DE102012212718B3 - Vorrichtung und Verfahren zum Auftrennen eines in Längsrichtung ausgedehnten zylindrischen Werkstückes - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zum Auftrennen eines in Längsrichtung ausgedehnten zylindrischen Werkstückes Download PDF

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Abstract

In einer Vorrichtung zum Auftrennen eines in Längsrichtung ausgedehnten zylindrischen Werkstückes (36) mit einem Durchmesser im Submillimeterbereich in einzelne Abschnitte (74), ist das Werkstück in einer Klemmvorrichtung (4) geführt, die zumindest eine ersten und eine zweiten Klemmbacke (6, 7) sowie eine zwischen den Klemmbacken (7) auf der der anderen Klemmbacke (6) zugewandten Seite eingebrachten Einführöffnung (10) für das Werkstück (36) und eine eine Vorschubrichtung des Werkstückes (36) festlegende Längsnut (32) zum Aufnehmen und Führen des Werkstückes (36) zwischen den Klemmbacken (6, 7) umfasst. Die Klemmvorrichtung (4) weist einen eine Arbeitszone (46) festlegenden, die Längsnut (32) unterbrechenden quer zu dieser verlaufenden Durchlass (68) für einen Laserstrahl (L) und ein Schneidgas (SG) auf, wobei in der Arbeitszone (46) ein Schneidkopf (2) mit einer mit dem Durchlass (68) fluchtenden Austrittsöffnung (48) für den Laserstrahl (L) und das Schneidgas (SG) angeordnet ist. Durch diese Maßnahme kann das Werkstück (36) präzise in einzelne Abschnitte (74) aufgetrennt werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Auftrennen eines in Längsrichtung ausgedehnten zylindrischen Werkstückes mit einem Durchmesser im Submillimeterbereich in einzelne Abschnitte.
  • Insbesondere bei der Herstellung von in der Medizin verwendeten Gefäßstützen bzw. Stents werden präzis und reproduzierbar hergestellte Strukturelemente in Form von dünnen Röhrchen mit einem Durchmesser im Submillimeterbereich zwischen beispielsweises 100 und 300 μm und einer Länge im Millimeterbereich benötigt, deren Fertigung mit erheblichen technischen Problemen verbunden ist. Als Ausgangsmaterial für solche Strukturelemente dient als Halbzeug ein dünnes zylindrisches Werkstück, in der Regel ein auf eine Vorratsrolle aufgewickeltes hohlzylindrisches Rohr, aus dem die einzelnen Strukturelemente nach einer vorherigen zusätzlichen Bearbeitung, abgetrennt werden müssen. Ein besonderes Fertigungsproblem stellt dabei insbesondere der Trennvorgang dar, bei dem vom gegebenenfalls vorbearbeiteten Werkstück die die einzelnen Strukturelemente bildenden Abschnitte abgetrennt werden.
  • Eine Vorrichtung zum Auftrennen eines für die Herstellung eines Stents verwendeten hohlzylindrischen Werkstückes in einzelne Abschnitte mit einem Laserstrahl ist beispielsweise aus der DE 10 2007 018 537 A1 bekannt, bei der das Werkstück mit einer Klemmkraft in einem Führungskörper geführt wird und bei dem ein über diesen Führungskörper vorstehendes freies Ende des Werkstückes mit dem Laserstrahl abgetrennt wird. Vorrichtungen zum Herstellen von Stents, bei denen ein hohlzylindrisches Halbzeug zum Bearbeiten mit einem Laserstrahl in Klemmvorrichtungen gelagert ist, sind außerdem in der DE 10 2008 011 232 A1 und der US 2003/0234242 A1 offenbart.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung anzugeben, mit der es möglich ist, derartige Strukturelemente wirtschaftlich in einer großen Anzahl herzustellen. Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein zur Herstellung solcher Strukturelemente geeignetes Verfahren anzugeben.
