Laserunterstützte Präzision beschleunigt Medical Machining

Ob klassische Zerspanung oder Hybridprozesse – Medical Manufacturing verlangt Maschinenbauern und Werkzeugmachern alles ab

Bei der Bearbeitung heutiger fein abgestimmter Medizinbauteile sind Geschwindigkeit – um nicht zu sagen Werkzeugstandzeit und Automation – essenziell.

Die stetige Verfeinerung der Medical Machining vom Werkzeugdesign bis zum Fertigteil erfordert nicht nur die Beherrschung eines breiten Spektrums an Kunststoff- und Metallwerkstoffen, sondern auch vorhersehbare Ergebnisse – besonders angesichts strenger Regularien.

Ob reines Drehen und Fräsen oder Hybridprozesse mit Lasern, gekoppelt an Schweizer Systeme, um Schneiden und Schweißen in einer Maschine durchzuführen – Medical Manufacturing verlangt Maschinenbauern und Werkzeugmachern ständige Wachsamkeit ab.

Werkzeugstandzeit und Teilequalität maximieren

Um Medizinbauteile und Features so klein wie Sechslappen in Knochenschrauben zu bearbeiten und dabei Werkzeugstandzeit zu wahren, hat Tsugami/Rem Sales LLC (Windsor, CT) mehrere Maschinen im Portfolio mit kundenspezifischen Speed-Quadrupling-Einheiten ausgestattet.

Standardspindeln an Schweizer Maschinen drehen Lebendwerkzeuge typischerweise mit 6000–8000 rpm, sagt Derek Briggs, Swiss Product Manager bei Tsugami/Rem Sales. „Bei feiner Oberflächenbearbeitung und Fünf-Achs-Konturieren, Gravieren oder Ätzen braucht man extrem hohe Drehzahlen, weil die Werkzeuge sehr klein sind; typischerweise ein 0,125″ [3,175 mm] oder kleinerer Kugelfräser für feines Konturieren, und man schneidet auf Zentrum. Man braucht sehr hohe Spindeldrehzahlen, um die Schnittgeschwindigkeit auf einem für Werkzeugstandzeit und Oberflächenqualität akzeptablen Niveau zu halten.“

Tsugamis Lösung: Ein Anbau mit Getriebeuntersetzung, der die Spindeldrehzahl bis zu vierfach vervielfacht, ohne den Spindelmotor zu überlasten, um optimale Drehzahlen wie 20.000 rpm zu erreichen. Tsugami/Rem Sales kann sogar NSK-America-Hochgeschwindigkeitsspindeln integrieren und bis 80.000 rpm betreiben.

Die meisten Schweizer Drehmaschinen nutzen einen Getriebetrieb, der drei oder vier Spindeln gleichzeitig antreibt, wenn der Motor läuft, sagt Briggs. Mit nur einer modularen Spindel mit reduzierter Übersetzung, die schneller läuft als die anderen, „belastet man die anderen Spindeln nicht. Es ist schön, höhere Spindeldrehzahlen für diese feine Oberflächenbearbeitung und kleine Fünf-Achs-Arbeiten zu bekommen, die der Medizinmarkt immer mehr nachfragt.“

Während ein Standard-Gewindewirbel-Aufsatz den Job erledigt, sollten Hersteller, deren Maschine ausschließlich Knochenschrauben produziert, Keramiklager statt Standard-Stahlrollenlager in Betracht ziehen. Mit Keramiklager kann man die Vorspannung stärker anziehen, das System versteift, hält maximale Spindeldrehzahlen. Keramiklager dämpfen feinste Harmonische und Vibrationen beim Knochenschrauben-Drehen und vertragen die Hitze höherer Drehzahlen, leiten Wärme besser ab.

Bedarf an Geschwindigkeit

Zusätzlich zur Maximierung der Spindeldrehzahlen arbeitet Tsugami/Rem Sales an mehr Schnellwechsel-Funktionalität für Schweizer Zerspanung. Das Unternehmen bietet Lebendwerkzeug-Aufnahmen und Reitstock-Platten mit abnehmbaren Köpfen, die es dem Bediener erlauben, eine Schraube zu lösen, die gesamte ER-Spannzangen-Einheit oder Werkzeugkassette zu entnehmen, Werkzeughöhe außerhalb der Maschine einzustellen und ein vorbereitetes Ersatzteil einzubauen – alles in 30 Sekunden, so Briggs.

Tsugami/Rem Sales entwickelt auch Schnellwechsel-Revolverhalter für seine Revolvermaschinen, zusätzlich zu modularen Werkzeugeinrichtungen für Planfräsen, Winkel-Fräsen und Gewindewirbel-Aufnahmen. „Diese Halter sind darauf ausgelegt, Bedienerfehler zu reduzieren, die zu Maschinenkollisionen oder Werkzeugbruch führen könnten. Das kann auch außerhalb der Maschine an einer Zoller- oder anderen Voreinstellvorrichtung erfolgen.“

Eine Tiefbohranwendung lieferte ein Fallbeispiel für verbesserte Vorschübe und Geschwindigkeiten.

