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Hüftgelenke aus Titan präzise fertigen

Trochoid-Fräser sorgt für sehr hohe Oberflächenqualität bei künstlichen Gelenken
Nur das Beste für die Hüfte

Hüftoperationen gehören in Deutschland zu den häufigsten chirurgischen Eingriffen. In vielen Fällen implantieren die Ärzte dabei ein künstliches Hüftgelenk. Die künstlichen Gelenke, die bei den meist minimalinvasiven Operationen implantiert werden, sind hauptsächlich aus Titanlegierungen gefertigt. Sowohl der verwendete Werkstoff, als auch die besonderen Standards der Medizinindustrie sind bei der Bearbeitung besonders anspruchsvoll.

Titan weist eine sehr gute Bioverträglichkeit auf und hat auch unter feuchten Bedingungen, unter anderem in Körperflüssigkeiten, eine exzellente Dauerfestigkeit. Darüber hinaus ist der Werkstoff korrosionsbeständig auch in oxidierenden Medien.

Für künstliche Hüftgelenke, bestehend aus Hüftschaft und Kopf, stehen verschiedene Varianten in unterschiedlichen Größen zur Verfügung, aus denen je nach individuellen Bedürfnissen und dem Schädigungsgrad des Gelenks, ausgewählt wird. So besteht beispielsweise die Möglichkeit, das künstliche Gelenk einzuzementieren oder man greift auf die zementfreie Implantattechnologie zurück. Hierbei wird der Hüftschaft zum Teil poliert und zum Teil beschichtet. Die Beschichtung bewirkt, dass das Gelenk von selbst einwächst.

Herausforderungen an die Zerspanung

Ein Hersteller von künstlichen Hüftgelenken war für die Zerspanung seiner Hüftschäfte, von denen er bis zu 2000 jeden Monat fertigt, zur zementfreien Implantierung auf der Suche nach einem neuen Werkzeugpartner. Sowohl der verwendete Werkstoff, die hochfeste Titanlegierung TiAl6V4, als auch die besonderen Standards der Medizinindustrie sind bei der Bearbeitung besonders anspruchsvoll.

Die Hüftschäfte werden vorgeschmiedet. Dabei entsteht ein Schmiedegrat, der eine nachträgliche Bearbeitung, ein Besäumen der Kontur, erforderlich macht. Wurde dies früher händisch erledigt, wird heute hauptsächlich gefräst. Neben dem Besäumen der Außenkontur muss die Bauteiloberfläche geschruppt und geschlichtet werden.

Bisher setzte der Hersteller dabei auf Fräswerkzeuge eines Wettbewerbers. Mit diesen erreichte er allerdings nicht die geforderte Oberflächenqualität und den Mittenrauhwert von Ra = 0,8 µm. Nach dem Fräsvorgang musste deshalb aufwendig geschliffen werden. An Mapal wurde deshalb die Aufgabe gestellt, ein Werkzeug zu liefern, um die Kontur zu besäumen sowie die Oberfläche zu schruppen und zu schlichten. Und jede Welligkeit der Oberfläche, wie sie bisher an der Tagesordnung war, zu verhindern. Einige Bereiche des Hüftschafts werden von Hand poliert. Bei der Fräsbearbeitung muss aus diesem Grund die geschlichtete Oberfläche so erzeugt werden, dass nach dem Polieren mit einem maximalen Materialabtrag von 10-20 µm die finale Oberfläche und die definierte Kontur erreicht werden.

Besäumen, Schruppen und Schlichten

Mit dem beschichteten VHM-Fräser Opti-Mill-Titan-Trochoid im Durchmesser 12 mm lieferte Mapal ein optimiertes Werkzeug für diese Anwendung. „Der Kunde setzt denselben Fräser sowohl zum Besäumen als auch zum Schruppen und Schlichten ein“, sagt Matthias Schmidt, Produktspezialist bei Mapal für Werkzeuge aus Vollhartmetall. Eine besonders ausgeführte Ungleichteilung (EU-Teilung) der fünf Schneiden des Fräsers in Kombination mit einer innovativen Geometrieauslegung des Schneidkeils reduziert die Schwingungsanregung.

Eine während des Herstellungsprozesses vorgenommene Auswuchtung (Wuchtgüte 2,5) senkt das Vibrationsrisiko zudem. Die Geometrie des Fräsers ist zudem so ausgelegt, dass die Zerspankräfte reduziert sind und die thermomechanische Belastung niedrig bleibt. Das ist umso wichtiger, da Titan eine schlechte Wärmeleitfähigkeit aufweist und die entstehende Bearbeitungswärme am Eingriffsbereich des Werkzeugs bleibt. Der Fräser ist deshalb mit einer temperaturbeständigen PVD-Beschichtung versehen.

Für die Bearbeitung ist neben Geometrie und Beschichtung auch die maschinenseitige Kühlung ein wichtiges Element. Bei der Bearbeitung kommt daher ein spezieller Kühlschmierstoff zum Einsatz, um zusätzlich ein Überhitzen des Systems zu verhindern. Denn bei Überhitzung neigt Titan zum Verschweißen mit dem Werkzeug.

Fräser überzeugt in der Praxis

Der Hüftschaft wird im Gleichlauf mit einer Schnittgeschwindigkeit von 120 m/min und einer Vorschubgeschwindigkeit von 1400 mm/min geschruppt. Dabei wird Material bei einer Schnitttiefe von 12 mm (ap) und einer radialen Zustellung von 1 mm (ae) abgetragen. Beim Schlichten wird ebenfalls mit einer Schnitttiefe von 12 mm (ap) Material abgetragen, allerdings bei einer radialen Zustellung von lediglich 0,2 mm (ae). Gearbeitet wird in diesem Fall mit einer Schnittgeschwindigkeit von 90 m/min und einer Vorschubgeschwindigkeit von 500 mm/min.

Die Bearbeitung mit dem Fräser überzeugt auch den Kunden. „Die Oberflächenanforderungen werden prozesssicher erfüllt, weder Fräsmarkierungen werden sichtbar, noch treten Schwingungen auf“, freut sich Schmidt. So spart der Kunde in der Folgebearbeitung das händische Schleifen. Zudem konnten im Vergleich zum Werkzeug des Wettbewerbers die Arbeitswerte erhöht und damit die Bearbeitungszeit gesenkt werden.

Die Schnittgeschwindigkeiten beim Schruppen und beim Schlichten liegen mit dem Werkzeug um 70 und 30 Prozent höher, die Vorschubgeschwindigkeiten um 40 und 25 Prozent. Der Kunde ist mit dem Fräser so zufrieden, dass er sie neben den Hüftgelenken auch für die Bearbeitung seiner Knochenplatten einsetzt.

Mapal Dr. Kress KG
www.mapal.com



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