Maßarbeit für Prothesen – Finish-Bearbeitung additiv gefertigter Bauteile für die Medizintechnik

Werkzeuge fürs Leben

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Einerseits ist die lange Lebensdauer eine grundlegende Leistungsanforderung an die Qualität von Präzisionswerkzeugen. Andererseits können Werkzeuge auch dazu beitragen, die Lebensqualität von Menschen zu steigern, nämlich durch maßgeschneiderte Bearbeitung persönlicher Körperteile, wie zum Beispiel Hüft- oder Knieprothesen.

Autor: Dr. Diethard Thomas, LMT Consultant

Die Konstruktion und Herstellung von Prothesen ist nicht einfach. Sie müssen höchste Belastungen aushalten und lange Zeit fehler- und schmerzfrei funktionieren. Es handelt sich dabei um Hightech-Implantate, deren Funktion nicht nur vom Können des Chirurgen abhängt, sondern ganz entscheidend auch von der Qualität der spanenden Bearbeitung, die höchste Anforderungen an Werkzeuge und Prozesse stellt. Dabei muss der Fokus auf neuen Werkstoffen, innovativen Fertigungsverfahren und entsprechend maßgeschneiderten Werkzeugsystemen liegen.

Die Knieprothese besteht im Wesentlichen aus drei Teilen: Dem Oberteil (Femur), dem Unterteil (Tibia) und einer Kunststoffscheibe als Verbindungselement von Ober- und Unterteil. Ober- und Unterteil werden entweder aus den Werkstoffen Titan (TiAl6V4) oder einer CoCrMo-Legierung gefertigt. Ein Titan-Implantat ist vergleichsweise leichter bei hoher Festigkeit, aber auch teurer. Generell müssen diese Werkstoffe für die Medizintechnik hohe Korrosionsbeständigkeit, Biokompatibilität und möglichst geringe thermische Ausdehnung besitzen.

Die Kunststoffscheibe wird aus Kunststoff (Polyethylen) hergestellt und nimmt stoßartige Belastungen des Gelenks auf. Außerdem vermindert sie die Reibung. Damit wird schon klar, dass die erzeugte Rautiefe an allen Bewegungsflächen der Prothese einen entscheidenden Einfluss auf die Lebensdauer hat. Aus diesem Grund findet bei den metallischen Teilen nicht nur eine finale Bearbeitung mit Fräswerkzeugen statt, sondern oftmals noch ein Schleif- und Poliervorgang.

Im Gegensatz dazu wird von den anderen Flächen, die nicht kinematisch miteinander in Verbindung stehen, eine ganz andere Oberflächenbeschaffenheit gefordert. Diese muss eine größere Rauigkeit beziehungsweise eine mikrostrukturierte Oberfläche aufweisen, um eine optimale Haftfähigkeit mit dem Knochengewebe nach dem Einwachsen der Prothese zu erreichen. Wenn möglich, sollte beim Fräsen dieser Flächen auf Kühlmittel verzichtet werden, um ein Zusetzen der Metallporen durch Verkleben zu vermeiden. Zusätzlich werden diese Flächen nach dem Fräsen noch gestrahlt.

Durch Verzicht auf Kühlmittel entsteht allerdings noch mehr Wärme, die möglichst nicht in das Werkstück und auch nicht in das Werkzeug fließen soll. Sie muss mit den Spänen abgeführt werde. Dafür sind neben maßgeschneiderten Werkzeugbeschichtungen mit geringer Wärmeleitfähigkeit auch geeignete Schnittwerte zu wählen.

Finish-Bearbeitung additiv gefertigter
Prothesen

Die Ober- und Unterteile von Knieimplantaten wurden bisher durch die Fertigungsverfahren Gießen oder Schmieden hergestellt mit anschließender, spanender Fertigbearbeitung. Inzwischen kommt zur Vorbearbeitung auch das additive Fertigungsverfahren 3D-Druck zur Anwendung. Dabei werden dreidimensionale Werkstücke schichtweise aus pulverförmigem Material aufgebaut. Der Aufbau erfolgt aus CAD/CAM-Daten. Verarbeitet werden Kunststoffe oder Metalle, die gleichzeitig auch eine Aushärtung erfahren. Auch Bauteile aus Titan eignen sich heute besonders für dieses Verfahren. Sie weisen ein homogenes, dichtes Gefüge auf, welches durch eine angepasste Wärmebehandlung in den gewünschten Zustand gebracht werden kann.

Zu den wesentlichen Anwendervorteilen des additiven Verfahrens gehören Flexibilität und Schnelligkeit, besonders bei der Herstellung komplizierter Bauteile mit integrierten Funktionen. Zusätzliche Möglichkeiten, wie zum Beispiel Material- und Gewichtseinsparung durch Hohlräume in den Bauteilen bzw. durch Vermeidung von Spänen, generieren weitere Vorteile.

