Optimierungsstrategien für die Titanzerspanung Fertigungsprozesse für Implantate perfektioniert

Autor / Redakteur: Matthias Böhm, Chefredaktor SMM / Matthias Böhm

Dentale Implantatsysteme und Komponenten für die Wirbelsäulenchirurgie aus Titan gehören zu den Spezialitäten der in Hagen produzierenden A.K.TEK Medizintechnik. Vom Maschinenpark her ist es ein Schweizer Unternehmen. Seit kurzem setzt das Unternehmen auf Werkzeuge des Schweizer Spezialisten Utilis, die auf die anspruchsvollen Zerspanungsbedingungen hin perfekt ausgelegt wurden. Höhere Schnittwerte, bessere Prozesssicherheit bis hin zu geringerer Brandgefahr sind die positiven Folgen.

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Blick auf die Hauptspindel der Tornos Multideco und die Anordnung der Utilis-​Drehwerkzeuge mit integrierter Innenkühlung.
Blick auf die Hauptspindel der Tornos Multideco und die Anordnung der Utilis-​Drehwerkzeuge mit integrierter Innenkühlung.
(Bild: Utilis)

Die Schwerpunkte und Kernkompetenzen der A.K.TEK Medizintechnik liegen im Bereich der dentalen Implantologie nebst Werkzeugen für die Insertion der Implantate und in der Wirbelsäulen-Chirurgie (Cages, chirurgische Instrumente, Knochenschrauben). Weiteres Standbein innerhalb der Medizintechnik ist die Fertigung von Bauteilen für die minimalinvasive Chirurgie. Darüber hinaus werden hochpräzise Dreh-​Frästeile (bis max. D = 20 mm bzw. 40 mm) produziert.

A.K.TEK Medizintechnik unterstützt Kunden zudem bei der Optimierung von medizintechnischen Produkten oder setzt Projektanfragen um, indem sie erste Designstudien erstellen, die nicht nur die funktionalen Elemente erfüllen, sondern darüber hinaus perfekt auf die erforderlichen Fertigungsprozesse zugeschnitten sind.

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Herausforderung: Titanzerspanung in Perfektion

Aufgrund des starken Fokus auf medizintechnische Teile ist die spanabhebende Bearbeitung von Titan trotz Alltagsgeschäft eine ständige Herausforderung.

Uwe Böse (Meister i. d. Produktion): «Die Anforderungen seitens unserer Kunden an Oberflächengüte und Präzision sind enorm. Wenn wir beispielsweise Toleranzfelder von 5 µm in Serie bei Titanbauteilen einhalten müssen, dann müssen alle Parameter stimmen.

Der Wärmegang der Maschine muss hervorragend auf den Prozess ausgelegt sein, aber auch die Werkzeuge müssen diese Toleranzen in Serie prozesssicher fertigen können. Und das absolut verlässlich. In Titan ist das alles andere als selbstverständlich. Darüber hinaus müssen auch die Oberflächen in den geforderten Toleranzen gefertigt werden.»

Seitens des Maschinenparks ist das Unternehmen mit Swiss-made-Langdrehautomaten und Drehzentren ausgestattet; es verfügt über insgesamt 14 Tornos- und Willemin-Macodel-Maschinen. Beim Kühlschmierstoff wird auf Öl gesetzt, das sich für diesen Bereich als ideales Prozessmittel herausgestellt hat.

Uwe Böse sagt zum Maschinenpark kurz und knapp: «Die Schweizer Maschinen verfügen über die geforderte Präzision und Langlebigkeit.» Dabei muss man sich bewusst sein, dass sowohl Tornos als auch Willemin-Macodel ihre Werkzeugmaschinen im Herzen des Medizintechnik- und Uhren-Mekkas entwickeln und produzieren.

Beide Maschinenhersteller verfügen über eine jahrzehntelange Erfahrung in der Uhren- und Medizintechnik-Branche mit den entsprechenden Herausforderungen. Ihre Technologien sind nicht zuletzt aus diesem Grund perfekt auf die Uhren- und Medizintechnik-Prozesse ausgelegt.

Bearbeitung von schwer zu bearbeitenden Materialien, wie Titan, Inconel, Chrom-Cobalt, rostfreie Stähle etc., sind tagtäglich die Herausforderungen an die Maschinenhersteller, und das seit Jahren.

