Fortschritte in der Medizintechnik

Bearbeitung von Implantaten mit modernster Werkzeugtechnik von Sandvik Coromant

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So breit, wie heute das Spektrum moderner Medizintechnik ist, so vielfältig sind auch die Möglichkeiten der Bearbeitung. Während mikroskopisch kleine Komponenten mit dem Laser bearbeitet werden, werden größere Teile wie Hüftgelenke weiterhin klassisch zerspant. Manche Teile wie beispielsweise Implantate werden ständig kleiner; andere, zum Beispiel im Bereich der orthopädischen Prothetik, sind ähnlich geblieben, erfordern aber produktionsbedingt einen größeren Materialabtrag als vorher. Darüber hinaus kommen neue Materialien zum Einsatz, die spezielle Anforderungen an die Bearbeitung stellen – eine Herausforderung in einem Gebiet, in dem es auf allerhöchste Präzision ankommt. Deshalb ist es von Vorteil, wenn Material und Zerspanungswerkzeuge aus einer Hand kommen – wie es zum Beispiel beim schwedischen Unternehmen Sandvik der Fall ist.

Der Geschäftsbereich Sandvik SMT bietet mit der Produktlinie Bioline anspruchsvolle Materialien für die Medizintechnik an und hat sich auf die Herstellung von Rohmaterial für diesen Bereich spezialisiert. Darüber hinaus kann Material für bestimmte Produkte auch als Halbzeug nach Kunden-Anforderung produziert werden. Gleichzeitig stellt der Geschäftsbereich Sandvik Coromant Präzisionswerkzeuge für die Metallzerspanung her, die auch im medizintechnischen Bereich eingesetzt werden. Um die Bearbeitung zu optimieren, arbeiten die Spezialisten aus beiden Segmenten schon bei der Entwicklung eng miteinander zusammen. Daher ist der Geschäftsbereich Coromant schon frühzeitig in der Lage, Zerspanungswerkzeuge zu entwickeln, die mit den neuesten Werkstofftechnologien Hand in Hand gehen.

Bild 1:Schruppbearbeitung einer Hüftgelenkpfanne mit runden Wendeplatten

Anspruchsvolle Materialien erfordern passende Werkzeuge

Viele Teile im Bereich Medizintechnik werden in mittleren bis großen Losgrößen gefertigt, wobei Präzision und damit auch Qualitätssicherung eine entscheidende Rolle spielen. Das konstante Einhalten engster Toleranzen während langer Standzeiten, kurze Taktzeiten, reduzierter Überwachungsbedarf sowie minimierte Werkzeugaufspannung erfordern modernste Technologien, die auch im Mikrobereich absolut zuverlässig funktionieren. Dadurch ist der Forschungs- und Entwicklungsaufwand vergleichsweise hoch – Weiterentwicklungen kommen jedoch oft anderen Bereichen zugute. Das ist zum Beispiel der Fall bei neuen Bearbeitungsabläufen in der Hüftgelenksprothetik.
Diese Implantate bestehen aus anspruchsvollen Werkstoffen wie Legierungen aus Kobalt-Chrom oder Titan. Es sind Materialien, die extremen Bedingungen standhalten müssen und sehr schwer zerspanbar sind. Bei der Bearbeitung von Hüftgelenken kommt noch hinzu, dass das Drehen der Prothesenpfanne und des Hüftkopfes sehr komplex ist und das Werkstück selbst sowie die Aufspannung sehr instabil sind.
Die Kobalt-Chrom-Legierung für die Hüftgelenke beispielsweise ist hoch verschleißfest und korrosionsbeständig. Sie lässt sich leicht in komplexe Formen gießen und ist als Guss, Schmiedestück oder in Stangenform zu verwenden. Die Guss- und Schmiedestücke erfordern einen geringen Materialabtrag, verfügen jedoch über eine zähe, unregelmäßige Gusshaut, das Stangenmaterial wiederum erfordert einen höheren Zerspanungsaufwand. Da diese Legierungen relativ hart und mechanisch sehr stabil sind, müssen Werkzeug und Bearbeitungsmethode optimal an die vorhandenen Bedingungen angepasst werden, wenn man zu kurze Standzeiten vermeiden will. Wenn z. B. die Schneidkante nicht richtig positioniert ist, kommt es schnell zu Kerbverschleiß. Die Hartpartikel dieser Legierungen neigen darüber hinaus zur Bildung von starkem Abrasiv- und Kolkverschleiß an der Schneidplatte.

