Swissmem Zerspanungsseminar 2022: Louis Bélet S.A. Hocheffiziente Dentalschrauben-Fertigung

Von Dipl. Ing. Sinan Akyol

Gegenstand des vorliegenden Beitrags sind innovative, prozess­orientierte Zerspanungslösungen. Um diese aufzuzeigen, wird die Anfertigung einer Dentalschraube aus Titan Grade 5 näher betrachtet. Es wird aufgezeigt, wie Gewinde hochproduktiv und prozesssicher gefertigt werden können.

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Geniale Fertigungslösung: der Formpolygonierfräser zum Fertigen des Gewindes der Dentalschraube.
Geniale Fertigungslösung: der Formpolygonierfräser zum Fertigen des Gewindes der Dentalschraube.
(Bild: Louis Bélet)

Die Herstellung des Gewindes und des Innensechsrunds (Torx) sind beim Programmieren und Einrichten oft zeitraubend und während des eigentlichen Herstellungsvorgangs nicht immer stabil. Dies bedeutet, dass die Qualität über eine Losgrösse nicht immer gleichbleibend eingehalten werden kann und demnach mit Mehraufwand oder Ausschussteilen gerechnet werden muss. Im Folgenden wird die hocheffiziente Gewindefertigung von chirurgischen Knochenschrauben aufgezeigt.

Ziel: stabile Fertigungsprozesse

Um die Gewindefertigungsprozesse stabiler zu gestalten, arbeitet Louis Bélet S.A. an der Entwicklung innovativer Zerspanungslösungen. Ziel ist es, die Prozesse über mehrere Losgrössen stabil zu halten, das Einrichten zu vereinfachen und insgesamt über den ganzen Herstellungsvorgang Zeit zu sparen.

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Im Folgenden wird die Herstellung der Gewinde durch das Polygonierverfahren genauer betrachtet.

Prozessoptimierte Gewindeherstellung

Bei der Gewindeherstellung wird das Polygonierverfahren eingesetzt. Dabei wird zunächst das Negativ des Gewindeprofils auf die Schneide eines Zirkularfräsers geschliffen.

Der Zirkularfräser hat den Vorteil, dass eine grosse Anzahl Schneidezähne am Umfang angebracht werden können. Somit erhöht man die Standzeit des Werkzeuges. Ein weiterer Vorteil des Zirkularfräsers ist das einfache Vorgehen beim Spannen. Dies erhöht die Prozesswiederholbarkeit. Eine Schwierigkeit besteht allerdings in der Herstellung des Fräsers, denn jede Zahnreihe muss einzeln profiliert werden.

Entscheidend: Perfekte Synchronisierung Werkstück–Werkzeug

Beim Einsatz eines Gewindepolygon-Fräsers sind folgende Punkte zu berücksichtigen. Die Synchronisierung der Spindeln muss genaustens eingehalten werden. Dabei ist das Verhältnis 1:1. Dies bedeutet, dass eine Umdrehung des Werkstücks in der gleichen Zeit einer Umdrehung des Werkzeugs entsprechen muss.

Extrem schnell: Gewinde in einem Arbeitsschritt

Nachdem das Werkzeug in der Z-Achse in die richtige Position gebracht wurde, wird mit dem synchronisierten Werkzeug auf die geforderte Gewindetiefe in der X-Achse eingetaucht. Dabei entsteht das komplette Gewinde in einem einzigen Arbeitsschritt, der im Vergleich zu herkömmlichen Gewindeherstellungsverfahren extrem schnell realisiert werden kann.

Die mit diesem Verfahren erzielten Ergebnisse sind hinsichtlich Oberflächenqualität, Gratbildung und Profilgenauigkeit bei weitem überdurchschnittlich gut und – so die Aussage des Herstellers – in einigen Fällen sogar unerreicht.

Asynchrones Polygonierverfahren für lange Gewinde

In der Medizintechnik trifft man jedoch auch auf Schrauben, welche ein langes Gewinde aufweisen. Da die Auslegung des Werkzeuges oft in der Breite limitiert ist, aufgrund der Platzverhältnisse und der Kosten, hat sich Louis Bélet zur Aufgabe gemacht, einen Prozess zu entwickeln, bei dem das gleiche Polygonierwerkzeug eingesetzt werden kann.

Dabei wurde das asynchrone Polygonierverfahren entwickelt. Hierfür muss die Synchronisierung der Spindeln angepasst werden. Die Drehzahl des Fräsers wird gegenüber der Drehzahl des Werkstückes um 10% erhöht. Anschliessend wird der Vorschub anhand der Gewindesteigung berechnet und beträgt 10% der Steigung pro Umdrehung des Werkstückes. Mit diesem Verfahren können somit auch Gewinde hergestellt werden, welche länger sind als die Breite des Polygonierfräsers.

Gewinde mit Konus in einem Arbeitsgang

Angesichts der mit diesen Prozessen gewonnenen Erfahrung kam die Frage auf, ob andere Geometrien ebenfalls mit dem Polygonierverfahren herstellbar wären. In der Folge wurde ein Formpolygonierwerkzeug entwickelt, um eine Dentalschraube herzustellen, welche einen Konus verbunden mit einem Zylinder als Grundgeometrie des Gewindes aufweist.

Auch hier wurde das Negativprofil auf einen Zirkularfräser angebracht, wobei die Form inklusive Konus komplett über­nommen wurde. Somit kann man das gleiche Verfahren wie beim Polygongewindefräsen anwenden. Dies bedeutet, dass die Schraube zunächst einfach zylindrisch vorgedreht werden muss und nicht konisch. Dank des Formpolygonierfräsers kann man das komplette Gewinde mit Konus in einem Arbeitsgang herstellen. SMM

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