Als Tsugami/Rem Sales ein Hochfrequenz-Augen-Tumor-Entfernungsgerät fertigen musste, waren die Spezifikationen anspruchsvoll: 5″ (127 mm) lang mit 0,06″ (1,52 mm) Bohrung durchgehend. Eingesetzt wurde das hochfrequente pulsierende TriboMAM-System von M4 Sciences.

Das Gerät aus kundenspezifischem Titan funktioniert wie ein Vakuum und saugt nur den Tumor, nicht anderes Weichgewebe, erklärt Briggs. Typischerweise könnte eine Tiefbohrmaschine nur mit weniger als ein Zehntel Zoll pro Umdrehung vorschieben; die Integration von TriboMAM vervierfacht diese Geschwindigkeit, „weil die Oszillation des Werkzeugs Späne in winzige Stücke bricht und Hochdruckkühlmittel sie aus dem Loch extrahiert.“ Insgesamt wurde ein Prozess, der sonst mehrere Minuten gedauert hätte, 75 % schneller abgeschlossen.

Eine weitere Innovation: Low-Frequency Vibration (LFV) Servo-System-Technologie „ist einer der größten Fortschritte in der Bearbeitung zäher Werkstoffe für Medizinbauteile“, sagt Jim Cepican, Show Manager für Zubehörvertrieb bei Marubeni Citizen-Cincom Inc. (Allendale, NJ). LFV verbessert Werkzeugstandzeit, Spankontrolle und Bearbeitung schwer zerspanbarer Materialien.

MCCs L-Serien-Maschinen „werden von der Mehrheit der Medizinhersteller, mit denen wir arbeiten, genutzt“ für schnellere Bearbeitungsgeschwindigkeiten und erweiterte Programmierfähigkeiten, so Cepican. „Die Achszahl ist gestiegen, einschließlich einer B-Achse, die für komplexere Medizinbauteile nötig ist.“

Die L12 ist ein besonders guter Verkäufer für den Medizinmarkt, ergänzt Regional Sales Manager Glen Crews. „Kompakte Baugröße und hohe Spindeldrehzahlen machen sie ideal für Miniatur-Medizinteile. Optionen zur Reduktion der Spindelgröße auf allen Maschinen erleichtern Materialhandling.“

Schnellere Spindeln für Querbearbeitung und Stirnbohren, austauschbar mit Standards spindeln, wurden entwickelt, fügt Crews hinzu. „Da getriebegesteuert, erreichen sie hohe Spindeldrehzahlen mit besserem Drehmoment als elektrische oder luftgetriebene Spindeln, die viele Hersteller nutzen.“

Spindel-Kompetenz

Letztlich ist der Einsatz passender eigenständiger elektrischer oder pneumatisch getriebener Spindeln entscheidend für die Optimierung von Vorschüben und Geschwindigkeiten bei heutigen Medical-Anwendungen, sagt Michael Gabris, Industrial Sales Manager bei NSK America Corp. (Hoffman Estates, IL).

„Man hat vielleicht 20.000 rpm an einer Fräsmaschine, aber mit einem 0,01″ [0,254 mm] Bohrer erreicht man nicht die nötigen Drehzahlen, um ihn ordnungsgemäß zu betreiben. Man bricht das Werkzeug leicht.“

Tatsächlich wird 0,005″ (0,127 mm) zum Standarddurchmesser für VHM-Schaftfräser und Bohrer, ergänzt NSK Product Manager Mike Shea. „Will man 200 sfm fahren, sind das ca. 76.000 rpm bei korrekter Ausführung. Selbst bei Herstellervorgabe 100 sfm sind es knapp unter 40.000 rpm. Unsere Spindeln decken den Bedarf für Mikro- und Nano-Anwendungen ab, die immer häufiger werden.“

Wenn eine NSK-Spindel das Werk verlässt, garantiert sie < 1 µm Rundlauf, sagt Gabris. NSK fertigt auch eigene Präzisionsspannzangen (3–5 µm Genauigkeit) und bietet kostspielige Keramiklager für alle Hochgeschwindigkeitsspindeln an.

Ob an Neumaschinen oder nachgerüstet an Bestandsmaschinen – „unsere Spindeln machen die ganze Arbeit“, sagt Gabris. Bediener „müssen die Hauptspindle sperren und Strom und Druckluft an unsere Spindel legen, oder nur Druckluft bei pneumatisch“, ergänzt Shea. „Die Hauptspindle dreht nicht, also kein Verschleiß. Unsere Spindeln haben keine Getriebe. Durch geringe Luftzufuhr zur Kühlung und Spülung ist 24/7-Betrieb möglich, ohne thermisches Wachstum oder Harmonische. Ideal für konstante Hochleistung.“

Im Gegensatz dazu: Bei rein getriebelastem Speeder-Head sollte dieser nach 20–30 Minuten Nutzung pausieren, um Getriebehitze abzuführen, rät er.