  • Hinsichtlich der Vorrichtung wird die genannte Aufgabe gemäß der Erfindung gelöst mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Gemäß diesen Merkmalen umfasst die Vorrichtung zum Auftrennen eines in Längsrichtung ausgedehnten zylindrischen Werkstückes mit einem Durchmesser im Submillimeterbereich in einzelne Abschnitte folgende Merkmale:
    • a) Eine Klemmvorrichtung mit zumindest einer ersten und einer zweiten Klemmbacke, sowie mit zumindest in einer der Klemmbacken auf der der anderen Klemmbacke zugewandten Seite eingebrachten Einführöffnung für das Werkstück und einer eine Vorschubrichtung des Werkstückes festlegende Längsnut zum Aufnehmen und Führen des Werkstückes zwischen den Klemmbacken,
    • b) die Klemmvorrichtung weist einen eine Arbeitszone festlegenden, die Längsnut unterbrechenden, quer zu dieser verlaufenden Durchlass für einen Laserstrahl und ein Schneidgas auf,
    • c) in der Arbeitszone ist ein Schneidkopf mit einer mit dem Durchlass fluchtenden Austrittsöffnung für einen Laserstrahl und ein Schneidgas angeordnet.
  • Durch die Bearbeitung des Werkstückes in einer Arbeitszone, die während der Bearbeitung des Werkstückes mit dem Laserstrahl und während der Beaufschlagung mit dem Schneidgas eine Lagerung des Werkstückes auf beiden Seiten des Durchlasses ermöglicht, ist sowohl eine präzise Bearbeitung des Werkstückes, beispielsweise die Einbringung von Längsschlitzen, als auch ein präzises Abtrennen von kleinen Abschnitten möglich.
  • Wenn außerdem der Durchlass zugleich als erste Auslassöffnung für die vom Werkstück mit dem Laserstrahl abgetrennten Abschnitte vorgesehen ist und mit einem flexiblen Schlauch an einen ersten Auffangbehälter anschließbar ist, ist eine sichere und kontrollierte Handhabung der abgetrennten kurzen Abschnitte gewährleistet.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung sind in den auf Patentanspruch 1 bezogenen Unteransprüchen angegeben.
  • Hinsichtlich des Verfahrens wird die genannte Aufgabe gemäß der Erfindung gelöst mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches l0. Das Verfahren zum Auftrennen eines in Längsrichtung ausgedehnten zylindrischen Werkstückes in einzelne Abschnitte umfasst die folgenden Schritte:
    • a) Einführen des Werkstückes in die Einführöffnung der Klemmvorrichtung,
    • b) Vorschub des Werkstückes bis dieses den Durchlass überbrückt,
    • c) Durchführen eines Trennschnittes mit einem Laserstrahl innerhalb des Durchlasses,
    • d) Austreiben des abgetrennten Abschnittes durch eine mit dem Durchlass fluchtende die Auslassöffnung und Weitertransport des Abschnittes mit dem Schneidgas durch einen flexiblen Schlauch in einen ersten Auffangbehälter.
  • Da das Werkstück auf beiden Seiten des Durchlasses gelagert ist, sind eine präzise Bearbeitung sowie ein präzises Abtrennen möglich. Ein gezieltes Austreiben des abgetrennten Abschnittes durch die Auslassöffnung und dessen Weitertransport mit dem Schneidgas zu einem Auffangbehälter ist auch dann möglich, wenn die Länge des dabei entstehenden Abschnittes die lichte Weite des Durchlasses überschreitet, da der Abschnitt durch den vom Schneidgas ausgeübten Druck in den Durchlass abkippt.
  • Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf das in den Figuren dargestellte Ausführungsbeispiel verwiesen. Es zeigen:
  • 1 eine Vorrichtung gemäß der Erfindung in einer schematischen Prinzipdarstellung,
  • 2 als Klemmkörper dienende Komponenten der in der Vorrichtung verwendeten Klemmvorrichtung in einer perspektivischen Teildarstellung,
  • 3 die in 2 dargestellten Klemmkörper in einem Längsschnitt,
  • 4 eine vergrößerte Darstellung der Klemmkörper im Bereich eines in der Klemmvorrichtung befindlichen Durchlasses.
