verschweißungen problematischer Materialien und Materialkombinationen, wie Aluminium und Kupfer. Nicht unwichtig für die SLV, da sie sich, neben dem Ausbildungsbetrieb, insbesondere mit besonders anspruchsvollen und kritischen Laserschweißaufgaben beschäftigt.

Auch für die Aufgabe der Prozessvalidierung bietet das neue Laserschweißsystem hilfreiche Unterstützung. Die für den Schweißprozess wesentlichen Schweißparameter können überwacht, in Logfiles abgelegt und dokumentiert werden, um so einen stabilen Prozess nachzuweisen. Aus einer für den Prozess abgestimmten Kombination von manuellem Einlegen und CNC-geführtem Schweißprozess entsteht so ein hochflexibler und dennoch prozesssicherer Produktionsschritt.