Simply crazy Kniegelenkfertigung à la Mikron Tool

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Die Mikron-Tool-Entwickler haben für die Kniegelenkfertigung einen kompletten Fertigungsprozess – inklusive CAM-Programme – entwickelt. Für die beiden Kniegelenk-Komponenten (Ober- und Unterschenkel) benötigen die Fertigungsspezialisten nur insgesamt 50 Minuten, inklusive des Pre-Finishings (CNC-Bürsten) der Oberflächen – simply crazy.

Mit 250 Mitarbeitenden hat sich Mikron Tool auf die Herstellung und Entwicklung von Hochleistungswerkzeugen und -prozessen im Bereich schwierig zu bearbeitender Werkstoffe (Titan, rostfreier Stahl, Inconel bis hin zu Kobalt-Chrom-Legierungen – CoCr) spezialisiert. Jetzt präsentierten die Zerspanungstechniker von Mikron Tool der SMM-Redaktion eine ausgefeilte Fertigungsstrategie, um die beiden Kniegelenk-Komponenten (Oberschenkel – Femoral / Unterschenkel – Tibial) aus CoCr zu fertigen.

Spürbare Begeisterung im Entwicklungsteam

Als Alberto Gotti (Entwicklungsleiter) mit seinem Entwicklungsteam die neu entwickelten Fräswerkzeuge und die gefertigten Kniegelenk-Prototypen im firmeneigenen Entwicklungszentrum der Redaktion präsentiert, spürt man ihre Begeisterung über die neuen Werkzeuge und Fertigungsprozesse.

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Kein Wunder, denn die Anforderungen seitens der Implantate-Hersteller sind enorm. Das Material ist zerspanungstechnisch eine Zumutung. Und es dürfen weder Rattermarken noch sonstige Übergänge sicht- oder spürbar sein.

A. Gotti: «Bei den Rohteilen handelt es sich um CoCr-Feinguss-Komponenten, die im Near-Net-Shape-Verfahren hergestellt werden. Besonders anspruchsvoll ist die Gusshaut in Bezug auf den Werkzeugverschleiss. Sie hat eine Stärke von etwa 0,4 mm und ist hochabrasiv.

Hier haben wir die höchsten Verschleissraten an den Werkzeugschneiden. Es ist absolut entscheidend, die Gusshaut effizient zu entfernen. Auch die Angüsse sind hoch anspruchsvoll und bereiteten uns Zerspanern immer wieder Kopfzerbrechen.»

Weicher Schnitt bringt herausragende Oberflächen

Alberto Gotti äussert sich zu der zerspanungstechnischen Herausforderung: «Aufgrund der Werkstoffeigenschaften kann es im Bearbeitungsprozess sehr schnell zu Rattermarken kommen. Die Werkzeuge müssen auf das Material und die Werkstückform perfekt zugeschnittene Mikro- und Makrogeometrien aufweisen. Wenn alle zusätzlichen Fertigungsparameter passen – hochsteife und dynamische Maschine, exzellente Werkstück- und Werkzeugspannung, effiziente Kühlung –, dann erzielen wir einen weichen Schnitt mit herausragenden Oberflächen. Die Oberflächengüte des fertigen Implantats muss letztlich unter Ra 0,4 liegen. Und das bei einem Werkstoff, der für alles, aber nicht für die Zerspanung optimiert wurde.»

Oberschenkel-Kniegelenk-Komponente: komplexeste Freiformflächen

Die Fertigung der Oberschenkel-Kniegelenk-Komponente ist besonders komplex. Sie verfügt mehrheitlich über Freiformflächen, halbtiefe Taschen sowie schmale Stege. Richtig schwierig macht es die Kombination des zu bearbeitenden Materials und der geforderten Oberflächengüte aus CoCr-Legierung, aus der die Kniegelenke hergestellt werden.

