Vermeiden Sie Bearbeitungsfehler

Das Schneiden von Komponenten für die medizinische Industrie ähnelt einer Operation: Der Erfolg ist lohnend, aber die Operation kann schwierig sein. Komplikationen ergeben sich aus anspruchsvollen Teiledesigns und -spezifikationen sowie strengen Anforderungen von Aufsichtsbehörden wie der Food and Drug Administration. Ebenso wie Chirurgen benötigen auch Werkstätten spezielle Kenntnisse, Werkzeuge, Techniken und Praktiken, um medizinische Eingriffe zu einem zufriedenstellenden Abschluss zu bringen.

Eine der größten Herausforderungen für Betriebe, die medizinische Teile bearbeiten, ist der Umgang mit unterschiedlichen Materialien. Beispielsweise wurden Wirbelsäulenimplantate früher aus gängigen Materialien wie Titan und Edelstahl hergestellt, sagte Mike MacArthur, Vizepräsident für Technik bei RobbJack Corp., einem Hersteller von Vollhartmetall-Schneidwerkzeugen in Lincoln, Kalifornien. Heute umfassen die Materialien für diese Implantate jedoch Polymere wie Polyetheretherketon und transparente Optionen, die es Ärzten ermöglichen, durch sie hindurchzusehen, um den Fortschritt der Gewebeheilung zu überprüfen.

„Deshalb entwickeln wir spezielle Geometrien, um diese einzigartigen Materialien zu schneiden“, sagte er.

RobbJack stellt auch Werkzeuge zur Bearbeitung von in Augen implantierten Intraokularlinsen her. Früher bestanden diese Linsen aus hartem, starrem Kunststoff. MacArthur sagte jedoch, dass die Materialien der Wahl heute weiche, biegsame Polymere seien, die es ermöglichten, die Linsen zu falten, wodurch sie leichter in die Augen der Patienten eingesetzt werden könnten.

Für die Bearbeitung von medizinischen Bauteilen kommen maßgeschneiderte Stufen- und Spiralbohrer aus Vollhartmetall mit kleinem Durchmesser von Star Cutter zum Einsatz. Bildquelle von Star Cutter

„Das kommt dem Patienten zugute“, sagte er. „Aber es ist sehr schwierig, dieses weiche, gummiartige Material zu schneiden.“

Um die Anforderungen dieser Anwendung zu erfüllen, stellt RobbJack Werkzeuge im Durchmesserbereich von 0,254 mm (0,01 Zoll) „mit ultrapolierten Oberflächen und ultrascharfen Schneidkanten“ her, sagte MacArthur.

Zu den Metallen, die in den letzten Jahren in der Medizinbranche immer beliebter wurden, zählen das flexible Nitinol und das korrosionsbeständige BioDur. Während die Eigenschaften dieser Materialien in medizinischen Instrumenten und Implantaten nützlich sind, sind sie auch abrasiver als herkömmliche Alternativen, sagte Steve Easterday, Schweizer Anwendungsmanager bei NTK Cutting Tools USA in Wixom, Michigan.

Überlegungen zur Beschichtung

NTK Cutting Tools konzentriert sich auf mehrschichtige physikalische Gasphasenabscheidungs-Werkzeugbeschichtungen für schwer zu schneidende Materialien. Obwohl eine dicke Titannitrid-Beschichtung zum Wirbeln von Titangewinden ausreichen könnte, sagte Easterday, dass sie zum Schneiden von abrasivem BioDur oder Nitinol nicht ausreichen würde.

Für Werkzeuge, die zur Bearbeitung dieser Materialien verwendet werden, „könnten wir eine TiN-Beschichtung auftragen und sie dann mit einer Titanaluminiumnitrid-Beschichtung überziehen, um ihr eine höhere Verschleißfestigkeit zu verleihen“, sagte er.

