Fritz Studer AG: Flexible Schleifbearbeitung in der Medizintechnik

>> Ob künstlicher Gelenkersatz und andere Implantate oder Werkzeuge zur Spritzen- oder Tablettenherstellung – immer sind auch entsprechende Schleifbearbeitungen notwendig. Die Schleifmaschinen der Fritz Studer AG werden erfolgreich zur Fertigung dieser Produkte eingesetzt. Der Artikel gibt einen Überblick über die verschiedenen Schleifanwendungen in der Medizintechnik.

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Fritz Studer AG

Medizinischer Fortschritt und die demographischen Veränderungen unserer Gesellschaft führen zu einem wachsenden Bedarf an Fertigungsteilen für die Medizintechnik. Prominente Beispiele hierfür sind künstliche Hüftgelenke, von denen alleine in Deutschland mehrere hunderttausend Einheiten pro Jahr eingesetzt werden, oder Kniegelenke, deren Ersatz vor allem nach Sportunfällen notwendig wird.

Die Geometrie derartiger Teile ist häufig sehr komplex und neben der Verwendung von hochfesten Materialien sind Fertigungsgenauigkeit und Oberflächenqualität wesentliche Faktoren zur Sicherstellung einer langen Lebensdauer. Gleichzeitig ist die Varianz der Teile meist hoch. Eine Fertigung grosser Losgrössen ist deshalb häufig nicht möglich. Bei der Auswahl der Fertigungsmittel muss diesen Punkten besondere Beachtung geschenkt werden. Hochpräzise Werkzeugmaschinen mit der Möglichkeit zur Darstellung komplexer Bearbeitungsfolgen bei gleichzeitig hoher Umrüstflexibilität sind deshalb häufig eine gute Wahl für Hersteller von medizintechnischen Bauteilen.

Studer hat für die Schleifbearbeitung ein breites Sortiment an Maschinenkonzepten und Software anzubieten, welches in Verbindung mit speziell abgestimmter Schleiftechnologie und Werkzeugen diesen Anforderungen gerecht wird. Die Einsatzbreite dieser Produkte soll in der Folge an einigen Beispielen dargestellt werden.

Das Hüftgelenk – Aussen- und Innenrundschleifen von Keramik

Während früher ausschliesslich Kugelköpfe aus metallischen Werkstoffen und Kunststoffpfannen verwendet wurden, sind heute für diese Anwendungen zunehmend Hochleistungskeramiken im Einsatz. Der Weltmarktführer in der Herstellung von keramischen Kugelköpfen und Pfanneneinsätzen hat auf Basis seines BIolox-Werkstoffes bereits mehrere Millionen Komponenten ausgeliefert. Der Erfolg dieser Produkte ist zum einen dem Werkstoff zuzuschreiben, zum anderen der qualitativ hochwertigen Verarbeitung, für welche Studer-Maschinen eingesetzt werden.

Zur Bearbeitung der Kugelköpfe wird beispielsweise eine Studer-S120-Innenschleifmaschine eingesetzt. Die Maschine ist mit einer Aussen- und einer Innenschleifspindel sowie einer Werkstückspindelstock-Schwenkachse ausgerüstet. Dies ermöglicht es, die notwendigen vier Operationen in einer Aufspannung auszuführen. Mit einer Diamantscheibe wird sowohl die Stirnfläche als auch die Aussenfase bearbeitet. Anschliessend wird der Präzisions-Innenkegel oszillierend bearbeitet und die Innenfase geschliffen. Dank des stufenlos schwenkbaren Werkstückspindelstocks können diese Operationen jeweils mit demselben Schleifscheibenprofil bearbeitet werden. Kosten für Schleifscheiben- und Umrüstzeiten werden drastisch reduziert.

Kniegelenk – schnelle und genaue Lösung

Die Geometrie eines Kniegelenkes ist äusserst komplex und muss in bester Oberflächenqualität hergestellt werden können. Weiter ergibt sich aus den grossen physiologischen Unterschieden bei den «Endkunden» eine hohe Variantenzahl. Grundsätzlich sind zwei Knieersatztypen zu unterscheiden.