  • Gemäß 1 umfasst die Vorrichtung einen Schneidkopf 2, in dem ein von einer nicht dargestellten Laserstrahlquelle erzeugter Laserstrahl zum Schneiden eines in einer Klemmvorrichtung 4 gelagerten Werkstückes fokussiert wird. Dem Schneidkopf 2 wird zusätzlich Schneidgas SG zugeführt, mit dem das in der 1 nicht dargestellte Werkstück während des Schneidens beaufschlagt wird. Die Klemmvorrichtung 4 umfasst eine erste und eine zweite Klemmbacke 6 bzw. 7, zwischen denen ein dünnes zylindrisches Werkstück mit einem Außendurchmesser im Submillimeterbereich, insbesondere ein aus Kunststoff oder einem Edelmetall bestehendes kreisrundes Rohr mit einem Außendurchmesser zwischen 100 μm und 1000 μm aufgenommen und geführt wird. In die erste Klemmbacke 6 ist ein erster Klemmkörper 8 und in die zweite Klemmbacke 7 ist ein zweiter Klemmkörper 9 eingesetzt, die das Werkstück während der Bearbeitung in einer Weise fixieren oder klemmen, dass dieses noch während der Bearbeitung axial verschoben und gedreht werden kann.
  • In der 1 ist die Vorrichtung in einer Draufsicht auf die Seite der Klemmvorrichtung 4 dargestellt, an der das Werkstück durch eine Einführöffnung 10 zwischen die Klemmbacken 6, 7 eingeführt wird.
  • Die Klemmvorrichtung 4 ist in einem Gestell 12 gelagert, wobei im dargestellten Ausführungsbeispiel die erste Klemmbacke 6 starr und die zweite Klemmbacke 7 verschiebbar in Richtung der Doppelpfeile 14 im Gestell 12 gelagert ist, so dass die zweite Klemmbacke 7 zur ersten Klemmbacke 6 zugestellt werden kann. Zwischen den Klemmbacken 6, 7 ist eine vorgespannte Feder 16, im Beispiel eine Zugfeder angeordnet, deren Vorspannung und dementsprechend die zwischen den Klemmkörpern 8, 9 wirkende Klemmkraft F1 einstellbar ist. Im dargestellten Beispiel hängt die Feder 16 mit einem ihrer Enden an einem Flansch 18 eines Dorns 20. In der zweiten Klemmbacke 7 befindet sich eine Öffnung, durch die ein mit dem anderen Ende der Feder 16 kraftschlüssig verbundenes starres Distanzelement hindurchgeführt ist. Unterhalb dieser Öffnung ist eine mit einem Gewinde und zwei einander gegenüberliegenden Längsschlitzen 24 versehene Hülse 26 angeordnet, auf der eine Rändelmutter 28 aufgeschraubt ist, an deren Unterseite ein am Distanzelement angeordneter und durch die Längsschlitze 24 hindurch ragender Haltestift 29 angreift, so dass mit Hilfe der Rändelmutter 28 eine Grobeinstellung der Vorspannung möglich ist. Zur Feinjustierung der Vorspannung ist der Flansch 18 mit einem Mikrometerantrieb 30 verbunden und kann mit diesem axial verstellt werden, so dass eine Feineinstellung der Klemmkraft F1 möglich ist.
  • Parallel zur Feder 16 ist zwischen den Klemmbacken 6, 7 ein pneumatisch mit Druckgas DG betätigbarer Hubzylinder 31 angeordnet, mit dem es möglich ist, eine gegen die Klemmkraft F1 wirkende Gegenkraft F2 auszuüben, um ein Einführen des drahtartigen Werkstücks in die Einführöffnung 10 zu erleichtern.
