Kombinált szakértelem az orvosi ipar számára

Funkcionálisan integrált implantátumok újszerű szinkronizált megmunkálási eljárásokkal - ZykloMed

A Szövetségi Oktatási és Kutatási Minisztérium (BMBF) által finanszírozott közös projektben a résztvevő partnerek, az INDEX, a Paul Horn GmbH, a Beutter Präzisions-Komponenten GmbH és a Karlsruhei Technológiai Intézet (KIT) wbk Gyártástechnikai Intézete az orvosi iparban bizonyítják szakértelmüket. A partnerek új és modern gyártási eljárások alkalmazásával megoldották a többfunkciós, valamint a nem kerek bionikus kialakítású implantátumok gazdaságos megmunkálásának kihívásait. A hangsúlyt a három gyártási eljárásra, az excentrikus esztergálásra, a poligon esztergálásra és az esztergapörgetéses marásra helyezték.

A modern orvosi implantátumokat az ortopédia, a traumatológia és a fogtechnika területén a szilárdsággal, a biokompatibilitással és a bionikusan optimalizált geometriával szemben támasztott szigorú követelmények jellemzik. Az implantátum geometriája a csonthoz és a szövetekhez igazodik. Ennek során az implantátumok funkcionális felületei egyre kifinomultabb kialakítást kapnak annak érdekében, hogy megkönnyítsék rögzítésüket a szervezetben és kevésbé invazívvá tegyék a páciens számára. Az implantátumok új kialakítása megnöveli a gyártási költségeket, mivel a felületek már nem kör vagy négyzet alakúak. Több ívelt felületük és funkcionális elemük van, folyamatos átmenetekkel, nagyon kis helyen. Különösen a különböző gépeken végzett több gyártási lépés szükségessége okozza a költségek jelentős emelkedését. Például a pontos kezelés a munkadarab pontos újrafeszítéséhez jelentős költségtényezőt jelent. Ezért a nagyfokú funkcionális integráció ellenére a gazdaságos gyártáshoz hatékony folyamatútvonalra van szükség.

Új eljárások

Az excentrikus esztergálás, a sokszög esztergálás és az esztergapörgetés újszerű gyártási eljárásai mind ugyanazon a kinematikai elven alapulnak, mint a több szinkronizált forgó tengely. Bár ez az elv jól ismert, a nem kör alakú és görbült formákra való alkalmazása nagy kihívást jelent. Ugyanakkor a gyakorlati megvalósításnak meg kell felelnie az orvosi ipar magas minőségi követelményeinek.

A projektpartnerek újszerű gyártási eljárásokat kutattak és fejlesztettek ki a teljes folyamat és ellátási lánc mentén, a gépektől és a vezérléstechnikától a szerszámtervezésen át a prototípusokig és az előszériás gyártásig. A gyártási folyamatokat ismert módszerek alapján, azonos matematikai elvek alapján szimulálták és tervezték meg, hogy meghatározzák a szerszámmal és a géppel szemben támasztott követelményeket. A vizsgálatokat laboratóriumi körülmények között végzett egyenértékűségi vizsgálatokra, valamint laboratóriumi és alkalmazásközeli környezetben végzett előszériás vizsgálatokra osztották. A mérnökök mind a gép-, mind a szerszámtechnológiára összpontosítottak az egyes folyamatok fejlesztése és tervezése során.

Az excentrikus esztergálás során egy forgó, nem kör alakú szerszámot egy forgó munkadarab mentén vezetnek, amelyhez pozicionális csatolás kapcsolódik. A fordulatszámokat bizonyos arányba hozzák egymással. Így az alkatrészen bizonyos határokon belül a körön kívüli alakot reprodukáljuk. Az eljárás nagy termelékenységű excentrikus külső kontúrok gyártását teszi lehetővé. A szerszám forgása csökkenti a vágóél hőterhelését, ami hosszú szerszámélettartamot biztosít. Az eljárás lehetővé teszi a kúpos profilok gyártását is.

A sokszög esztergálás nem kör alakú, hipotrochoid alakú külső és belső kontúrok előállítására szolgáló eljárás. Az eljárás a forgó excentrikus esztergáláshoz hasonlóan nem kör alakú kontúrok esztergapadokon történő előállítására ad lehetőséget. Az eljárás során a munkadarab és a szerszám párhuzamos tengelyei tengelytávolsággal eltolódnak egymástól, és pozíciós csatolással meghatározott fordulatszám-arányba kerülnek. A tengelytávolság, a munkadarab és a szerszám sebességének aránya és a betétek vágási átmérője határozza meg a kontúr méretét. A sokszög esztergáláshoz használt szerszámrendszer egyedileg igazodik a gyártandó munkadarab kontúrjához.

A forgópörgetéses marás rendkívül produktív eljárás a csontcsavarok menetének előállítására. Egy vagy két körkörös marót bizonyos szögben állítanak be a munkadarabhoz. A marók és a munkadarab forgásiránya lehet azonos vagy ellentétes. A munkadarab és a két marógép sebességének aránya a menetszámtól és a maróbetétek számától függ. A forgó örvénymarás most először használható a menetprofil dinamikus változtatásával valóban változó menetmagasságú menetek gazdaságos előállítására is.

A sorozatgyártáshoz közeli tesztek sikeresek

A sorozatgyártás közeli környezetben végzett sikeres tesztekkel a ZykloMed projekt partnerei egy nagy lépéssel közelebb kerültek a kutatási projekt céljához, a többfunkciós és nem kerek bionikus kialakítású implantátumok gazdaságos gyártásához. A mérnökök bebizonyították, hogy a szinkronizált gyártási folyamatok lehetővé teszik a korszerű implantátumok gazdaságos gyártását. Az új alkatrészgeometriák gyártása mellett az eljárások optimalizálási lehetőségeket kínálnak a meglévő implantátumok gazdaságos gyártásához, valamint az orvosi iparon kívüli lehetséges alkalmazásokhoz is.