Eines der am stärksten wachsenden Segmente bei der Bearbeitung von kleinen bis mittleren Präzisionsbauteilen sind Medizinbauteile, insbesondere Implantate. Dies liegt darin begründet, dass sich der Anteil der Menschen über 65 Jahre, die den größten Marktanteil für Implantate ausmachen, bis zum Jahr 2050 fast verdreifachen wird. Unternehmen aus diesem Industriezweig verfolgen diese Entwicklung und bereiten sich entsprechend vor – genau wie Iscar.
In der Medizinindustrie ist ein kontinuierlich dynamisches Wachstum zu beobachten, was folglich auch die Zerspanungswirtschaft ankurbelt. Dieses Wachstum geht Hand in Hand mit den intensiven F&E-Aktivitäten sowie der längeren Lebensdauer der Menschen in allen Industrienationen.
Ein spezielles Marktsegment, in dem sich diese Dynamik stark bemerkbar macht, stellen die orthopädischen Implantate dar. In diesem Gebiet sind die Hersteller ständig auf der Suche nach neuen, verbesserten Bearbeitungsmaschinen und Zerspanungswerkzeugen, um sich von den Mitbewerbern abzusetzen.
Knochen und Gelenke zu ersetzen, ist eine komplexe Aufgabe
Bauteile für die Medizintechnik zu bearbeiten bedeutet, sich mit teilweise sehr kleinen, komplexen Bauteilen aus schwer zu bearbeitenden Werkstückstoffen wie Titan, Co-Cr-Legierungen oder rostbeständigem Stahl auseinanderzusetzen und dabei die hohe Maßgenauigkeit nicht aus den Augen zu verlieren. Es ist eine äußerst komplexe Aufgabe, solch aufwändige orthopädische Teile zu bearbeiten, die menschliche Knochen und Gelenke ersetzen müssen.
Bei Bauteilen, die von der Stange bearbeitet werden, muss viel Material abgespant werden. Da die verwendeten Werkstückstoffe nur mit niedrigeren Zerspanungsparametern als Stahl bearbeitet werden können, macht dies den Bearbeitungsprozess sehr teuer. Aus diesem Grund werden einige Werkstücke konturnah vorgeformt, was wiederum aufwändige und somit teure Spannvorrichtungen notwendig macht.
Ein weiterer Faktor, der zur Komplexität der Bearbeitung beiträgt, sind die geforderten genauen Toleranzen. All diese Überlegungen haben dazu geführt, dass neue Bearbeitungstechnologien und -lösungen entwickelt wurden, die auch kleine und mittlere Unternehmen bei der Produktion von medizinischen Teilen auf möglichst wettbewerbsfähige und produktive Art und Weise unterstützen. Dank fortschrittlicher Werkzeuge in Kombination mit neuesten Schneidstoffsorten, innovativen Geometrien und Spanformern können komplexe Formen auch unter Einhaltung genauer Toleranzen gefertigt werden.
Ein Großteil der Implantat-Werkstücke wird aus der Titanlegierung Ti6AI4V gefertigt. Des Weiteren kommen auch rostfreie Stähle zum Einsatz, aber Chirurgen bevorzugen Titan aufgrund seines äußerst vorteilhaften Verhältnisses von Festigkeit zu Gewicht und der Tatsache, dass es besser mit menschlichem Gewebe verwächst.
Ti6AI4V ist aufgrund des geringen Gewichts, der hohen Festigkeit und Bioverträglichkeit der gebräuchlichste Werkstückstoff für medizinische Implantate. Titanimplantate stellen auch bei möglicherweise notwendigen Untersuchungen wie z. B. Magnetresonanz oder Computertomographie kein Hindernis dar.
Ti6AI4V wird für Hüftgelenke, Knochenschrauben, Kniegelenke, Knochenplatten, Zahnimplantate und chirurgische Instrumente verwendet, wobei in der jüngsten Vergangenheit auch vermehrt Kobalt-Chromlegierungen eingesetzt werden.
Die Bearbeitung von Titanlegierungen benötigt höhere Schnittkräfte als die Bearbeitung von Stählen. Im Gegensatz zu Stählen mit ähnlichen Härtegraden verfügen Titanlegierungen über metallurgische Eigenschaften, die den Bearbeitungsprozess erschweren.
Titan führt zu Schneidkantenausbrüchen beim Werkzeugein- und -austritt
Im Vergleich zu bekannteren Eisen- und Aluminiumlegierungen ist Titan schwieriger zu bearbeiten. Man kann es sich wie rostfreien Stahl vorstellen, wobei sich bei der Bearbeitung von Titan zähere und längere Späne bilden. Des Weiteren ist eine Tendenz zu Schneidkantenausbrüchen beim Werkzeug- ein- und -austritt zu beobachten.
Hartmetallwerkzeuge müssen nicht unbedingt beschichtet werden, da sie im Gegensatz zu Stahl keine chemische Reaktion mit Titan hervorrufen, allerdings müssen sie sehr scharf sein. Wenn Beschichtungen eingesetzt werden, sind das PVD-beschichtete Schneidstoffsorten wie z.B. IC807 und IC808, weil diese eine Überhitzung bei höheren Bearbeitungsparametern vermeiden helfen.