Für das symmetrische Knie besteht im Hause Studer eine sehr schnelle und genaue Lösung. Vorteilhaft kann hier eine Universalmaschine S40 mit zwei grossen Aussenscheiben und hochgenauer C-Achse mit HSM-Funktion (high speed machining function) eingesetzt werden. Durch einen entsprechend ausgelegten Schruppprozess mit einer Hochleistungsscheibe werden beste Bedingungen geschaffen, sodass die anschliessende Fertigbearbeitung mit der Schlichtscheibe die notwendige Mass- und Oberflächenqualität generieren kann. Die Bearbeitungszeiten liegen im Bereich weniger Minuten.

Hohe Anforderungen bei asymmetrischen Varianten

Zunehmend werden jedoch auch sogenannte asymmetrische Varianten des Implantats eingesetzt. Dies stellt fertigungstechnisch noch höhere Anforderungen an Maschine, Schleifprozess und Bediener. Die Partien, welche aus der Symmetrie laufen, werden in diesem Fall mit einer Radiusscheibe im Zeilenschleifverfahren gefertigt. Die Genauigkeit der Oberflächengeometrie wird dabei über den Zeilenabstand bei der Bearbeitung beeinflusst, die der Bediener bei der Programmgenerierung beeinflussen kann. Das zeilenweise Bearbeiten führt dabei zu einer direkten Korrelation zwischen Oberflächenanforderung und Bearbeitungszeit.

Formgebung für den Hüftnagel – komplexes Werkzeug

Ein Werkzeug zur Formgebung des Oberschenkelknochens für den Hüftnagel ist sehr komplex und besteht aus vielen unterschiedlichen Formen am gleichen Teil. Der Bereitstellung der notwendigen Bearbeitungsdaten kommt bei der Herstellung dieses Teils eine besondere Bedeutung zu. Weiter kann sich der Verschleiss der Scheibe mittelbar auf die Fertigungsgenauigkeit auswirken.

Auf Studer-Maschinen kommt für diese Applikation Studergrind zum Einsatz. Durch Kopplung der Maschinensteuerung mit einem externen PC können die Programme in unbegrenzter Grösse online aus dem Datenspeicher abgearbeitet werden. Ein Programm überprüft dabei ständig den Scheibendurchmesser. Bei Überschreitung eines Grenzwertes der theoretischen Formabweichung von beispielsweise 0,5 μm werden die Daten automatisch nachgerechnet und auf die Maschine übertragen. Die perfekte Form des Teiles ist somit garantiert.

Tabletten – präzise und verschleissfeste Presswerkzeuge

Tabletten werden heute in unterschiedlichster Grösse und Form hergestellt. Dabei müssen Menge und Gewicht unabhängig von der Form exakt den vorgegebenen Dosierungen entsprechen. Die zur Herstellung der Tabletten benötigten Presswerkzeuge, die aus einem Ober- und einem Unterstempel bestehen, müssen sehr präzise und hoch verschleissfest sein, damit sie ihre Funktion passgenau auch bei hohen Produktionsstückzahlen zuverlässig erfüllen.

Zur Herstellung der Formstempel kann beispielsweise eine Studer-S31-Universalschleifmaschine mit zwei Schleifscheiben und hochgenauer C-Achse eingesetzt werden. Zur schnellen Programmierung unterschiedlicher Stempelgrössen und Formen wird vorteilhaft die Programmiersoftware Studergrind eingesetzt. Die geforderten Formtoleranzen <3 μm können so auch bei komplexeren Formen sichergestellt werden.

Werkzeug für die Pipetten- und Spritzenherstellung

Pipetten und Spritzen sind Wegwerfwaren, welche in Massen produziert werden. Zur Herstellung dieser Produkte werden Mehrfachwerkzeuge verwendet. Die einzelnen Formeinsätze haben dabei häufig komplexe Geometrien und müssen in grösserer Stückzahl mit reproduzierbarer Qualität hergestellt werden. Nur so kann eine gleichmässige Produktqualität und die Austauschbarkeit der Einzelelemente sichergestellt werden. Der Masshaltigkeit und Konzentrizität der Bauelemente muss dabei äusserste Beachtung geschenkt werden. Mit dem Einsatz von zwei Aussenschleifscheiben sind solche Werkzeuge ideal in einer Aufspannung herzustellen. Mittels hochpräziser B-Achse kann die Scheibe reproduzierbar in die notwendige Winkelstellung geschwenkt werden. <<

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