Evaluation neuer Werkzeuge

Vor kurzem stellte das Unternehmen auch auf Schweizer Werkzeuge des Herstellers Utilis um. Anfänglich wurden die neu eingesetzten Utilis-​Werkzeuge für Schrupp- und Schlichtoperationen auf Herz und Nieren geprüft. Bereits in den ersten Fertigungsprozessen brachten die Utilis-Werkzeuge hervorragende Schnittdaten. Auch die geforderten Toleranzen und Oberflächengüten konnten eingehalten werden. Schliesslich stimmte die Prozesssicherheit, eines der Ausschlusskriterien im Evaluationsprozess. Nach den sehr guten Erfahrungen gegenüber den bisher eingesetzten Werkzeugen wurde später auch im Bereich Stechen und Hinterdrehen auf Utilis-Werkzeuge gesetzt. Der Fokus lag dabei auf dem Einsatz von innengekühlten Werkzeugen mit auf Titanzerspanung ausgelegten Geometrien und Schliffen.

Ziel: bessere Oberflächenqualität und Prozesssicherheit

Mit den neuen Werkzeugen konnte somit eine weitere Verbesserung der Oberflächenqualität und eine Erhöhung der Standzeit erreicht werden. Darüber wurde ein besserer Spanfluss erreicht, nicht zuletzt deshalb, weil die Vorschübe erhöht werden konnten. In diesem Zusammenhang ist die auf den Zerspanungsprozess perfekt ausgelegte Innenhochdruck-Kühlmittelzufuhr auf die Schneiden zu betonen.

Matthias Filipp (Anwendungstechniker Utilis AG): «Wir haben die Prozesskühlung, die direkt in den Spanbildungsprozess eingreift, perfektioniert. Das hat mehrere wesentliche Vorteile: Zum einen wirkt sich eine optimierte KSS-Zufuhr auf den Schmierprozess aus, infolgedessen die Reibparameter im Zerspanungsprozess sinken, die Drehmomente kleiner werden wie auch der Wärmeeintrag sich reduziert.»

Enorme Bedeutung des Kühlprozesses

Die durch die Umformenergie entstehende Wärme wird darüber hinaus effizient durch den Kühlschmierstoff aufgenommen und abgeführt, was zu geringeren Temperaturen direkt an der Schneide führt.

Matthias Filipp: «Diese Effekte sind wiederum ein wichtiger Grund für längere Standzeiten unserer Schneiden. Denn entscheidend ist, dass das Cobalt des Hartmetallverbundes nicht höher als mit 600 °C beaufschlagt wird, darüber wird es weich und die Wolframcarbide fallen aus ihrer Gitterstruktur mit den entsprechenden mikroskopischen Ausbrüchen an den Schneidkanten. Jetzt kommt gerade bei duktilen Werkstoffen wie Titan der Aspekt des Spanbruchs hinzu. Je geringer die Temperatur beim entstehenden Span ist, umso geringer ist seine Duktilität. Das ist bei Titan entscheidend, um kurzbrechende Späne und damit einen prozesssicheren Spanfluss zu erzielen.»

Weiterhin können durch die fokussierte Innenkühlung die Prozesstemperaturen gesenkt und die Brandsicherheit erhöht werden.

Schnittwerte verdoppelt

Zum Schluss noch ein Blick auf die Schnittparameter: Bei den Schnittwerten konnte eine Verdopplung zu den bisher eingesetzten Werkzeugen erzielt werden, d. h. im Idealfall eine Verdoppelung des Zeitspanvolumens. Darüber hinaus ergab sich eine Verbesserung der Standzeit, die abhängig ist von verschiedenen Parametern. Der Spanbruch und -fluss konnte deutlich verbessert werden.

Schneiden auf Titan ausgelegt

Auf die Frage des SMM, warum die Werkzeuge die Fertigungsprozesse derart optimieren, sagt Matthias Filipp: «Generell werden die Mikro- und Makro-Geometrien der Schneiden spezifisch auf Titanzerspanung hin ausgelegt – Schneidkantenverrundung inklusive. Zum Stichwort Spanbruchgeometrie nur so viel: Ideal ist es, wenn der Span im Entstehen eine U-Querschnitts-Form erhält, die leichter gebrochen werden kann als eine flacher Span-Querschnitt.»

Auf eine Beschichtung muss seitens des A.K.TEK Medizintechnik – Stichworte Zertifizierung und Medizintechnik – verzichtet werden. Gleichwohl verfügt Utilis über Beschichtungssysteme für Titanzerspanung, sofern es seitens der Zertifizierung möglich ist.

Wie sich im Bericht gezeigt hat, bringt die Symbiose Schweizer Maschinen und Schweizer Werkzeughersteller – gepaart mit dem Know-how der Spezialisten von A.K.TEK Medizintechnik – die idealen Voraussetzungen, um im Bereich anspruchsvollster Medizintechnik zu produzieren. SMM

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