  • 2 zeigt die in den ersten und zweiten Klemmbacken 6, 7 (1) jeweils eingebrachten Klemmkörper 8, 9 in einer perspektivischen Darstellung. Der 2 ist zu entnehmen, dass der erste Klemmkörper 8 durch eine Leiste gebildet ist, die an einer sich in eine Längsrichtung erstreckenden Schmalseite eine im Querschnitt konisch geformte Schneide aufweist, mit der sie in einen im zweiten Klemmkörper 9 befindliche, im Querschnitt ebenfalls V-förmig geformte Längsnut 32 eingeführt werden kann, die sich über die gesamte Länge des zweiten Klemmkörpers 9 erstreckt. Die Schneide ist an ihrem Ende abgeflacht und weist eine Breite auf, die in etwa dem Durchmesser des Werkstücks 36 entspricht.
  • An ihrem der Einführöffnung 10 zugewandten Ende ist die Leiste mit einer Einführschräge 34 versehen, die ebenfalls zum Erleichtern des Einführens des dünnen zylindrischen Werkstückes 36 in die Längsnut 32 dient.
  • Das Werkstück 36 wird den ersten und zweiten Klemmkörpern 8, 9 über einen Linear- und Drehantrieb 40 zugeführt, mit dem es entlang seiner Längsachse in Richtung des Doppelpfeils 42 hin- und herbewegt bzw. um seine Längsachse in Richtung des Doppelpfeils 44 gedreht werden kann.
  • Erster und zweiter Klemmkörper 8, 9 legen eine trichterförmige Arbeitszone 46 fest, innerhalb der das Werkstück 36 mit einem ruhenden Laserstrahl L bei gleichzeitiger Zufuhr des Schneidgases SG in einzelne Abschnitte aufgetrennt werden kann. Zusätzlich können außerdem noch mehrere am Umfang verteilte Schnitte oder Längsschlitze in das Werkstück 36 eingebracht werden, bevor dieses in einzelne Abschnitte aufgetrennt wird. Bei der Bearbeitung mit dem Laserstrahl L wird das Werkstück 36 beim Trennen um seine Längsachse gedreht. Alternativ hierzu ist es auch möglich, den Trennschnitt durch eine Bewegung des Laserstrahls L quer zur Längsachse des Werkstückes 36 durchzuführen. Gegebenenfalls erforderliche Längsschlitze werden vor dem Trennen durch axiales Verschieben des Werkstückes 36 eingebracht.
  • Erste und zweite Klemmbacke 6, 7 bzw. die in diese eingesetzten ersten bzw. zweiten Klemmkörper 8, 9 sind derart gestaltet, dass sie auf das Werkstück 36 in dessen Vorschubrichtung gesehen nur bis zu einem in der Arbeitszone 46 gebildeten Durchlass 68 (3) für den Laserstrahl 2 und das Schneidgas SG eine Klemmkraft ausüben.
  • Am zweiten Klemmkörper 9 befinden sich außerdem im Bereich der Arbeitszone 46 eine erste und zweite Auslassöffnung 48 bzw. 50 für die abgetrennten Abschnitte, die jeweils über einen flexiblen Schlauch 52 mit einem ersten bzw. zweiten Auffangbehälter 54, 56 verbunden sind. Auf diese Weise werden die abgetrennten Abschnitte kontrolliert aus der Arbeitszone 46 abgeführt. Die Schläuche 52 bestehen vorzugsweise aus einem metallischen, eng gewickelten Metalldraht, um insbesondere beim Transport von aus Kunststoff bestehenden Abschnitten eine elektrostatische Aufladung und ein Anhaften der Abschnitte an der Innenwand des Schlauches 52 zu verhindern.
  • Am zweiten Klemmkörper 9 ist gegenüber der Leiste ein Gegenlager 60 angeordnet, das eine sich konisch verjüngende, trichterförmige, eine Halbkegel bildende Ausnehmung 62 aufweist, um den ebenfalls konisch geformten Schneidkopf 2 mit einem nur wenige Zehntel Millimeter betragenden Abstand zwischen Austrittsöffnung und Werkstück 36 über dem Werkstück 36 positionieren zu können. Aus diesem Grund ist auch die der Arbeitszone zugewandte Stirnseite 64 des ersten Klemmkörpers 8 schräg geformt.
