Wie sich die Präzisionsbearbeitung auf die Zukunft der Herstellung medizinischer Geräte auswirkt

von Ralph Zoontjens

15. Juni 2022

10:36

Im Gegensatz zur herkömmlichen Fertigung werden bei der Präzisionsbearbeitung Teile mit einer Genauigkeit im Submikronbereich hergestellt. Für medizinische Anwendungen bringt dies die entscheidenden Vorteile der Miniaturisierung, der individuellen Passform und der hohen Leistung mit sich. Ralph Zoontjens, Produktdesigner mit Spezialisierung auf 3D-Druck, teilt seine Erkenntnisse darüber, wie sich Präzisionsbearbeitung auf die Herstellung medizinischer Geräte auswirkt.

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Industrie 4.0 ist in vollem Gange und immer mehr Unternehmen wagen den Schritt in die digitale Fertigung. CNC-Maschinen zerspanen Material mit rasender Geschwindigkeit und verbesserter künstlicher Intelligenz und Genauigkeit, um sicherzustellen, dass das Produkt den Absichten des Konstrukteurs entspricht.

Mit der Präzisionsbearbeitung ist der Kampf um geometrische Abmessungen und Toleranzen vorbei, da die Teile bis auf den Mikrometer mit dem 3D-Modell übereinstimmen.

Dies ist eine beachtliche Leistung, da Abweichungen häufig bei Teilen derselben Charge sichtbar sind, was zu hohen Ausschussraten und Nichterfüllung der Leistungsanforderungen führt.

Die computergestützte numerische Steuerung (CNC) berücksichtigt keine Wärmeeinflusszonen oder andere mechanische Fehler des 3D-Drucks, was sich besser für Prototypen und präoperative Planungsmodelle eignet. Durch das Mahlen des Materials im Ist-Zustand behält es seine homogenen mechanischen Eigenschaften und erfüllt so höhere Qualitätsstandards.

Präzisionstechnologie ist nicht nur eine schrittweise Verbesserung. Es hat radikale Auswirkungen auf medizinische Anwendungen.

Es ist in der Lage, langlebige Teile herzustellen, die einen Großteil des Lebens am oder im Körper getragen werden können. Bisher unmögliche Lösungen können nun neue Formen der Mikrochirurgie ermöglichen, beispielsweise an embryonalen Säuglingen, Blutgefäßen oder dem Gehirn.

Eine Reihe von Geräten basiert auf Präzisionsbearbeitung:

Insulinpumpen

Defibrillatoren

Herzmonitor-Implantate

Herzschrittmacher

Arzneimittelabgabesysteme

Nierendialysegeräte

Biometrische Tracker

Tragbare Röntgengeräte

MRT-Scanner

Mit Präzisionstechnologie werden Produktgehäuse, Innenarchitektur, Elektronikintegration und Verkabelungslösungen für Ihren biometrischen Tracker oder Ihr digitales Röntgen optimiert. Für Wearables wie Herzmonitorimplantate oder Herzschrittmacher ist ihr minimalinvasiver Formfaktor mit ultradünnwandigem, mikrogeformtem Gehäuse sowohl in Bezug auf Komfort als auch ästhetische Sensibilität bahnbrechend.

Die von ihm hergestellten Instrumente ermöglichen auch robotergestützte Operationen wie Herzklappenoperationen. Und wir erleben ein großes Wachstum bei winzigen Teilen wie Septum, Sensoren, Mikroelektronik, Mikronadeln, Stents und mikrobearbeiteten Schrauben. Dies erfordert natürlich eine große Spezialisierung des Anbieters.

Durch die Präzisionsbearbeitung wird die perfekte Passform für kritische Anwendungen wie Prothesen und Orthesen geschaffen. Dank dieser Technologien fühlen sich die Menschen nicht nur unterstützt, sondern leistungsfähiger.

Die folgenden Ersatzteile werden typischerweise mit mehrachsigen CNC-Maschinen aus Titan oder Kobalt-Chrom mit einigen Kunststoffkomponenten aus Polyethylen, Acryl, Polyethylenterephthalat oder Polyetheretherketon gefräst:

Große Gelenkimplantate für Schulter, Hüfte oder Knie

Implantate für Hand, Knöchel oder Ellenbogen

Kranioplastische Implantate

Wirbelsäulenimplantate

Shunt-Systeme der Gehirn-Rückenmarks-Flüssigkeit

Phakenlinsen

Implantierbare Katheteranschlüsse

Cochlea-Implantate

Basierend auf Körperscans können diese komplexen Lösungen maschinell genau auf die Biomechanik des Patienten abgestimmt werden. Dies steht im krassen Gegensatz zu traditionell handgefertigten Bauteilen. Bei einem präzisionsgefertigten Produkt gibt es kein menschliches Versagen mehr, keine Unzufriedenheit des Patienten und keine zweite Operation.

