• Land: Deutschland
  • Artikel vom: 14 November 2013
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  • Kategorie(n): Medizintechnik, WERKSTOFFE & MATERIALIEN, Weitere Anwendungen, Keramiken
  • Feinstbearbeitung für sichere und langlebige Endoprothesen

    Feinstbearbeitung für sichere und  langlebige Endoprothesen

    Jedes Jahr muss bei etwa 400.000 Menschen allein in Deutschland ein künstliches Hüft- oder Kniegelenk eingesetzt werden. Mit der Zunahme des Anteils älterer Menschen an der Gesamtbevölkerung wächst diese Zahl jedes Jahr, denn etwa 80 % der betroffenen Patienten gehören der Altersgruppe über 60 Jahre an. Verbesserte Operationstechniken, Hochleistungs-Werkstoffe und vor allem präzise Bearbeitungsverfahren machen es möglich, dass hochbelastete Hüftgelenk-Endoprothesen eine Lebensdauer von über 15 Jahren haben.

    Um die Anforderungen der Gelenkendoprothetik hinsichtlich der Geometrie, Oberfläche, Festigkeit, Steifigkeit, Verschleißfestigkeit und Verträglichkeit mit dem menschlichen Gewebe zu erreichen, müssen die Gleitflächen der Implantate auf Höchstpräzisions-Werkzeugmaschinen feinstbearbeitet werden. Mit der Bearbeitung der Endoprothesen auf Microfinish/Superfinish-Maschinen werden die geometrische Form der meist sphärisch-kugeligen Oberflächen sowie deren Rauigkeit optimiert. Das gilt insbesondere für Gelenkkugeln und dem dazugehörigen Gegenstück, den Kalotten bzw. Gelenkpfannen. Ziel ist es, der theoretisch optimalen Form möglichst nahe zu kommen und die Oberflächenrauigkeit der Werkstücke extrem zu reduzieren. Eine sehr hohe Formgenauigkeit wird benötigt, um vor allem den Abrieb während der Nutzung im Körper möglichst klein zu halten. Im μ-Bereich sehen Oberflächen nämlich wie Gebirge aus, auch wenn die Spitzen nur ein Zehntel μ groß sind. Aber in den mikroskopisch kleinen Tälern können sich Knochenanteile oder auch Bakterien sammeln, die zu einer erhöhten Reibung, zu Entzündungen oder sogar zu einem Abstoßen der Prothese führen können. Deshalb müssen die Oberflächen Spiegelglanz aufweisen, das heißt N2-poliert sein. Zusätzlich ist es wichtig, dass die Durchmessertoleranz verschwindend gering gehalten wird, damit der Arzt vor oder sogar noch während der Operation entscheiden kann, welche Kugel und welche Kalotte er für den Patienten idealerweise paaren möchte. Je kleiner die Durchmessertoleranz, desto größer der Flächenkontakt und desto besser die Funktion und Haltbarkeit der Implantatteile (Abb. 1).

    Hohe Qualitätsanforderungen

    Bei der gesamten Bearbeitung ist höchste Präzision gefordert, denn ungenaue Kugel-Kalotten-Paarungen sind nicht nur in Bezug auf die Lebensdauer von Nachteil für den Patienten: Zu locker sitzende Kugeln können Probleme bereiten, zu ungenaue Kugelformen Quietschgeräusche durch hohe Pressung an kleinen Flächenabschnitten verursachen. Die hohen Qualitätsanforderungen werden von der speziell für die Bearbeitung von sphärischen Teilen entwickelten EndoStar des Marktführers im Bereich Oberflächenfeinstbearbeitung, Thielenhaus Technologies, erreicht (Abb. 2).

    Unterschiedliche Werkstoffe

    Die EndoStar ist von ihren einstellbaren Prozessparametern, insbesondere ihren Schnittgeschwindigkeiten, so konzipiert, dass sämtliche Materialien bearbeitet werden können. Die klassischen Paarungen aus Kugel und Kalotte bestehen heute meistens aus einer harten, konvexen und einer weichen, konkaven Fläche. Für die weiche Komponente, das sogenannte Inlay, wird oft ultrahochmolekulares Polyethylen verwendet. Bei der harten Komponente werden Cobalt-Chrom-Legierungen, Titan oder Keramik eingesetzt. Oft bestehen die Weich-Hart-Paarungen aus hoch- und quervernetzten Polyetherketonen und Aluminiumoxid-Keramik. Metallische Werkstoffe sind in der Regel gefordert, wenn Knochen und Prothese nicht mechanisch miteinander verbunden werden sollen, da vollkeramische Implantate kein Einwachsen in die Außenkontur der Prothese zulassen. Allerdings haben die Abriebpartikel der Keramik eine bessere Bio-Verträglichkeit. Da die Lebensdauer der Hart-Weich-Paarung durch die Abnutzung der weichen Komponente bestimmt ist und selten mehr als 15 Jahre beträgt, wurden von den Implantat-Herstellern auch Hart-Hart-Paarungen wie Keramik/Keramik und Metall/Metall entwickelt. Die verwendeten Werkzeuge sind abhängig vom Material des Werkstücks. Bei keramischen Implantaten kommen Diamantwerkzeuge zum Einsatz, bei metallischen Werkstücken ist bis hin zum cBN alles möglich. Um das optimale Werkzeug zu finden, führt der Maschinenhersteller für jeden einzelnen Kunden Probebearbeitungen an den unterschiedlichen Original-implantaten durch und erstellt dazu entsprechende Werkzeuglisten.