Titanlegierungen wiederum lassen sich im Grunde genommen unproblematisch zerspanen, sie sind aber etwas anspruchsvoller als übliche Werkstückstoffe. Wichtig ist hier die richtige Schneidengeometrie, die einen einwandfreien Schnitt und günstige Spanbildung gewährleistet. Titan reagiert zudem bei hohen Temperaturen chemisch sehr stark mit dem Schneidstoff der Wendeplatte, was zu einem schnellen Verschleiß führen kann. Darüber hinaus hat Titan eine ungünstige Wärmeleitfähigkeit, so dass die Wärme während der Bearbeitung sehr stark über das Werkzeug abgeführt wird – auch das kann bei Bearbeitung mit einem nicht optimal abgestimmten Werkzeug zu einer schnellen Verschleißentwicklung führen. Kolkverschleiß, der durch chemische Reaktion und hohe Temperaturen auf der Spanfläche schnell entsteht, ist hier sehr typisch. In diesem Fall ist der richtige Schneidstoff genauso wichtig wie die korrekte Mittenhöhe der Schneidkante.

Bearbeitung mit runden Wendeschneidplatten

Sandvik Coromant bietet die für diese anspruchsvollen Bearbeitungen effektive Werkzeuge mit runden Wendeschneidplatten, denn die Bearbeitung der Hüftgelenke wird vom Innen- und Außendrehen runder Formen dominiert. Einige Prothesenpfannen haben kleine Durchmesser und darüber hinaus eine Werkzeugspannung mit variierender Stabilität, wodurch unterschiedliche Wendeplattenformen und -geometrien zum Schruppen, Vorschlichten und Schlichten eingesetzt werden müssen. Bei begrenztem Radius der Gelenkpfanne kann der Einsatz der runden Wendeplatte auf das Schruppen begrenzt sein; für weitere Bearbeitungen kann dann eine Wendeplatte in D-Form mit dem richtigen Eckenradius eingesetzt werden.

Für die Bearbeitung von Kobalt-Chrom- und Titan-Implantaten sind runde Wendeschneidplatten am besten geeignet, denn sie optimieren den Schruppvorgang beim Innendrehen der Prothesenpfanne und des Hüftkopfes. Die runde Wendeplattenform zeichnet sich durch eine scharfe Schneide, einen hervorragenden Widerstand gegen übermäßigen Kerbverschleiß, hohe Standzeiten und ausgezeichnete Prozesssicherheit aus – und bietet so entscheidende Vorteile in der Bearbeitung. Wird eine runde Wendeschneidplatte mit einer geringen Schnitttiefe verwendet, dann reduziert sich die Spandicke im Verhältnis zum Vorschub. So entstehen niedrigere Temperaturen, wodurch es möglich wird, mit optimiertem Vorschub und hoher Schnittgeschwindigkeit maximale Effizienz zu erreichen. So wird nicht nur die Produktivität erhöht, sondern auch die Werkzeugkosten werden reduziert.
Bild 2: Hüftgelenkpfanne (links bearbeitet, rechts unbearbeitet) mit Werkzeugen zum Schruppen und Schlichten

Von der Luftfahrt zur Medizintechnik

Eine ebenfalls wichtige Rolle spielt bei diesen Anwendungen die Schneidengeometrie. Bei geringerem Vorschub, in Verbindung mit einer kleineren Kontaktfläche, muss die Geometrie positiv sein, um die Wärmeerzeugung zu minimieren. Die positive Geometrie sollte im Verhältnis zur Spandicke und Schnitttiefe eingesetzt werden. Geeignete Schneidstoffe sind für derartige Bearbeitungen sehr entscheidend – hier hat die Entwicklung von Sorten für die Bearbeitung von Werkstoffen für die Luft- und Raumfahrt den Weg für Anwendungen in Kobalt-Chrom und Titan geebnet. Je nach Bearbeitungsanforderungen werden sowohl beschichtete als auch unbeschichtete Hartmetallsorten eingesetzt.