Iscar hat bereits ein breites Spektrum von Wendeschneidplatten und Schneideinsätzen zur Bearbeitung von Titan im Angebot, welche im Großen und Ganzen in alle gängigen Werkzeughalter eingesetzt werden können. Zu ihren Hauptmerkmalen gehören sehr scharfe Schneidkanten sowie polierte oder geschliffene Spanflächen, die zu einer hohen Oberflächengüte führen und einer Aufbauschneidenbildung entgegen wirken.
Optimierte Kühlmittelzufuhr für die Titanbearbeitung
Sämtliche Schneideinsätze und Wendeschneidplatten sind in den Schneidstoffsorten IC807 und IC808 erhältlich, die schon seit Jahren die bevorzugte Schneidstoffsorte für die Titanbearbeitung in der Luft- und Raumfahrtindustrie sind. Heutzutage umfasst das Produktprogramm der Werkzeuge für die Bearbeitung von Medizinbauteilen Schaftfräser mit extrem scharfen Schneidkanten und polierten Spanflächen; Vollhartmetallfräser ab Durchmesser 0,8 mm und Reibahlen ab Durchmesser 3 mm; verschiedene Typen von Drehwendeschneidplatten mit aggressiven WF(=Wiper-Finish)- oder MD (Medical)-Spanformern sowie Titanausführungen der Jetcut-Abstechwerkzeuge. Ebenfalls in der Pipeline ist eine Ausführung der beliebten Tanggrip-Abstechwerkzeuge mit optimierter Kühlmittelzufuhr zur Titanbearbeitung.
Iscar hat umfangreiche Marktstudien zum Thema der effektivsten Werkzeuge für die Bearbeitung dieser sehr komplexen orthopädischen Teile durchgeführt. Auf dieser Basis hat Iscar spezifische Werkzeuge, Schneideinsätze und Wendeschneidplatten und Spanformer für die Bearbeitung von Ti6AI4V entwickelt, um die von der Industrie geforderten Toleranzen erreichen zu können. Iscar bietet Werkzeuge für sämtliche Anwendungen an und stellt dabei sicher, dass die Hersteller weiterhin ihr vorhandenes Produktionsequipment einsetzen können.
Fräsen
Iscar hat Vollhartmetallschaftfräser mit scharfen Schneidkanten zum Freiformfräsen entwickelt. Diese Schaftfräser verfügen über verrundete Schneidkanten von maximal 0,01 mm zum Vorschlichten und Schlichten. Darüber hinaus wurden Werkzeuge für die Bearbeitung von sowohl Titan als auch rostfreiem Stahl in Chatterfree-Ausführung (=ungleiche Zahnteilung) entwickelt. Sie besitzen hervorragende vibrationsdämmende Eigenschaften. Durch diese einzigartige Geometrie werden auch unter maximalen Vorschüben hohe Oberflächengüten und Standzeiten erreicht.
Abstechen
Iscars einzigartiges Jet-Cut-System mit 3 und 4 mm Schneideinsätzen in der Feinstkorn-Schneidstoffsorte IC808 erzielt durch die Kühlung durch die Schneide hohe Oberflächengüten und eine verbesserte Standzeit. Die stetige Weiterentwicklung und Verbesserung des bestehenden Produktsortiments ist bei Iscar Standard. So wird gerade eine neue Hochdruckkühlung für die Tang-Grip-Werkzeuge entwickelt, die hoffentlich schon in der nahen Zukunft angeboten werden kann.
Iscars Fokus ist immer auf den Kunden gerichtet – durch kreative Lösungsansätze mithilfe der innovativen Zerspanungswerkzeuge wird dem Kunden durch verbesserte Qualität der Endergebnisse und verkürzte Bearbeitungszeiten zu einem entscheidenden Wettbewerbsvorteil verholfen.
Mit seinem relativ niedrigen Elastizitätsmodul ist Titan elastischer als Stahl, so dass der zu bearbeitende Werkstückstoff dazu tendiert zurückzufedern. Dünnwandige Werkstücke werden unter dem Schnittdruck ausgelenkt, was zu Rattermarken und Toleranzproblemen am Bauteil führt. Die Lösung für diese Probleme ist das gesamte System zu stabilisieren, indem scharfe Schneiden in Kombination mit angepassten Geometrien eingesetzt werden.
Des Weiteren tendieren Titanlegierungen stark dazu, unter Hitzeentwicklung im Zerspanungsprozess chemisch mit den Zerspanungswerkzeugen (besonders bei beschichteten Werkzeugen) zu reagieren und neigen zur Aufbauschneidenbildung.
Das Werkzeug macht den entscheidenden Unterschied
Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass vor dem Hintergrund all dieser neuen Herausforderungen und Möglichkeiten bei der Bearbeitung die Werkzeugkomponente kein Hindernis ist.
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