Mit dem Laser in Idealform

Sollen kleinste dreidimensionale Körper hoch präzise bearbeitet werden, ist das Laserschneiden eine schnelle und saubere Lösung. Gerade im Bereich von dünnwandigen Werkstücken, wie kleinen Rohren für die Medizintechnik, erzielt die nahezu kraftfreie Bearbeitung sicher jede gewünschte Form. Selbst komplexe geometrische Strukturen werden sekundenschnell in die gewünschte Form gebracht. Einer der Vorreiter in der Bearbeitung von medizinischen Miniaturkomponenten ist die Admedes Schuessler GmbH aus Pforzheim. Das Unternehmen für medizintechnische Mikrokomponenten ist auf moderne Laserverfahren spezialisiert.

Die hoch präzisen Produkte aus Nitinol, einer Form-Gedächtnislegierung aus Nickel-Titan mit dem so genannten Memory-Effekt reichen vom Stent zur Stabilisierung von Blutgefäßen bis zur Einfassung für künstliche Herzklappen. Durch den Memory-Effekt im Materialgefüge, ausgelöst durch Temperaturänderung, nehmen die Implantate ihre endgültig gewünschte Form an.

Die moderne Implantatemedizin, wie sie das Pforzheimer Unternehmen mit immer weiter voran treibt, ist ohne Laser undenkbar. Feinste Strukturen schneidet die gebündelte Lichtenergie ultra-präzise mit einer sehr hohen Reproduzierbarkeitsrate. In ihrem neuesten Projekt verbinden die Ingenieure aus der südwestdeutschen „Goldstadt“ ihr Laser-Know-how mit moderner Vision-Technologie. Realisiert wurde diese Vision-Lösung durch die Bildverarbeitungsspezialisten der Visolution GmbH aus Kandel. Das dabei installierte hochauflösende Vision-System In-Sight Micro 1403 mit der Vision-Software PatMax und seinen sicheren Bildverarbeitungs-Algorithmen garantiert die präzise Kontrolle beim Schnitt – und das mit einer Genauigkeit, von der Chirurgen nur träumen können.

Die Strahlquelle mit der hoch gebündelten Energie des Lasers ist im oberen Bereich der Anlage angesiedelt. Ein Spiegel lenkt den Laserstrahl senkrecht nach unten ab. In der Schneiddüse ist der Laserstrahl sehr fein fokussiert und schneidet durch die gebündelte Energie aus dem zu bearbeitenden Metallrohr eine hochpräzise und hauchdünne Metallstruktur. Wichtig ist dabei die sehr genaue Positionsbestimmung und Lage des zu bearbeitenden Röhrchens. Das intelligente Vision-System In-Sight Micro 1403 mit seiner hohen Bildauflösung von 1600 x 1200 Pixeln gewährleistet vor der Laserbearbeitung die Ermittlung der Rohrkoordinaten mit hoher Präzision. Die Maschine passt dann die Werkstück-Position mittels des auf einer Linearachse verfahrbaren Spannbackenfutters laufend an die Sollposition an. Dieser ganze Fertigungsprozess erfolgt mit der Präzision weniger Tausendstel Millimeter.

Dabei orientiert sich das intelligente Vision-System an einer markanten Rohrkontur, die in einem vorgelagerten Bearbeitungsschritt geformt wurde. Seitlich auf das Werkstück gerichtet und unterstützt durch eine gegenüberliegende telezentrische Beleuchtung, erkennt das Vision-System genau und sicher die charakteristische Kontur. Die telezentrische Lichtquelle und das Vision-System sind im gleichen massiven Rahmen zusammengefasst. Diese spezielle Anordnung stellt sicher, dass beide – selbst bei dem relativ großen Abstand von beidseitig rund 80 mm zum Werkstück – immer mit höchster Präzision aufeinander ausgerichtet sind. In detaillierten Testreihen für die Bilderfassung ermittelte der Vision-Systemintegrator den optimalen Mittelwert für Tiefenschärfe und Auflösung der Bauteile im Makro-Bereich. Befindet sich das Edelstahlrohr in der richtigen Position, dann schneidet der Laser die gewünschte Kontur mit einer Genauigkeit von ± 3 μm aus dem rotierende Werkstück.

Bei der Ultra-Präzisionsfertigung von Miniaturkomponenten geht es um Tausendstel Millimeter, und die Anlagen sind schon aus Stabilitätsgründen möglichst kompakt gebaut. Dementsprechend war bei dieser Aufgabe der Raum für die Vision-Hardware knapp bemessen. Andererseits war dennoch höchste Präzision gefordert – ein Grund, warum man sich bei Admedes für das kompakte autarke Vision-System In-Sight Micro 1403 entschieden hat.

Das System mit fast 2 MP Bildauflösung ist mit seinen 30 mm x 30 mm x 60 mm enorm platzsparend und dabei sehr flexibel in der Montage. Mittels nichtlinearen Kalibrierwerkzeugs kann der Einbau selbst unter beengten Verhältnissen in einem Winkel von bis zu 45° erfolgen. Hinzu kommen die im Vision-System integrierten Fähigkeiten der Bildverarbeitungs-Algorithmen der patentierten Vision-Software PatMax von Cognex. Diese gewährleistet die hochgenaue Identifikation und Positionsbestimmung von Konturen bis in den Subpixelbereich. Die geometrieorientierte Arbeitsweise von PatMax ist auch ein wichtiger Aspekt in der einfachen Programmierung von sehr anspruchsvollen Bildverarbeitungsaufgaben und minimiert die manuellen Eingriffe des Bedienpersonals. Aus der Analyse der geometrischen Informationen sowohl der Merkmale als auch deren räumlicher Relation wird die Position des Objektes eindeutig und mit höchster Genauigkeit bestimmt. Merkmale wie beispielsweise Konturen mit geringem Kontrast werden dadurch wesentlich zuverlässiger, genauer und schneller erkannt. Damit bietet diese Vision-Software höchste Präzision und Reproduzierbarkeit, wenn es darum geht, Teile und Merkmale exakt zu lokalisieren. Ausgestattet mit der bewährten Bildverarbeitungsbibliothek von Cognex garantieren diese leistungsstarken Visionwerkzeuge schnelle und einfach zu bedienende Konfigurationsprozesse, ganz ohne PC.

Ralf Baumann Freier Fachjournalist in Karlsruhe

Weitere Informationen: www.cognex.com