  • Der 3 ist nun zu entnehmen, dass die schräge Stirnseite 64 und die im Gegenlager 60 befindliche trichterförmige Ausnehmung 62 mit einer im zweiten Klemmkörper 9 befindlichen Stufenbohrung 66 fluchten, die in der Klemmvorrichtung 4 den Durchlass 68 für den Laserstrahl und das Schneidgas bilden. Das Gegenlager 60 befindet sich dementsprechend neben dem Durchlass 68 an diesen angrenzend auf seiner der Einführöffnung 10 abgewandten Seite und überdeckt die im Klemmkörper 9 befindliche Längsnut 32. Der Durchlass 68 verläuft dementsprechend quer zur Längsnut 32, unterbricht diese und fluchtet mit der Austrittsöffnung 48.
  • Dieser in der Arbeitszone 46 befindliche Durchlass 68 ist in 4 vergrößert dargestellt. In 4 ist außerdem ein in die trichterförmige Arbeitszone 46 eingeführter Schneidkopf 2 gestrichelt eingezeichnet, dessen Austrittsöffnung 69, durch die der Laserstrahl L und das Schneidgas SG austreten, mit dem Durchlass 68 fluchtet, wobei die Mittelachse 70 des Schneidkopfes 2 und die Mittelachse 72 des Durchlasses 68 zusammenfallen.
  • 4 zeigt eine Situation, in der das Werkstück 36 so weit vorgeschoben ist, dass es mit seinem freien Ende in die unterhalb des Gegenlagers 60 befindliche Längsnut 32 hineinragt und den Durchlass 68 überbrückt. Der Durchmesser D des Werkstücks 36 ist kleiner als die Tiefe T der Längsnut 32 so dass zwischen dem auf dem zweiten Klemmkörper 9 angeordnetem Gegenlager 60 und dem Werkstück 36 ein schmaler Spalt s vorliegt.
  • Da das Werkstück 36 während des Auftrennens oder Bearbeitens den Durchlass 68 überbrückt und nicht nur aufgrund der zwischen dem ersten und zweiten Klemmkörper 8, 9 wirkenden Klemmkraft fixiert ist, sondern außerdem am freien Ende vom zweiten Klemmkörper 9 gestützt wird, ist die Verformung bzw. Durchbiegung des Werkstücks 36 während der Bearbeitung mit dem Laserstrahlbegrenzt, so dass sowohl der Trennschnitt als auch die Längsschnitte mit hoher Präzision durchgeführt werden können.
  • Der abgetrennte Abschnitt 74 wird durch das in den Durchlass 68 einströmende Schneidgas SG automatisch nach unten zur ersten Auslassöffnung 48 (2 und 3) ausgetrieben und über den Schlauch 52 dem ersten Auffangbehälter 54 (2) zugeführt. Das neben der Arbeitszone 46 bzw. neben dem Durchlass 68 angeordnete Gegenlager 60 dient zum sicheren Transport längerer Abschnitte, die nicht durch den Durchlass 68 ausgetrieben werden können, zur zweiten Austrittsöffnung 50, um diese dem zweiten Auffangbehälter 56 zuzuführen. Durch das Gegenlager 60 wird verhindert, dass diese längeren Abschnitte unter der Wirkung des Schneidgases SG unkontrolliert weggeblasen werden. Werden nur kurze Abschnitte 74 erzeugt, kann das Gegenlager 60 grundsätzlich auch weggelassen werden.
  • Im Ausführungsbeispiel wurden aus Platin Pt bestehende rohrförmige Abschnitte 70 mit einem Außendurchmesser von 163 μm und einer Länge von etwa 1000 μm erzeugt, die am Umfang mit einem Längsschlitz versehen sind, der sich über die gesamte Länge des Abschnittes 70 erstreckt.