PVD-Beschichtungen können relativ dick sein, Easterday wies jedoch darauf hin, dass das PVD-Verfahren immer noch dünnere Schichten erzeugt als die chemische Gasphasenabscheidungsbeschichtung. Dadurch eignen sich PVD-Beschichtungen besser für scharfkantige Einsätze, die zum Schneiden kleiner medizinischer Teile benötigt werden.

Beim Drehen winziger Teile ist „Schärfe das A und O, weil Sie weniger Werkzeugdruck und freieres Schneiden wünschen“, sagte er.

Zusätzlich zu den Beschichtungen rät Easterday Werkstätten, die sich mit medizinischer Bearbeitung befassen, besonders auf Vorschübe und Geschwindigkeiten zu achten. Bei der Umstellung vom Schneiden von Titan-Knochenschrauben auf medizinische Teile aus härteren Materialien wie Nitinol und BioDur müssten beispielsweise die Oberflächenfuß pro Minute und die Vorschubgeschwindigkeit geändert werden, um die richtige Wärmemenge in die Späne zu bringen. Beim Drehen von Nitinol empfiehlt er, mit einem sfm und einem Vorschub zu beginnen, der deutlich niedriger ist als bei Titan. Und in manchen Fällen müssen je nach Länge und Durchmesser des Materials sowie der Schnitttiefe die Anfangsparameter im Laufe des Prozesses angepasst werden.

„Bei diesen exotischen Materialien ist nichts wirklich in Stein gemeißelt, wenn es um Vorschübe und Geschwindigkeiten geht“, sagte er. „Man muss da reingehen und es optimieren, um es richtig zu machen.“

Mit fortschreitendem Bearbeitungsprozess neigen die meisten für medizinische Teile verwendeten Materialien zur Kaltverfestigung, sagte Gary McCarel, Anwendungsingenieur bei Star Cutter Co., einem Werkzeughersteller in Farmington Hills, Michigan. Daher sei es wichtig, einen stabilen Prozess zu haben – also einen, bei dem es eine konstante Vorschubgeschwindigkeit gebe. Beispielsweise sollten im Schnitt keine Verweilstellen vorhanden sein.

Bleiben Sie cool

McCarel empfiehlt außerdem „einen stets sauberen Kühlmittelstrom“ zum Schneiden medizinischer Teile.

Darüber hinaus sagte er, dass Betriebe Nachforschungen anstellen sollten, um sicherzustellen, dass sie erstklassige Kühlmittel und solche verwenden, die speziell für die Bearbeitung medizinischer Komponenten entwickelt wurden.

MacArthur wies darauf hin, dass herkömmliche Kühlmittel in einigen Fällen aufgrund strenger Reinheitsstandards für die medizinische Bearbeitung ausgeschlossen werden müssen. Beispielsweise dürfen Implantate möglicherweise nicht mit potenziellen Verunreinigungen in Berührung kommen. In solchen Situationen bestehe eine Möglichkeit darin, sicherzustellen, dass die programmierte Schneidtechnik keine übermäßige Hitze erzeugt. Er schlug beispielsweise vor, dass Werkstätten leichtere statt schwere Schnitte, aber mit schnelleren Vorschubgeschwindigkeiten, durchführen könnten.

Bei medizinischen und anderen Anwendungen trägt ein auf die Schneidkante gerichtetes Hochdruckkühlmittel dazu bei, Späne abzutransportieren und die Werkzeugstandzeit zu verlängern. Bild mit freundlicher Genehmigung von NTK Cutting Tools

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, überkritisches Kohlendioxid zur Kühlung und Schmierung zu verwenden. Überkritisches CO2 ist ein flüssiger CO2-Zustand, der oberhalb seiner kritischen Temperatur und seines kritischen Drucks gehalten wird. Es sieht aus wie ein Gas, ist aber so dicht wie eine Flüssigkeit. Bei der Verwendung als Kühlmittel hinterlässt überkritisches CO2 keine Restverunreinigungen auf medizinischen Teilen, sagte MacArthur, dessen Unternehmen mit Firmen zusammenarbeitet, die überkritisches CO2 zur Bearbeitung medizinischer Teile verwenden.

