Komplexe Fertigungsmethoden für die Medizintechnik

Dec 25, 2023

Viele produzierende Unternehmen erweitern ihre Produktportfolios und Serviceangebote, um eine breitere Kundenbasis zu gewinnen. Dadurch werden produzierende Unternehmen unabhängiger von Branchen wie der Automobil- oder der Luft- und Raumfahrtindustrie. Ein Beispiel für eine solche Marktexpansion ist die Medizintechnik, die jedoch vielfältige Herausforderungen mit sich bringt.

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Die Metav 2022, Internationale Ausstellung für Metallbearbeitungstechnologien, spiegelt die Bedeutung der Medizintechnikbranche wider, indem sie ihr einen eigenen Bereich widmet. Vom 8. bis 11. März 2022 geben Forscher und Experten der in Düsseldorf ausstellenden Unternehmen praktische und theoretische Einblicke.

„Die dynamische Entwicklung der Medizintechnik ist unaufhaltsam. Die Anforderungen an Hersteller – und damit auch an deren Zulieferer – steigen stetig. Produkte für den Einsatz im menschlichen Körper werden kleiner, minimalinvasiver, präziser, sicherer und besser.“ toleriert“, sagt Markus Horn, Geschäftsführer von Paul Horn in Tübingen. Dies sind nur einige der Anforderungen, denen sich Hersteller von Medizinprodukten täglich stellen müssen. Als Hersteller von Werkzeugen ist Paul Horn für diese Herausforderungen bestens gerüstet und entwickelt ständig neue Werkzeuglösungen und Fertigungsstrategien für die Medizintechnikbranche: vom Mikrofräser für die Herstellung sensibler Titan-Wirbelsäulenimplantate bis zum Nutwerkzeug für die Medizintechnik Aluminium-Pumpengehäuse einer Herz-Lungen-Maschine.

Horn baut sein Know-how im Bereich medizinischer Werkzeugtechnologien kontinuierlich aus. Ein gutes Beispiel hierfür ist die Wirbeltechnik. Hohe Zerspanungsraten, lange Gewinde mit hoher Oberflächengüte, tiefe Gewindeprofile, kurze Metallspäne, mehrgängige Gewinde und geringe Werkzeugbelastung sind wesentliche Vorteile des Wirbelverfahrens. Diesen stehen jedoch verschiedene technische Herausforderungen gegenüber. Ein wichtiger Aspekt sind die Materialien, die bei Knochenschrauben in Implantaten verwendet werden. Bei der Bearbeitung von Titan, Edelstahl und anderen Superlegierungen sind die Schneidkanten der Wirbelplatten sehr hohen Belastungen ausgesetzt. Horn entwickelt seine Technologie ständig weiter, um dem Schneidenverschleiß bei hohen Zerspanungsleistungen und kurzen Bearbeitungszeiten entgegenzuwirken. Markus Horn: „Medizintechnik wird auch für uns auf der Metav 2022 in Düsseldorf eine zentrale Rolle spielen. Wir zeigen nicht nur Wirbelprodukte, sondern auch unsere Lösungen für die Herstellung von Implantaten, medizinischen Instrumenten und Geräten.“

Prof. Oliver Riedel und Prof. Alexander Verl, Direktoren am Institut für Steuerungstechnik von Werkzeugmaschinen und Fertigungssystemen (ISW) der Universität Stuttgart: „Unsere Aufgabe als Ingenieure ist es, Technologien zu entwickeln, die dem Menschen dienen.“ Die Medizintechnik spielt mit eine ganz besondere Rolle.“ Bioprinting beispielsweise ist eine neuartige Technologie. Sein Zweck besteht darin, biologische Gewebestrukturen herzustellen, um erkranktes Patientengewebe zu ersetzen. Am ISW wird derzeit an einer 3D-Druckanwendung zur Heilung von Arthrose im Knie mithilfe personalisierter Knorpelimplantate geforscht. Die Forscher machen sich die Tatsache zunutze, dass sich mit der additiven Fertigung komplexe Bauteile herstellen lassen, deren innere Strukturen durch abgestufte Materialzusammensetzungen definiert werden können.

Am ISW (Teil der WGP – Vereinigung führender Wissenschaftler der Branche) wird eine durchgängige Prozesskette von der MRT-Untersuchung des Knies des Patienten bis zum fertigen personalisierten Implantat entwickelt. Aus den Scandaten wird eine Ersatzgeometrie für den defekten Abschnitt generiert. Mit dieser Geometrie lassen sich räumlich gekrümmte Bahnen für den Druckprozess berechnen. Das NC-Programm wird dann auf einem 7-Achs-Drucksystem ausgeführt. Ein speziell entwickelter Druckkopf wurde mit einer CNC-Steuerung mit echtzeitfähiger Vorsteuerung gekoppelt. Es kompensiert das nichtlineare Nachlaufverhalten des extrusionsbasierten Druckverfahrens. Das Material besteht aus einer methacrylatmodifizierten Gelatinelösung, die mittels UV-LEDs ausgehärtet wird. In einem Bioreaktor gezüchtete Zellkulturen werden vor der Implantation im Knorpeläquivalent gelöst. Die Biomaterialien werden am Institut für Grenzflächenverfahrenstechnik und Plasmatechnik (IGVP) und am Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik (IGB) in Stuttgart entwickelt. Die Metav 2022 widmet den beiden Zukunftsfeldern Medizin und Additive Fertigung jeweils eigene Bereiche.

