Mikron Tool entwickelt mit DMG Mori hybriden medizintechnischen Prozess Swissmade: Hybride Fertigungs- strategie für Schulterprothese

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Die Entwicklungsspezialisten von Mikron Tool in Agno haben in Zusammenarbeit mit DMG Mori und Motorex einen hybriden Fertigungsprozess entwickelt, um die Herstellung einer «Glenoid-Basisplatte» (Titan-Komponente einer inversen, zementfreien Schulterprothese) zu optimieren. Dabei wurde auf einen anfänglichen spanenden Dreh-Fräsprozess, einen nachfolgenden 3D-SLM-Prozess und eine Endbearbeitung auf einem Bearbeitungszentrum gesetzt. Das Hybridverfahren hat das Potenzial, sich im Bereich der Prothesenherstellung durchzusetzen. Im Vergleich zu anderen Fertigungsverfahren zeichnen sich wirtschaftliche und qualitative Vorteile ab.

Mikron Tool und DMG Mori haben mit Support von Motorex verschiedene Fertigungsmethoden für eine komplex aufgebaute Komponente einer Schulterprothese aus Titan (s. Bild 2a und 6) getestet und verglichen: Zerspanung mit anschliessender Beschichtung (Hydroxylapatit oder Titanschichtspritzen), rein additiver Aufbau mit Nachbearbeitung auf WZM und deren Kombination, die Hybridfertigung. Letzteres Fertigungsverfahren stellten sie im Rahmen der «Medical Days» 2023 bei Mikron Tool in Agno vor.

Die notwendigen Fertigungsschritte wurden mit folgenden Produktionsmaschinen ausgeführt:

Bildergalerie

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• Dreh-Fräszentrum «NTX1000»:
  Fräs-Dreh-Bohr-Bearbeitung

• «Lasertec 30 Dual»SLM:
  Additive Fertigung im Laserschmelzverfahren

• BAZ DMP70:
  Endbearbeitung mittels Fräsen, Bohren und Gewindeschneiden

Komplexe Geometrie - spezifische Oberflächenstruktur

Die Geometrie der Glenoid-Basisplatte ist komplex, das Material Titan Grad 5 ELI ist zerspanungstechnisch anspruchsvoll. Die dem Schulterblatt zugewandte Oberfläche des Implantats muss poröse Strukturen aufweisen, um dem Knochenmaterial eine gute Matrix zum Einwachsen zu bieten.

In der Mitte der glenoiden Basisplatte befindet sich ein Hohlzapfen, der mittels Presspassung an der Glenosphäre befestigt wird. Er dient als stabile Primärverankerung der Prothese im Knochen und benötigt eine spezifische Oberfläche zur Osseointegration. Je nach Prothesendesign kann die Verankerung durch eine Zentralschraube, die durch den Hohlzapfen geführt wird, verstärkt werden.

Schnittstellen perfekt aufeinander abgestimmt

Die Zusammenführung von CNC-Zerspanung und generativer Fertigung stellte die Spezialisten von Mikron Tool und DMG Mori vor einige Herausforderungen. Um die gewünschte Endqualität bei gleichzeitig hoher Wirtschaftlichkeit sicherzustellen, war es entscheidend, einen optimalen Workflow für die verschiedenen Fertigungsschritte zu entwickeln und die Produktivität der einzelnen Maschinen perfekt aufeinander abzustimmen.

Der Teileprogrammierung mit den Schnittstellen zwischen additiver und spanender Fertigung kommt dabei eine Schlüsselrolle zu. Die Kombination der CNC-Software «Esprit» und der 3D-Drucksoftware «Celos» ermöglicht eine nahtlose Integration von additiver und spanender Fertigung.

Rohdaten für den 3D-Druck direkt in das CNC-Programm übertragbar

Mit diesen Softwarelösungen kann der Anwender die Rohdaten für den 3D-Druck direkt in das CNC-Programm übernehmen. Dabei kann er Elemente wie Flächen verändern und Stützkonstruktionen gestalten resp. ergänzen.

Für Bereiche, die nachbearbeitet werden müssen, legt er die Aufmasse fest, um sie später optimal bearbeiten zu können. Die Datei wird dann in das Konstruktions-CAD-System importiert und ausgegeben. Das schafft durchgängige Prozesse, minimiert die Durchlaufzeiten und erhöht die Zuverlässigkeit. Ein sicherer Produktionsprozess ist gewährleistet.

Prozessverlauf: 1. Zerspanung | 2. 3D-Druck SLM | 3. Finishing durch Zerspanung

Basierend auf den Ergebnissen der vorangegangenen Testreihen (Zerspanung und 3D-Druck) wurde entschieden, im ersten Schritt den flachen Grundkörper des Glenoids inklusive der Schraubenlöcher und einer zentralen Bohrung mit Gewinde mit Hartmetallwerkzeugen («CrazyTools») aus dem Vollen auf dem Dreh-Fräszentrum «NTX1000» in Serie zu fertigen.

Im zweiten Schritt erfolgte der Aufbau des Hohlzapfens und der erforderlichen Implantatoberfläche mittels Laserschmelzverfahren (Bilder 3a-c) direkt auf der abgeflachten Oberfläche des vorgefertigten Grundkörpers. Dieser Ansatz wurde gewählt, um den Materialeinsatz und die Fertigungszeit zu reduzieren. Ein weiterer Vorteil: Die abschliessende Nachbearbeitung auf dem BAZ «DMP70» konnte im Vergleich zur rein additiven Fertigung stark reduziert werden. Lediglich die Profile mussten geschlichtet und der Hohlzapfen mit einem Gewinde versehen werden.