Überkritisches CO2 „ist nicht die neueste Technologie“, sagte er, „aber sie wird eher für die medizinische Industrie getestet und implementiert.“

Lieferantenoptionen

Eine der größten Fertigungsherausforderungen in der Medizinbranche und anderen Branchen ist die Verkleinerung der Teilegrößen. Als Reaktion darauf beschloss RobbJack, seine Präzisions-Miniaturwerkzeuge für die medizinische Bearbeitung in Schritten von 0,0254 mm (0,001 Zoll) zu lagern, von 0,127 mm (0,005 Zoll) bis 1,5748 mm (0,062 Zoll) Schnittdurchmesser.

Anstatt sich mit einem gemeinsamen Werkzeugdurchmesser zufrieden geben zu müssen, „geben wir unseren Kunden die Möglichkeit, einen Schneiddurchmesser auf den Tausendstel Zoll genau zu wählen“, sagte MacArthur. „Dadurch können sie ihre Prozesse viel besser optimieren.“

Es ermöglicht Benutzern außerdem, sehr schnell präzise Werkzeuge zu erhalten. So müsste beispielsweise ein Zahnarzt nicht darauf warten, dass ein individuelles Werkzeug angefertigt wird, um eine Krone für einen wartenden Patienten herzustellen.

„Wir erleichtern die schnelle Lieferung von Werkzeugen, indem wir sie alle auf Lager haben“, sagte MacArthur.

Obwohl in der medizinischen Bearbeitung üblicherweise standardisierte Werkzeuge eingesetzt werden, ist Star Cutter davon überzeugt, dass die Verwendung kundenspezifischer Werkzeuge, wie sie für medizinische Anwendungen hergestellt werden, wichtige Vorteile bietet.

„Unsere Werkzeuge sind speziell für die Anwendung konzipiert“, sagte Jamie Dunneback, Vertriebsleiter für Rundwerkzeuge. „Wenn Sie also zu einem Unternehmen wie unserem kommen, werden Sie bessere Ergebnisse und einen besseren Durchsatz erzielen.“

Er sagte, dass kleine medizinische Komponenten häufig mit einer Reihe verschiedener standardisierter Werkzeuge bearbeitet werden. Wenn Star Cutter Teile wie diese bewertet, stellt das Unternehmen jedoch häufig fest, dass ein einziges Kombinationswerkzeug die Aufgabe erfüllen kann.

„Wenn man sich Standardsortimente an handelsüblichen Artikeln ansieht, insbesondere bei Mikrowerkzeugen, verfügen (Unternehmen) nicht über diese Kombinationswerkzeuge“, sagte Dunneback. „Das sind alles Werkzeuge mit nur einem Durchmesser.“

So müsste eine Werkstatt beispielsweise drei standardisierte Werkzeuge kaufen, um zwei verschiedene Lochdurchmesser plus eine Fase zu schneiden.

NTK Cutting Tools trägt TiN-Beschichtungen auf Gewindewirbelschneidsysteme auf. Bild mit freundlicher Genehmigung von NTK Cutting Tools

Star Cutter kann jedoch einen Bohrer mit kleinem Durchmesser herstellen, der sowohl Lochdurchmesser als auch die Fase schneiden kann. Dunneback sagte, dass dies einer Werkstatt nicht nur dabei hilft, ihre Zykluszeit zu verkürzen, sondern auch die Qualität der Teile im Hinblick auf die Konzentrizität verbessert, da ein einziges Werkzeug beide Durchmesser schneidet und nicht zwei separate Werkzeuge.

In Situationen, in denen mehrere Teile mit derselben Maschine hergestellt werden, besteht ein weiterer Vorteil der Kombination verschiedener Werkzeuge darin, dass im Revolver Platz für Werkzeuge geschaffen wird, die für andere Aufgaben verwendet werden können.