Schleifverfahren konnte substituiert werden

A. Gotti: «Die geforderte hohe Oberflächengüte konnte bis anhin nur mittels nachgeschalteter 5-achsiger Simultan-Schleifprozesse gefertigt werden. Dank unseres neu entwickelten Werkzeugprogramms für Kniegelenk-Prothesen, der abgestimmten Frässtrategien und eines integrierten CNC-Bürstverfahrens erreichen wir die geforderten Oberflächengüten innerhalb eines CNC-Prozesses. Damit können wir den bisher zusätzlich notwendigen externen Schleifprozess ersetzen.»

Marco Cirfeta (Global Head of Sales & Marketing): «Die Substitution des Schleifprozesses bedeutet für die Hersteller, dass sich der Herstellungsprozess erheblich vereinfacht – auch logistisch. Bisher war es nicht möglich, Oberflächen in Schleifqualität bei Kniegelenkkomponenten im Bearbeitungszentrum zu erzeugen. Mit unserem Verfahren können die Kniegelenke direkt vom Bearbeitungszentrum dem Schleppschleifprozess zugeführt werden.»

Damit dieses Ergebnis erreicht werden konnte, entwickelten die Mikron-Tool-Spezialisten jeweils vier abgestimmte Fräswerkzeuge für die Ober- und Unterschenkel-Komponente.

Für die komplette Oberschenkel-Komponente kommen ein konischer Vollradiusfräser (Z = 4), Eckradius-Schaftfräser (Z = 5) und Vollradiusfräser (Z = 5 und Z = 8) zum Feinschlichten der Oberfläche zum Einsatz.

A. Gotti: «Mittels anschliessendem CNC-Bürsten mit Diamant-Filamenten können wir eine Oberflächenrauheit von Ra = 0,1 erreichen. Die Gesamtzeit zur Fertigung der Oberschenkel-Komponente beläuft sich auf aktuell knapp 40 Minuten. Ich muss dazu sagen: Wir haben den Prozess noch nicht zu 100 Prozent ausgereizt. Aktuell erzielen wir bis zu zweifache Standzeiten gegenüber unseren Mitbewerber-Werkzeugen. Da ist also noch Potenzial nach oben, um die Prozesszeit weiter zu reduzieren.»

Fertigung der unteren Kniegelenk-Komponente (Tibia)

Die Tibia-Komponente ist von der Komplexität her einfacher (keine Freiformflächen), dafür vom Material her gleich anspruchsvoll. Nachdem in die Tibia-Komponente eine etwa 6 mm tiefe Tasche gefräst wurde, muss sie innen versäumt werden. Zusätzlich bekommt sie einen Hinterschnitt. Dieser ist notwendig, um die Kunststoff-Gleitkomponente (Polyspacer) sicher zu klemmen.

Mikron-Tool-Spezialisten erreichen eine Oberflächengüte von unter Ra 0,2

Wie für die Oberschenkel-Komponente werden auch für die Unterschenkel-Komponente genau vier Fräswerkzeuge benötigt: Schaftfräser mit Radius, Fräser mit Fasengeometrie, Formfräser und Finishing-Formfräser für Hinterschnitt. Nach dem Finishing erzielen die Mikron-Tool-Spezialisten eine Oberflächengüte von unter Ra 0,2 und liegen damit unterhalb des geforderten Toleranzbereichs. Ein wesentlicher Faktor, da aus verschiedenen medizinischen Gründen spiegelglatte Oberflächenstrukturen gefordert werden.Die Tibia-Komponente ist bereits nach knapp sieben Minuten fertig gefräst.

Kniegelenk-Hersteller erhalten ein hochgradig prozesssicheres Verfahren

M. Cirfeta: «Mit der von Mikron Tool entwickelten Fertigungsstrategie, die auf den neu entwickelten Kniegelenk-Werkzeugen aufbaut, erhalten Kniegelenk-Hersteller ein hochgradig prozesssicheres Verfahren, das noch dazu unglaublich speditiv ist. Wir setzen wieder einmal einen Benchmark und – wenn wir das so sagen dürfen – wir sind noch nicht fertig mit der Entwicklung. Da geht noch was. Aber bereits jetzt haben wir eine Fertigungsstrategie entwickelt, die in der Kniegelenkfertigung zu den schnellsten weltweit gehört. Das ist simply crazy - aber genau so sind wir.»

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