Anspruchsvolle Vorbereitungsphase

Um den Produktionsfluss zu optimieren, war es notwendig, die volle Kapazität der «Lasertec 30 Dual SLM» zu nutzen, die den gleichzeitigen Aufbau von 56 Halbzeugen ermöglichte. Als Trägerstruktur diente ein speziell entwickelter Bauteilträger, der mit der entsprechenden Anzahl massgenauer Taschen zur Aufnahme der Glenoid-Grundkörper versehen war.

Exakte Positionierung des Grundkörpers für 3D-Druck

Um eine höchstmögliche Präzision beim Materialauftrag zu gewährleisten, mussten die Einleger sehr sorgfältig mit der Trägerplatte verschraubt werden. Dazu wurde ein zusätzliches Gewinde in den Grundkörper eingebracht, das mit Hilfe des «NTX1000» hergestellt wurde. Für eine einheitliche und genaue Ausrichtung der Grundkörper auf der Trägerplatte wurde bei der Bearbeitung eine zusätzliche Orientierungsnut eingebracht. In die Vertiefungen der Platte wurde die entsprechende Gegenform eingefräst. So konnte die Winkelposition der Grundkörper exakt definiert werden.

50 µm Positioniergenauigkeit

Nachdem die Trägerplatte in der Druckkammer der «Lasertec 30 Dual» SLM fixiert wurde, war es von grösster Wichtigkeit, die exakte Position der Grundkörper, auf denen der Materialauftrag erfolgen soll, zu bestimmen. Für einen punktgenauen Materialauftrag müssen die Laser präzise eingestellt werden. Dies erfordert einen Kalibrierungsprozess, der folgende Schritte umfasst:

• Zunächst wird der Nullpunkt des Bearbeitungsbereichs exakt bestimmt. Dieser Punkt dient als Referenzpunkt für alle weiteren Positionierungen und Bearbeitungen.

• Anschliessend erfolgt die automatische Referenzierung, indem der Laserkopf an die vordefinierten Positionen gefahren wird.

• Ein Koordinatenmessgerät überprüft die Ist-Positionen der Werkstücke, erkennt Abweichungen und erzeugt entsprechende Korrekturdaten, um eine hochgenaue Positionierung zu gewährleisten.

Die Kalibrierung stellt sicher, dass die Laserbearbeitung auf höchstem Qualitätsniveau erfolgt und die gedruckten Teile den gewünschten Spezifikationen entsprechen und eine hohe Qualität aufweisen. Im Fallbeispiel konnte durch die Kalibrierung eine Positionsgenauigkeit der angeordneten Bauteile von 50 µm erreicht werden.

Apropos Teilehandlichkeit: Die Trägerplatte wird für die Nachbearbeitung direkt in das Bearbeitungszentrum «DMP70» eingespannt, auf dem für alle Implantate die spanende Endbearbeitung ausgeführt wird.

Der im Applikationszentrum von Mikron Tool entwickelte hybride Fertigungsprozess wurde so ausgelegt, dass mit den drei eingesetzten Maschinen (Dreh-Fräszentrum, 3D-SLM, Fräszentrum) eine Ausbringung von 560 Teilen pro Woche erreicht werden kann.

Hier noch einmal die Bearbeitungsschritte und die Anzahl der benötigten Schichten:

• Arbeitsgang 1: Vorbearbeitung auf der «NTX1000» im Zweischichtbetrieb

• Arbeitsgang 2: 3D-Druck auf «Lasertec 30 Dual» SLM im Dreischichtbetrieb

• Arbeitsgang 3: Finishing auf BAZ DMP 70 im Einschichtbetrieb

Vergleich mit anderen Fertigungsverfahren

Die Spezialisten von Mikron Tool und DMG Mori haben diese Fertigungsmethode mit den anderen getesteten Verfahren verglichen. Hier nochmals aufgeführt:

• Spanende Bearbeitung mit anschliessender Beschichtung für die Osseointegration.

• Kompletter Aufbau der Glenoid-Basisplatte erfolgt im 3D-SLM-Verfahren mit anschliessender Nachbearbeitung auf einem BAZ.

Das von Mikron Tool zusammen mit DMG Mori entwickelte hybride Herstellungsverfahren der Schulterprothese erweist sich als das wirtschaftlichste und qualitativ beste Erzeugnis. Wer sich konkret für die Studie interessiert, kann sich direkt an das Entwicklungs- und Applikationszentrum von Mikron Tool wenden. Dort gibt es auch ein Whitepaper, das die drei Verfahren im Detail darstellt und deren Vor- und Nachteile aufzeigt.

Hybridprozess bringt perfekte Abstimmung

Der von den Fertigungsexperten von Mikron Tool, DMG Mori und Motorex ausgearbeitete Serienfertigungsprozess führt zu einer perfekten Abstimmung der drei beteiligten Maschinen, maximiert deren Auslastung und zeichnet sich durch einen hohen Materialnutzungsgrad aus. Das Bauteilhandling wurde auf ein Minimum reduziert und die angestrebten Qualitätsziele für das medizintechnische Bauteil vorbildlich erreicht.

Die Kosteneinsparung der hybriden Fertigung bei einer Losgrösse von 1000 Stück beträgt im Vergleich zu

• spanender Fertigung mit Beschichtung 4 %;

• additivem Verfahren mit Nachbearbeitung 9%.

Technisch wie wirtschaftlich wird das neue Hybridverfahren zukünftig neue Massstäbe setzen.

Anmerkung der SMM-Redaktion: Am Swissmem-​Zerspanungsseminar wird ein anderes Thema von Mikron Tool vorgestellt, aber diese Fertigungslösung kann vor Ort mit den Mikron-Spezialisten natürlich diskutiert werden. (böh) SMM

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