„Wenn Werkstätten dort zusätzliche Werkzeuge laden können“, sagte Dunneback, „gibt das ihnen die Möglichkeit, eine Maschine für mehrere Teile einsatzbereit zu haben, anstatt die Werkzeuge (für jeden Auftrag) austauschen zu müssen, weil nicht alles reinpasst.“ ursprünglich der Turm.

Empfohlene Vorgehensweise

Auch Betriebe, die medizinische Teile zuschneiden, können von den von McCarel empfohlenen Grundpraktiken profitieren. Dazu gehört, sicherzustellen, dass Werkstück- und Spindelhalterungen stabil sind und dass die Spindeln richtig ausgerichtet sind.

„Bei Vollhartmetallbohrern ist das Verhältnis von Tiefe zu Durchmesser zumeist extrem hoch, sodass sie zerbrechlich sind“, sagte er. „Wenn Sie also ein Ausrichtungsproblem oder eine Bewegung in der Buchse haben, gehen diese Werkzeuge kaputt und Sie erhalten nicht die Lochqualität, die für den Endbenutzer des Teils erforderlich ist.“

Eine weitere wichtige Vorgehensweise besteht darin, sicherzustellen, dass vorbeugende Wartungsarbeiten an Maschinen immer zu geplanten Zeiten durchgeführt werden.

„Als Außendiensttechniker“, sagte McCarel, „haben wir oft gesehen, dass ein Teil und ein Prozess gut laufen, aber plötzlich scheitern sie, weil die Maschine nicht gewartet wurde.“

In solchen Fällen kann es zu einer Beeinträchtigung des Bearbeitungsprozesses kommen. Er sagte beispielsweise, dass runde Buchsen mit der Zeit oval werden könnten und sauberes Kühlmittel durch Schwebeteilchen verunreinigt werden könne.

Aber „das sind Dinge, die verhindert werden können, wenn man über den richtigen Prozess (vorbeugende Wartung) verfügt“, sagte McCarel.

Substanz zum Schleifen, Honen, Läppen, Superfinishen und Polieren. Beispiele hierfür sind Granat, Schmirgel, Korund, Siliziumkarbid, kubisches Bornitrid und Diamant in verschiedenen Körnungen.

Zylindrische Hülse, typischerweise aus hochwertigem Werkzeugstahl, die in eine Spannvorrichtung eingesetzt wird, um Schneidwerkzeuge zu führen. Es gibt drei Haupttypen: erneuerbare, die in Auskleidungen verwendet werden, die wiederum in der Vorrichtung installiert werden; einpressbar, für Kleinserien direkt in die Vorrichtung eingebaut; und Liner (oder Master), dauerhaft in einer Vorrichtung installiert, um erneuerbare Buchsen aufzunehmen.

Hochtemperatur- (1.000 °C oder höher), atmosphärenkontrollierter Prozess, bei dem eine chemische Reaktion induziert wird, um eine 2 µm bis 12 µm dicke Beschichtung auf der Oberfläche eines Werkzeugs abzuscheiden. Siehe beschichtete Werkzeuge; PVD, physikalische Gasphasenabscheidung.

Flüssigkeit, die den Temperaturaufbau an der Schnittstelle zwischen Werkzeug und Werkstück während der Bearbeitung reduziert. Liegt normalerweise in Form einer Flüssigkeit vor, z. B. einer löslichen oder chemischen Mischung (halbsynthetisch, synthetisch), kann aber auch Druckluft oder ein anderes Gas sein. Aufgrund der Fähigkeit von Wasser, große Mengen an Wärme zu absorbieren, wird es häufig als Kühlmittel und Träger für verschiedene Schneidpasten verwendet, wobei das Wasser-zu-Massen-Verhältnis je nach Bearbeitungsaufgabe variiert. Siehe Schneidflüssigkeit; halbsynthetische Schneidflüssigkeit; Schneidflüssigkeit mit löslichem Öl; synthetische Schneidflüssigkeit.

