Die Laseranlage schneidet Implantate für Herz-OPs aus einer Formgedächtnis-Legierung. Dabei stellt das Vision-System eine Genauigkeit von ±3 µm sicher.

Die neue Produktions-Anlage des Pforzheimer Medizintechnik- Spezialisten Admedes Schuessler produziert hochpräzise kleinste Objekte. Mit Hilfe des Laserschneidens entstehen aus winzigen, dünnwandigen Röhrchen Werkstücke komplexer Form, Struktur und Geometrie. Deren Basismaterial ist Nitinol, eine Formgedächtnislegierung aus Nickel und Titan.

Durch einen sogenannten Memory-Effekt nehmen die Implantate bei Körpertemperatur eine „eingespeicherte" Form an, wohingegen sie während der Operation noch verformbar sind. Die Anlage verfertigt unter anderem Produkte zur Stabilisierung von Blutgefäßen, sogenannten Stents, die - in Herzkranzgefäße eingeführt - dafür sorgen, dass diese nach einer Operation nicht wieder verstopfen. Auch Einfassungen für künstliche Herzklappen entstehen hier.

Die Strahlquelle des Lasers ist im oberen Bereich der Anlage montiert. Ein Spiegel lenkt den Laserstrahl nach unten. Durch die Schneiddüse fein fokussiert, tranchiert der Laserstrahl das rotierende Metallröhrchen zu einer hauchdünnen Struktur. Einem Stent.

Die moderne Implantatmedizin, wie sie das Pforzheimer Unternehmen mit seinen Produkten unterstützt, ist erst durch die gebündelte Lichtenergie der Laser realisierbar. Jedoch wäre die beste Lasertechnik allein nicht in der Lage, die geforderte Präzision und Reproduzierbarkeit zu erreichen. Es fehlt eine Kontrollinstanz. Deshalb wandten sich die Medizintechniker an einen Systemintegrator für Bildverarbeitung und zwar die Firma Visolution aus Kandel, um ihr Laser- Know-how mit aktueller Vision-Technologie zu vereinen.

Gemeinsam entwickelten sie eine Lösung auf Basis des Vision-Systems In-Sight Micro von Cognex. Es misst gerade mal 30 mm × 30 mm × 60 mm - und integriert doch die Software PatMax mitsamt seiner komplexen Bildverarbeitungs- Algorithmik.

Das Vision-System

Die Implantate retten Leben. Ins rechte Licht gerückt wirken sie wie Kunstwerke.

Der verbaute Bildsensor bietet eine Auflösung von 1600 × 1200 Pixel, also fast 2 Megapixel. Die Fähigkeiten der integrierten Bildverarbeitungs-Algorithmen erhöhen allerdings die Genauigkeit über eine kantenbasierte Identifikation von Konturen in den Subpixelbereich. Sprich: Lage und Größe eines Objekts im Bild ermittelt die Software, indem sie den Kantenverlauf des Objekts einer mathematischen Funktion annähert. Eine weitere Berechnung bestimmt den  Wendepunkt dieser Funktion, durch den die Kante verläuft. Die erreichbare Genauigkeit liegt bei diesem Verfahren beim 10- bis 50-fachem der Sensorauflösung.

Konturen mit geringem Kontrast lassen sich so zuverlässiger, genauer und schneller erkennen, als mit rein pixelorientierten Verfahren. Aus der Analyse von geometrischen Informationen - sowohl der Merkmale als auch deren räumliche Relation - bestimmt das Vision-System die Position des Prüf-Objektes mit einer hohen Genauigkeit. Diese Präzision steht immer im direkten Zusammenhang mit der Größe des zu prüfenden Bauteiles.

Inline-Prüfung beim Schneiden

Wichtig beim Schneiden der Implantate ist eine exakte Positionsbestimmung des Nitinol-Röhrchens. Die umgesetzte Vision-Lösung erfasst während der Laserbearbeitung die Rohrkoordinaten. Laufend justiert die Maschine die Werkstück-Position mittels eines auf einer Linearachse verfahrbaren Spannbackenfutters nach und folgt so einer Sollkurve.

Dabei orientiert sich die Bildverarbeitungssoftware an markanten Rohrkonturen, die in einem vorgelagerten Bearbeitungsschritt geformt wurden. Seitlich auf das Werkstück gerichtet und unterstützt durch eine gegenüberliegende telezentrische Beleuchtung, erkennt das Vision-System diese charakteristische Kontur. Eine stabile Anordnung stellt die präzise Ausrichtung der Lichtquelle sicher: Sie ist gemeinsam mit dem Vision-System an einem massiven Rahmen befestigt. Beide befinden sich im gleichen Abstand von etwa 80 mm zum Nitinol-Werkstück.

In mehreren Testreihen ermittelte der Systemintegrator Visolution ein gemeinsames Optimum von Tiefenschärfe und Auflösung, um die Bauteile im Makro-Bereich zu erfassen. Befindet sich dazu noch das Werkstück in der richtigen Position, schneidet der Laser Konturen mit einer Genauigkeit von ± 3 μm aus dem Nitinol- Röhrchen.

Autor: Ralf Baumnann ist freier Fachjournalist aus Karlsruhe