Höchste Oberflächenqualität in der Titanbearbeitung

Fräser zur Bearbeitung von Hüftschäften

| Redakteur: Anne Richter

Röntgenbild eines eingesetzten künstlichen Hüftgelenks.
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Röntgenbild eines eingesetzten künstlichen Hüftgelenks. (Bild: Istockphoto/Santypan)

Mapal bietet mit dem Optimill-Titan-Trochoid ein Fräswerkzeug, welches aufgrund spezieller Geometrie und Beschichtung höchste Oberflächenqualität in der Titanbearbeitung liefert. So konnten damit die Oberflächenqualität von Hüftschäften verbessert werden und auch die Arbeitswerte.

Hüftoperationen gehören in Deutschland zu den häufigsten chirurgischen Eingriffen. In vielen Fällen implantieren die Ärzte dabei ein künstliches Hüftgelenk. Allein 2014 bekamen rund 219 000 Menschen deutschlandweit ein neues Hüftgelenk und gelangten damit wieder zu einer Bewegungsfreiheit ohne Schmerzen. Die künstlichen Gelenke, die bei den meist minimalinvasiven Operationen implantiert werden, sind hauptsächlich aus Titanlegierungen (TiAl6V4, Schmiedelegierung) gefertigt. Denn Titan weist eine sehr gute Bioverträglichkeit auf und hat auch unter feuchten Bedingungen, unter anderem in Körperflüssigkeiten, eine exzellente Dauerfestigkeit. Darüber hinaus ist der Werkstoff korrosionsbeständig auch in oxidierenden Medien.

Für künstliche Hüftgelenke, bestehend aus Hüftschaft und Kopf, stehen verschiedene Varianten in unterschiedlichen Grössen zur Verfügung, aus denen je nach individuellen Bedürfnissen und dem Schädigungsgrad des Gelenks ausgewählt wird. So besteht beispielsweise die Möglichkeit, das künstliche Gelenk einzuzementieren, oder man greift auf die zementfreie Implantattechnologie zurück. Hierbei wird der Hüftschaft zum Teil poliert und zum Teil beschichtet. Die Beschichtung bewirkt, dass das Gelenk von selbst einwächst.

Ein Werkzeug zum Besäumen, Schruppen und Schlichten

Ein Hersteller von künstlichen Hüftgelenken war für die Zerspanung seiner Hüftschäfte zur zementfreien Implantierung auf der Suche nach einem neuen Werkzeugpartner. Bis zu 2000 solcher Schäfte fertigt der Hersteller jeden Monat. Sowohl der verwendete Werkstoff, die hochfeste Titanlegierung TiAl6V4, als auch die besonderen Standards der Medizinindustrie sind bei der Bearbeitung besonders anspruchsvoll. Die Hüftschäfte werden vorgeschmiedet. Dabei entsteht ein Schmiedegrat, der eine nachträgliche Bearbeitung, ein Besäumen der Kontur, erforderlich macht. Wurde dies früher händisch erledigt, wird heute hauptsächlich gefräst. Neben dem Besäumen der Aussenkontur muss die Bauteiloberfläche geschruppt und geschlichtet werden.

Bisher setzte der Hersteller dabei auf Fräswerkzeuge eines Wettbewerbers. Mit diesen erreichte er allerdings nicht die geforderte Oberflächenqualität und den Mittenrauwert von Ra = 0,8 µm. Nach dem Fräsvorgang musste deshalb aufwendig geschliffen werden. An Mapal wurde deshalb die Aufgabe gestellt, ein Werkzeug zu liefern, um die Kontur zu besäumen sowie die Oberfläche zu schruppen und zu schlichten. Und jede Welligkeit der Oberfläche, wie sie bisher an der Tagesordnung war, zu verhindern. Einige Bereiche des Hüftschafts werden von Hand poliert. Bei der Fräsbearbeitung muss aus diesem Grund die geschlichtete Oberfläche so erzeugt werden, dass nach dem Polieren mit einem maximalen Materialabtrag von 10 bis 20 µm die finale Oberfläche und die definierte Kontur erreicht werden.

Gesenktes Vibrationsrisiko und temperaturbeständige Beschichtung

Mit dem beschichteten VHM-Fräser Optimill-Titan-Trochoid im Durchmesser 12 mm lieferte Mapal das optimale Werkzeug für diese Anwendung. «Der Kunde setzt denselben Fräser sowohl zum Besäumen als auch zum Schruppen und Schlichten ein», sagt Matthias Schmidt, Produktspezialist bei Mapal für Werkzeuge aus Vollhartmetall. Eine besonders ausgeführte Ungleichteilung (EU-Teilung) der fünf Schneiden des Fräsers in Kombination mit einer innovativen Geometrieauslegung des Schneidkeils reduziert die Schwingungsanregung. Eine während des Herstellungsprozesses vorgenommene Auswuchtung (Wuchtgüte 2,5) senkt das Vibrationsrisiko noch weiter. Die Geometrie des Fräsers ist zudem so ausgelegt, dass die Zerspankräfte reduziert sind und die thermomechanische Belastung niedrig bleibt. Das ist umso wichtiger, da Titan eine schlechte Wärmeleitfähigkeit aufweist und die entstehende Bearbeitungswärme am Eingriffsbereich des Werkzeugs bleibt. Der Fräser ist deshalb mit einer temperaturbeständigen PVD-Beschichtung versehen. Für die Bearbeitung ist neben Geometrie und Beschichtung auch die maschinenseitige Kühlung ein wichtiges Element. Bei der Bearbeitung kommt daher ein spezieller Kühlschmierstoff zum Einsatz, um zusätzlich ein Überhitzen des Systems zu verhindern. Denn bei Überhitzung neigt Titan zum Verschweissen mit dem Werkzeug.

Bearbeitung mit dem Optimill-Titan-Trochoid überzeugt

Der Hüftschaft wird im Gleichlauf mit einer Schnittgeschwindigkeit von 120 m/min und einer Vorschubgeschwindigkeit von 1400 mm/min geschruppt. Dabei wird Material bei einer Schnitttiefe von 12 mm (ap) und einer radialen Zustellung von 1 mm (ae) abgetragen. Beim Schlichten wird ebenfalls mit einer Schnitttiefe von 12 mm (ap) Material abgetragen, allerdings bei einer radialen Zustellung von lediglich 0,2 mm (ae). Gearbeitet wird in diesem Fall mit einer Schnittgeschwindigkeit von 90 m/min und einer Vorschubgeschwindigkeit von 500 mm/min. Die Bearbeitung mit dem Mapal-Werkzeug überzeugt den Kunden. «Die Oberflächenanforderungen werden prozesssicher erfüllt, weder Fräsmarkierungen werden sichtbar, noch treten Schwingungen auf», freut sich Schmidt. So spart der Kunde sich in der Folgebearbeitung das händische Schleifen. Zudem konnten im Vergleich zum Werkzeug des Wettbewerbers die Arbeitswerte erhöht und damit die Bearbeitungszeit gesenkt werden. Die Schnittgeschwindigkeiten beim Schruppen und beim Schlichten liegen mit dem Mapal-Werkzeug um 70 und 30 Prozent höher, die Vorschubgeschwindigkeiten um 40 und 25 Prozent. Der Kunde ist mit dem Fräser so zufrieden, dass er ihn neben den Hüftgelenken auch für die Bearbeitung seiner Knochenplatten einsetzt. -ari- SMM

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