Abstand zwischen der Unterseite des Schnitts und der ungeschnittenen Oberfläche des Werkstücks, gemessen in einer Richtung im rechten Winkel zur bearbeiteten Oberfläche des Werkstücks.

Verhältnis der Tiefe eines Lochs zum Durchmesser des zur Herstellung des Lochs verwendeten Werkzeugs.

Geschwindigkeit der Positionsänderung des Werkzeugs als Ganzes relativ zum Werkstück während des Schneidens.

Der Werkzeugbeschichtungsprozess wird im Vergleich zur chemischen Gasphasenabscheidung (1.000 °C) bei niedriger Temperatur (500 °C) durchgeführt. Verwendet ein elektrisches Feld, um die erforderliche Wärme zum Auftragen einer Beschichtung auf die Oberfläche eines Werkzeugs zu erzeugen. Siehe CVD, chemische Gasphasenabscheidung.

Der Werkzeugbeschichtungsprozess wird im Vergleich zur chemischen Gasphasenabscheidung (1.000 °C) bei niedriger Temperatur (500 °C) durchgeführt. Verwendet ein elektrisches Feld, um die erforderliche Wärme zum Auftragen einer Beschichtung auf die Oberfläche eines Werkzeugs zu erzeugen. Siehe CVD, chemische Gasphasenabscheidung.

Wird oft als Werkzeugbeschichtung verwendet. AlTiN zeigt an, dass der Aluminiumgehalt höher ist als der Titangehalt. Siehe beschichtete Werkzeuge.

Wird zu Titankarbid-Werkzeugen hinzugefügt, um die Bearbeitung von Hartmetallen mit hohen Geschwindigkeiten zu ermöglichen. Wird auch als Werkzeugbeschichtung verwendet. Siehe beschichtete Werkzeuge.

Wird zu Titankarbid-Werkzeugen hinzugefügt, um die Bearbeitung von Hartmetallen mit hohen Geschwindigkeiten zu ermöglichen. Wird auch als Werkzeugbeschichtung verwendet. Siehe beschichtete Werkzeuge.

Das Werkstück wird in einem Spannfutter gehalten, auf einer Planscheibe montiert oder zwischen Spitzen befestigt und gedreht, während ein Schneidwerkzeug, normalerweise ein Einschneidewerkzeug, entlang seines Umfangs oder über sein Ende oder seine Fläche in das Werkstück eingeführt wird. Dies erfolgt in Form eines geraden Drehens (Schneiden entlang der Peripherie des Werkstücks); Kegeldrehen (Erzeugung eines Kegels); Stufendrehen (Drehen unterschiedlich großer Durchmesser am gleichen Werkstück); Anfasen (Abschrägen einer Kante oder Schulter); zugewandt (ein Ende abschneiden); Drehgewinde (normalerweise extern, können aber auch intern sein); Schruppen (großer Metallabtrag); und Endbearbeitung (letzte Lichtschnitte). Wird auf Drehmaschinen, Drehzentren, Spannmaschinen, Schraubautomaten und ähnlichen Maschinen durchgeführt.

Fähigkeit des Werkzeugs, Belastungen standzuhalten, die beim Schneiden zu Verschleiß führen; ein Attribut, das mit der Legierungszusammensetzung, dem Grundmaterial, den thermischen Bedingungen, der Art der Werkzeug- und Betriebsweise und anderen Variablen verknüpft ist.

William Leventon ist Redakteur der Zeitschrift Cutting Tool Engineering. Kontaktieren Sie ihn telefonisch unter 609-920-3335 oder per E-Mail unter [email protected].

NTK Cutting Tools USA248-668-0100www.ntkcuttingtools.com/us

RobbJack Corp.844-342-0222www.robbjack.com

Star Cutter Co.248-474-8200www.starcutter.com