Fachkräfte wie Chirurgen und Zahnärzte profitieren vom Zugang zur Präzisionsfertigung. Je nach Wunsch können sie nun individuelle Werkzeuge wie Schneidegeräte, Biopsienadeln, Implantathalter, Pinzetten, Vernebler und Klingengriffe entwickeln oder den Roboterassistenten mit maßgeschneiderten Greifern ausstatten.

Zukünftig werden medizinische Fachkräfte digitale Individualisierungs-Apps nutzen, um maßgeschneiderte Komponenten nach Maß, lokal und auf Abruf zu erstellen.

Neben funktionalen Vorteilen gibt es auch soziale Akzeptanzfaktoren – wir bringen Hüfthörgeräte, Gehstöcke und Krücken, dünnwandige maschinell bearbeitete biometrische Ringe und andere tragbare medizinische Geräte für Modebewusste.

Der Schritt von der traditionellen zur Präzisionsfertigung fühlt sich an, als würde man eine Schubkarre in einen Rennwagen verwandeln. Elektrischer Antrieb, ölfreie Ausrüstung verhindert Verunreinigungen sowie partikel- und verbindungsfreies Fügen durch Laserschweißen und Umspritzen.

Die digital gesteuerte, KI-gestützte Steuerungssoftware sorgt für optimale Maßgenauigkeit und ermöglicht so die Umsetzung komplizierter Designmerkmale.

Ein Vorteil gegenüber anderen Verfahren ist die Vielzahl biokompatibler Materialien, die es ermöglicht. Aufgrund der hohen Spindeldrehzahlen sind hierfür für jedes Material sehr spezifische Steuerungsparameter erforderlich. Beispielsweise eignen sich Polypropylen, Polyethylen und Polyoxymethylen am besten für dünnwandige Abschnitte.

Nylon kann ebenfalls verwendet werden, hat jedoch ein kleines Verarbeitungsfenster, während Polycarbonat und PET eine sorgfältige Temperaturkontrolle erfordern. Für Anwendungen mit hoher Festigkeit sollten Sie ein glasfaserverstärktes ABS in Betracht ziehen.

Metallkomponenten in medizinischer Qualität wie Führungsdrähte, Schrauben, Implantate und Brackets bestehen aus Titan, Edelstahl, Aluminium, Kupfer sowie Kovar-, Invar- und Inconel-Legierungen. Nitinol, ein intelligentes Material mit Formgedächtnisverhalten, ist aufgrund seiner Knick- und Ermüdungsbeständigkeit eine zukünftige Option.

Aus Effizienzgründen oder bei komplexen Geometrien wird manchmal ein hybrider Ansatz eingesetzt. Mithilfe des 3D-Metalldrucks können organische interne Gitterstrukturen für Leichtbauteile entwickelt werden, die anschließend per CNC nachbearbeitet werden können.

Geräte wie die Apple Watch verdanken ihr erstklassiges Finish der Kombination von Aluminiumextrusion mit Präzisionsfräs- und Lasergeräten in einem Prozess, der selbst im Inneren des Geräts keine Kanten- und Oberflächengrate hinterlässt.

Bei Silikonteilen wie Membranen, Ventilen und Dichtungen ermöglicht das Mikroformen die Herstellung von Teilen mit einer Größe von nur wenigen Millimetern, wobei alle Details erhalten bleiben, die für bestimmte Strukturzonen erforderlich sind. Und mit optischem Flüssigsilikonkautschuk (LSR) lässt sich eine glasähnliche Transparenz erzielen.

Medizinische Geräte müssen strenge Standards für Haltbarkeit, Sicherheit, Biokompatibilität und Sterilisation sowie wichtige mechanische Anforderungen für Flexibilität, Gleitfähigkeit, Knickfestigkeit und Drehmomentübertragung erfüllen.

Modernste Präzisionsbearbeitung ist in fast allen Fällen der richtige Weg und ermöglicht die volle Kontrolle und eine große Auswahl an Materialien, mit dem Vorteil, ultrapersonalisierte Produkte zu ermöglichen.

von Ralph Zoontjens

15. Juni 2022

10:36