Allerdings hat das 3D-Druckverfahren zum heutigen Zeitpunkt nicht nur Vorteile. Beispielsweise reicht die erzeugte Qualität besonders für funktionale Werkstückoberflächen noch nicht aus und es bedarf einer finalen Fräsbearbeitung.

Zur Schrupp- und Schlichtbearbeitung der abgerundeten Außenkonturen des Knieimplantat-Oberteils wurden bisher VHM-Kugelschaftfräser HSC-line mit einem Durchmesser 10 mm eingesetzt. Die Kontur wurde zeilenförmig bearbeitet. Die Fräsparameter und die erzielte Oberflächenqualität erfüllten zwar die Anforderungen, allerdings sollten die Bearbeitungszeit und damit auch die Kosten noch deutlich reduziert werden.

Die Anwendungsexperten von LMT Tools sahen hier eine Möglichkeit in einer für diesen Fall maßgeschneiderte Lösung und präsentierten dem Anwender nun Formfräser von LMT Fette mit konvexen, also nach innen gewölbten Schneiden. Der Radius dieser Wölbung entspricht der Außenkontur des Werkstücks. Dadurch konnte das langsamere Abzeilen mit einer Fräserstellung senkrecht zur Vorschubrichtung durch einen ganzheitlichen Abtrag über die gesamte Kontur ersetzt werden, mit einer Fräserstellung parallel zur Vorschubrichtung. Und das Ergebnis kann sich sehen lassen. Die Fräszeit zum Schruppen und Schlichten konnte von bisher 45 Minuten auf 2,5 Minuten reduziert werden. Die Fertigungskosten reduzierten sich dadurch um 85 %.

Für diese Arbeitsgänge wurden Schrupp- und Schlichtwerkzeuge mit einem Nenndurchmesser von 16 mm eingesetzt. Die Schruppwerkzeuge haben 4 Schneiden mit Spanteilerprofil. Die Schlichtwerkzeuge besitzen 7 Schneiden.

Schruppbearbeitung der Kniescheibe

Eine weitere Fräsoperation bestand in der Erzeugung einer Ausfräsung im Oberteil. Diese wird mit einem VHM-Schaftfräser DHC Hardline von LMT Fette in einer helixförmigen Vorschubbewegung durchgeführt. Die Schruppbearbeitung der Kniescheibe aus Kunststoff erfolgte mit einem 4-schneidigen VHM-Schaftfräser von LMT Onsrud. Zum Schlichten der Scheibe kam ein monokristalliner Diamantfräser von LMT Kieninger zum Einsatz.

Die beschriebenen Werkzeuge werden mit jeweils angepassten Frässtrategien präzisiert: Die Fräswege und Schnittwerte sind sowohl auf den zu bearbeitenden Werkstoff als auch auf die geometrischen Besonderheiten des Bauteils ausgerichtet.

Additive Fertigungsverfahren im Einsatz

Interessant ist auch die Fertigbearbeitung des unteren Teils der Knieprothese. Dieses Teil wird heute auch mit additiven Fertigungsverfahren hergestellt. Zur Bearbeitung der runden Außenkontur und der Planfläche, die später die Kunststoffscheibe aufnimmt, kommen dann ebenfalls VHM-Schaftfräser DHC Hardline zum Einsatz. Zur Reduzierung der Schwingungsneigung und damit zur Verbesserung von Qualität und Werkzeugstandzeit sind die Schneiden mit unterschiedlichen Drallwinkeln von 35 und 38° ausgebildet. Daher die Bezeichnung DHC (Different Helix Cutter). Zur weiteren Stabilitätssteigerung ist eine kurze Werkzeugausführung gewählt worden. Die Fräsbearbeitung dieses Bauteils durch Schruppen und Schlichten führte zu einer gesamten Kostenreduzierung von 64 %.

Im unteren Teil der Knieprothese befindet sich auch ein Gewinde als Voraussetzung für eine lösbare Verbindung mit einem Schaft, der später im Unterschenkel verankert wird. Abhängig von der geforderten Gewindequalität lassen sich die Gewinde aber noch nicht in jedem Fall komplett drucken und es besteht noch Entwicklungsbedarf. In dem hier beschriebenen Beispiel wurde zunächst die Kernlochbohrung additiv hergestellt. Dann folgte das Gewindeschneiden mit dem modularen Gewindebohrer X-Change von LMT Fette.

Das besondere Konstruktionsmerkmal dieses Werkzeugs ist, dass es aus zwei Funktionsteilen besteht: einem Schneidenteil aus Hartmetall und einem Stahlschaft. Beide Teile sind lösbar miteinander verbunden. Hier wird die Verschleißfestigkeit des Hartmetalls mit der Zähigkeit des Stahles kombiniert. Bei Standzeitende muss lediglich der Schneidenteil ausgetauscht werden. Letztlich trägt auch diese wirtschaftliche Lösung zur Kostensenkung in der Fertigung bei.

LMT Tool Systems GmbH & Co. KG
www.lmt-tools.de


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