Messen verschoben

Metav 2022 findet gemeinsam mit Wire and Tube statt

Abutments, Titanklebebasen sowie Labor- und Implantatschrauben sind komplexe Drehteile, die in zahlreichen Varianten erhältlich sind oder in großen Stückzahlen hergestellt werden müssen. Dies wiederum bedeutet ein häufiges Umrüsten der Drehmaschinen. Hier bringt ein Werkzeugverwaltungssystem bestehend aus Schrumpfspannzangen und einem Schrumpf- und Voreinstellgerät vielfältige Vorteile mit sich. Diese Kombination gewährleistet eine besonders hohe Genauigkeit, aber auch eine schnelle und sichere Werkzeugvoreinstellung. „Beim Einrichten der Maschine lassen sich pro Werkzeug rund acht Minuten einsparen“, argumentiert Haimer aus Igenhausen, das Komplettpakete entsprechender Lösungen anbietet. Der europäische Hersteller von Werkzeugspanntechnik bietet Schrumpfspannzangen an, die im Gegensatz zu herkömmlichen ER-Spannzangen einen schnellen und einfachen Werkzeugwechsel ermöglichen und sich durch ihre Rundlaufgenauigkeit auszeichnen. Sie tragen dazu bei, Vibrationen zu reduzieren, was wiederum die Oberflächenqualität und Werkzeugstandzeit optimiert.

Für den Schrumpfvorgang verfügt Haimer über ein Gerät, dessen horizontale Bauweise die Handhabung insbesondere kleiner Werkzeuge ermöglicht. Das Schrumpfgerät lässt sich einfach über ein 7-Zoll-Touchdisplay und eine intuitive Software bedienen – und ist in der i4.0-Version für die digitale Integration in das Produktionssystem ausgestattet. Für die Werkzeugvoreinstellung empfiehlt Haimer ein weiteres Produkt. Es bietet eine vollautomatische Werkzeugvermessung absolute Bedienerunabhängigkeit und praktisch ohne Vorkenntnisse und Erfahrung einsetzbar. Das Gerät ermöglicht zudem die digitale Übertragung der Messdaten an die Drehmaschine – entweder über die integrierten Postprozessoren oder per QR-Code und Scanner.

Das Unternehmen Anton Betzler aus Tuttlingen nutzt bei der Herstellung filigraner chirurgischer Instrumente die Effizienz des flexiblen, stationären Baukastensystems von Schunk zum Aufspannen und Rüsten auf 5-Achs-Bearbeitungszentren. Die Komponenten der Mikroscheren und Skalpelle werden zunächst maschinell gefertigt und anschließend in feiner Handarbeit von Hand nachbearbeitet. Hier kombiniert Betzler ein Nullpunktspannsystem mit zwei Handspannern aus dem Schunk-Programm. Diese Zwingen werden komplett mit passenden Spannpaletten geliefert. Die Spannkraft in den Schraubstöcken lässt sich je nach Bedarf einstellen und verhindert so eine Verformung der dünnen Schmiedeteile. Das mittelständische Familienunternehmen hat alle Maschinen mit jeweils zwei Nullpunktspannmodulen ausgestattet und sorgt so für eine schnelle Montage jeder Spannvorrichtung. Beim Rüstvorgang wird die gesamte Klammer (inkl. Palette) gewechselt. Dies ist einfacher und schneller als der alleinige Wechsel der Spannbacken. Dies hilft, Engpässe zu vermeiden und die Lieferzeiten zu verkürzen. Die Wechselwiederholgenauigkeit von < 0,005 mm gewährleistet eine hohe Präzision.

Doch noch mehr Genauigkeit ist möglich: Ein neu entwickelter Kleinteilespanner mit Backenschnellwechselsystem lässt sich schnell und komplett ohne Spezialwerkzeug wechseln. Aufgrund der Zugänglichkeit eignet es sich besonders für die 5-Seiten-Bearbeitung. Trotz seiner kompakten Abmessungen bietet er hohe Spannkräfte bis maximal 16 Kilonewton. In Kombination mit einem extrem flachen Nullpunktspannsystem wird der Maschinenraum bei kleinen Werkzeugmaschinen optimal ausgenutzt. „Unser Baukastensystem bietet Anwendern maximale Flexibilität und hilft ihnen, ihre Rüstzeiten zu minimieren“, fasst Markus Michelberger, Vertriebsleiter Spanntechnik bei Schunk, zusammen. „Wir freuen uns, unsere Expertise auf der Metav 2022 unter Beweis zu stellen.“

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