Eine der neueren Entwicklungen ist die Wendeschneidplatte GC1105, eine hoch effektive PVD-beschichtete Sorte mit einer TiAIN-Schicht, die über eine optimale Haftung zum Substrat verfügt und scharfe positive Schneidkanten zur Bearbeitung anspruchsvoller Legierungen bietet. Sowohl für Kobalt-Chrom- als auch Titanlegierungen sind die richtigen Schnittdaten eine wesentliche Voraussetzung für eine erfolgreiche Anwendung. Moderate, an die Temperaturen angepasste Schnittgeschwindigkeiten und der richtige Vorschub zur Begrenzung der Schnittkräfte üben einen positiven Einfluss auf den Verschleiß und somit auf die Standzeit aus. Darüber hinaus gilt auch für anspruchsvolle Werkstoffe in der Medizintechnik das, was für die normale Zerspanung gilt: Nur mit den richtigen Werkzeugen, richtig angewendet, können optimale Ergebnisse erzielt werden. izienz zu erreichen. So wird nicht nur die Produktivität erhöht, sondern auch die Werkzeugkosten werden reduziert. Bild 3: Das GC1105-Wendeschneidplatten-Sortiment

Für größere Durchmesser ab 6 mm können wiederum CoroTurn 107 oder CoroTurn 111 verstärkt eingesetzt werden, da die Einschränkungen bezüglich Raum und Schneidengeometrie kleiner sind. Weiterentwicklungen wie die Wiper-Technologie sowie die Vielseitigkeit der VCEX-Wendeplatte führen zu weiteren Verbesserungen in der Bearbeitung. Die Wiperplatten erlauben den doppelten Vorschub bei gleich guter Oberflächengüte, die VCEX-Wendeplatte verfügt über Schneidkanten zum Drehen sowie Rückwärtsdrehen und bietet kurze Bearbeitungszeiten mit nur einem Werkzeug.
Mit Hilfe moderner Werkzeugtechnologie können so auch die komplexen Anforderungen, die die Kleinteilfertigung stellt, erfüllt werden. Das Ergebnis spricht für sich: Erfolgreiche Zerspanung von anspruchsvollen Materialien, Minimierung von Takt- und Aufspannzeiten und des Lagerbestands, gute Spankontrolle und Sicherheit für die mannlose Bearbeitung sowie eine hohe Qualität während eines kontrollierten Standzeitverlaufs sorgen dafür, dass auch bei der Kleinteilfertigung Quantensprünge in der Produktivität möglich sind.

Anmerkungen:
Unternehmen
Sandvik Coromant ist Weltmarktführer für Präzisionswerkzeuge im Bereich der Metallzerspanung. Das Unternehmen hat 73 Tochtergesellschaften in 60 Ländern, 39 Produktionsstätten sowie weltweit rund 7.800 Mitarbeiter. Ausschlaggebend für den globalen Erfolg ist die Positionierung als umfassender Service-Dienstleister und Produktivitätspartner der Kunden: Von der Beratung und Fertigungsplanung über die eigentlichen Werkzeuge bis hin zum Recycling der verbrauchten Schneidplatten bietet das Unternehmen alles an, was der Kunde für eine produktive Nutzung seiner Maschinen benötigt. Sandvik Coromant führt rund 25 000 Produkte im Sortiment. Kern des Angebotes sind Werkzeuge zum Drehen, Fräsen und Bohren. Darüber hinaus gibt es Aufbohrwerkzeuge, modulare Werkzeugsysteme, maßgeschneiderte „Tailor Made“-Werkzeuge und Vollhartmetallwerkzeuge, Sonderwerkzeuge sowie spezielle Entwicklungen für die Luft- und Raumfahrtindustrie, den Formen- und Gesenkbau und die Kleinteilfertigung. Das Angebot wird jährlich um etwa 3.000 neue Werkzeuge erweitert.
Kontakt
www.sandvik.com