    Formtoleranzen unterschreiten

    Die EndoStar ist mit einer um 90 Grad schwenkbaren Werkstückspindel ausgestattet, sodass die Kugel oder Kalotte von allen Seiten prozesssicher bearbeitet werden kann. Das zur Anwendung kommende Microfinish/Superfinish-Verfahren führt zu entscheidenden Verbesserungen der Mikro- und Makro-Geometrie des Implantats, sichert einen hohen Trag-anteil und verringert die spezifische Flächenbelastung. Der Reibwert des Werkstücks wird dadurch erheblich verringert. Zusätzlich beseitigt die Bearbeitung die amorphe Werkstoffschicht, die durch Vorbearbeitungsverfahren entstehen kann, sodass das Grundmaterial mit seiner vollen Härte und Belastbarkeit zum Tragen kommt. Ein weiterer Vorteil ist die Erhöhung der Druckeigenspannung in der Werkstückrandzone.
    Die tolerierten Formabweichungen werden mit der Maschine um mehr als 50 Prozent unterschritten. Damit lässt sich gerade bei medizinischen Produkten eine sehr hohe Sicherheit erreichen. Für diese höchstmöglichen Genauigkeiten ist die EndoStar extrem steif gebaut. Um sicherzustellen, dass die bearbeiteten Werkstücke die Zeichnungsforderungen deutlich übertreffen, hat der Hersteller alle verwendeten Bauteile und die Spindellagerung hochwertig ausgeführt (Abb. 3).


    Sicherer Prozess

    Zur höchstmöglichen Prozessstabilität ist die Maschine mit der patentierten Kraftregelung MicroSens ausgerüstet, die der NC-Achse überlagert ist und während des Prozesses die Kraft, die das Werkzeug auf das Werkstück ausübt, im Grammbereich nicht nur überwacht, sondern auch steuert. So wird jedes Werkstück stets mit denselben Kraftparametern bearbeitet und eine extrem hohe Wiederholbarkeit des Prozesses sichergestellt. Durch zusätzliche Festlegung einer Maximalkraft, mit der die Maschine arbeiten darf, ist der Implantathersteller in der Lage, sehr dünnwandige Topfscheiben einzusetzen, die ein extrem hohes Spanvolumen bringen, ohne dass sie überfordert werden. So dient die Kraftregelung nicht nur der Prozessstabilität, sondern auch dem Crashschutz. Selbst der Poliervorgang, wo es nicht nur auf das Poliermittel, sondern auch ganz wesentlich auf die Arbeitskraft ankommt, wird damit einfacher.

    Einfache Bedienung

    Neben der hohen Präzision und Sicherheit ist die vertikale Bauform und die extrem gute Zugänglichkeit das Besondere an der EndoStar. Der Arbeitsraum öffnet nahezu über die gesamte Maschinenbreite und die Bearbeitungsebene ist mit 1.200 mm vom Boden aus ergonomisch optimal angelegt. Der Bediener kann nicht nur alle Einrichtungen wie Aufnahme, Messsteuerung und Werkzeuge aufrecht stehend in Unterarmlänge erreichen, ohne sich in die Maschine zu beugen, sondern auch den Prozessablauf bestens verfolgen. Die Werkstückspindel nimmt zum Be- und Entladen sowie zum Begutachten eine vertikale Ausgangsposition ein (Abb. 4). So kann das Implantat stets unter demselben Winkel und derselben Lichtbrechung betrachtet werden. Falls die Eingangsqualitäten schwanken und eine Nachbearbeitung erforderlich sein sollte, kann – ohne das Werkstück auszuspannen – ein Nachbearbeitungsprogramm angewählt und noch einmal ein Poliervorgang in der Maschine ausgelöst werden, ohne die Geometrie zu verschlechtern. Ein integrierter 10-fach-Werkzeugwechslers erlaubt es, alle für die Bearbeitung benötigten Werkzeuge im Zugriff zu halten, ohne dass während des Prozesses ein manueller Wechsel erforderlich wird. Ist ein Werkzeug verbraucht, stellt die Maschine automatisch auf ein gleiches anderes um. Die Messsteuerung sorgt dafür, dass der Prozess automatisch abläuft und die Genauigkeit durch den Ausschluss von Bedienfehlern erhöht wird (Abb. 5).

    Ein weiterer Vorteil ist die einfache Bedienung über das Touchscreen-Paneel. Die Steuerung ist so programmiert, dass bei neuen Werkstücken nur noch die Zeichnungswerte in eine Bedienmaske eingegeben werden müssen. Sind die Parameter gefunden, können diese dann im Programm mit dem Namen des Werkstücks, der Zeichnungs- oder Sachnummer gespeichert und später immer wieder aufgerufen werden. In der Standardversion lassen sich 100 Werkstücktypen ablegen. Der Speicher ist nahezu beliebig erweiterbar.

    Einsatzfelder

    Neben der Bearbeitung von Kugeln und Kalotten ist die EndoStar für alle sphärischen Werkstücke oder für solche, in die eine Sphäre wie ein Kreisbogen, ein Kugelabschnitt oder ähnliches eingearbeitet werden muss, verwendbar. So wird diese Technologie auch für andere Aufgaben außerhalb der Medizintechnik eingesetzt, z. B. für die Chemieindustrie, für die hochgenau dichtende Ventilkugeln oder hochpräzise Druckventile mit Blasenzahl null bearbeitet werden müssen. Bei Einspritzsystemen für Kraftfahrzeuge, wo heute Drücke von bis zu 2.500 bar vorkommen, werden auf diesen Maschinen Dichtflächen bearbeitet, die so präzise gefertigt sein müssen, dass sie selbst bei diesen hohen Drücken immer noch abdichten.