Claims (10)

  1. Vorrichtung zum Auftrennen eines in Längsrichtung ausgedehnten zylindrischen Werkstückes (36) mit einem Durchmesser im Submillimeterbereich in einzelne Abschnitte (74), umfassend folgende Merkmale: a) eine Klemmvorrichtung (4) mit zumindest einer ersten und einer zweiten Klemmbacke (6, 7), sowie mit zumindest in einer der Klemmbacken (7) auf der der anderen Klemmbacke (6) zugewandten Seite eingebrachten Einführöffnung (10) für das Werkstück (36) und einer eine Vorschubrichtung des Werkstückes (36) festlegende Längsnut (32) zum Aufnehmen und Führen des Werkstückes (36) zwischen den Klemmbacken (6, 7), b) die Klemmvorrichtung (4) weist einen eine Arbeitszone (46) festlegenden, die Längsnut (32) unterbrechenden quer zu dieser verlaufenden Durchlass (68) für einen Laserstrahl (L) und ein Schneidgas (SG) auf, c) in der Arbeitszone (46) ist ein Schneidkopf (2) mit einer mit dem Durchlass (68) fluchtenden Austrittsöffnung für den Laserstrahl (L) und das Schneidgas (SG) angeordnet.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Durchlass (68) mit einer ersten Auslassöffnung (48) für die vom Werkstück (36) mit dem Laserstrahl (L) abgetrennten Abschnitte (74) vorgesehen ist, und mit einem flexiblen Schlauch (52) an einen ersten Auffangbehälter (54) anschließbar ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die erste und zweite Klemmbacke (6, 7) derart ausgestaltet sind, dass sie auf das Werkstück (36) nur bis zum Durchlass (68) eine Klemmkraft (F1) ausüben, und bei der in der Klemmvorrichtung (4) neben dem Durchlass (68) an diesen angrenzend auf seiner der Einführöffnung (10) abgewandten Seite ein die Längsnut (32) überdeckendes Gegenlager (60) angeordnet ist.
  4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Klemmvorrichtung (4) gegenüber der Einführöffnung (10) eine zweite Auslassöffnung (50) für Abschnitte aufweist, die nicht über die erste Auslassöffnung (48) abgeführt werden können, wobei die zweite Auslassöffnung (50) mit einem weiteren flexiblen Schlauch (52) an einen zweiten Auffangbehälter (56) anschließbar ist.
  5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der sich die Längsnut (32) in der zweiten Klemmbacke (7) befindet und bei der die gegenüberliegende erste Klemmbacke (6) als Klemmkörper (8) eine in die Längsnut (32) einführbare Leiste umfasst.
  6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der erste und/oder zweite Klemmbacke (7) senkrecht zur Längsnut (32) verschiebbar in einem Gestell (12) gelagert sind.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der zwischen den Klemmbacken (6, 7) eine einstellbar vorgespannte Feder (16) zum Ausüben einer Klemmkraft (F1) angeordnet ist.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der zwischen den Klemmbacken (6, 7) ein pneumatisch betätigbarer Hubzylinder (31) eine entgegen der Klemmkraft (F1) wirkende Gegenkraft (F2) ausübt.
  9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem der Klemmvorrichtung (4) vorgelagerten Dreh- und Linearantrieb (40) zum Drehen und Vorschieben des Werkstückes (36).
  10. Verfahren zum Auftrennen eines in Längsrichtung ausgedehnten zylindrischen Werkstückes (36) in einzelne Abschnitte (74) mit einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend folgende Schritte: a) Einführen des Werkstückes (36) in die Einführöffnung (10) der Klemmvorrichtung (4), b) Vorschub des Werkstückes (36) bis dieses den Durchlass (68) überbrückt, c) Durchführen eines Trennschnittes mit einem Laserstrahl (L) innerhalb des Durchlasses (68), d) Austreiben des abgetrennten Abschnittes (74) durch eine mit dem Durchlass (68) fluchtende Auslassöffnung (48) und Weitertransport des Abschnittes (74) mit dem Schneidgas (SG) durch einen flexiblen Schlauch (52) in einen ersten Auffangbehälter (54).
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