Werkzeugtechnik vorantreiben

Mit Medizinbauteilwerkstoffen von Kunststoffen über Cobalt-Chrom bis Titan hat Sandvik Coromant (Fair Lawn, NJ) seine Werkzeugtechnik in den letzten Jahren erheblich weiterentwickelt.

„Ja, es geht um schnelleres Fertigen und Toleranzen halten“, sagt Patrick Loughney, Product Manager Small Part Machining, „aber auch um Vorhersagbarkeit von Prozess und Werkzeug.“

Bei Wendeplatten: „Wir haben unsere Technologie massiv geändert mit unserer Inveio-Beschichtungsinnovation“, so Loughney – stärkere Substrate, präzisere Schneidenbehandlung, neue Beschichtungsapplikation.

„Wir erkannten, dass die Kristalle in der Beschichtung im alten Prozess zufällig waren – sie schützten nur den Wendeplatten. Jetzt richten wir diese Kristalle in eine Richtung aus, um bessere Werkzeugstandzeit und Verschleißverhalten zu liefern.“ Das erlaubt weniger Maschinenjustierungen und bietet die vorhersagbare Werkzeugstandzeit, die für einen stabilen Zerspanungsprozess kritisch ist. Nach dem Pressen wird die Schneidenvorbereitung auf Mikrometer-Toleranz ausgeführt.

„Wir haben unsere Werkzeuge modifiziert, um verschiedene medizinische Features auszuführen“, fährt er fort. „Unser medizinischer Bohrriegel ist speziell für die Manschette von Knie- und Hüftgelenken gemacht.“

Der CoroMill 316 Wechselkopf-Fräsystem wurde mit erweiterter Schnitttiefe modifiziert, speziell für Knie-Trays, die Implantate tragen.

Sandvik Coromant entwickelte auch spezielle Wendeplatten für Medical-Kunststoffe wie PEEK. „Die meisten Platten sind oben gestrahlt, damit der Kunststoff nicht klebt.“

Im Oktober kommt ein neuer Bohrer speziell für hitzebeständige Materialien in Medical- und Aerospace-Anwendungen als Teil der halbjährlichen Neuerscheinungen.

Sandvik Coromants größte Hürde bleiben Gewindewirbel-Wendeplatten. „Die Mehrheit der Knochenschrauben hat ein spezielles Gewindeprofil“, so Loughney. „Jeder Arzt, der eine Knochenschraube entwickelt, hat seine eigene Signatur-Gewindeform. Wir können da keine Standardplatten verkaufen; alle müssen fallweise speziell geschliffen werden. Wir müssen extrem flexibel im Schleifen dieser Platten sein.“

Laser im Einsatz

Wenn klassische Zerspanung nicht ausreicht, erweitert das Hinzufügen von Lasern die Fertigungsfähigkeiten massiv.

Tsugami/Rem Sales’ LaserSwiss-Maschinenlinie wurde für die Medizinindustrie geschaffen. LaserSwiss kombiniert klassisches CNC-Schweizer-Drehen und Laserschneiden in einer Maschine, erklärt Tina Carnelli, Marketing Manager für Tsugami LaserSwiss. „Damit können Medizinhersteller komplexe Medizinteile wie Stents in einer Aufspannung und einem Teileprogramm fertigen. Kürzlich fügten wir einen zweiten Laserkopf für Schweißen hinzu, um effektiv drei Operationen in einer Maschine zu vereinen.“

Bei Marubeni Citizen-Cincom: „Die Einführung von Laserschneiden und -schweißen auf unseren Maschinen ist eine der bedeutendsten Modifikationen“, sagt Regional Sales Manager Rich Kuhn. „Die Fähigkeit, Zerspanung und Laserschneiden in derselben Maschine durchzuführen, reduziert die Anzahl der Operationen zur Bauteilfertigung massiv. Automation und Laserschweißen geben unseren Medizinkunden zusätzliche Optionen für immer anspruchsvollere Toleranzanforderungen.“

Laser sind seit längerem Standalone-Lösung im Medical Manufacturing. Trumps Portfolio wird breit von Medizintechnikherstellern genutzt – von Laserschweißen und Feinschneiden bis Additive Manufacturing und Lasermarkierung für Rückverfolgbarkeit, so Salay Quaranta, Industry Manager bei Trumpf Inc. (Farmington, CT).

Additive Manufacturing (3D-Druck) eröffnete Trumpf zahlreiche Chancen. „Der Bau diverser Zahnkronen, Brücken und RPDs mit unserem TruPrint 1000 ermöglicht generative Fertigung kleinster Losgrößen-1-Teile und Serien auf der Bauplatte. Mit Multilaser-Option lässt sich Produktion um bis zu 80 % steigern, bei Erhalt der Flexibilität für Kundenaufträge. Selbst komplexe Formen lassen sich schnell und einfach vom CAD-Design in 3D-Metallbauteile mit Top-Qualität umsetzen.“

Diese Designflexibilität unterscheidet Laser von klassischer Zerspanung bei metallischem, schichtweiser Pulverbett-Produktion.

„Durch Nutzung der Designtechniken für 3D-Druck kann ein Hersteller oder Labor ein Bauteil in Near-Net-Shape bauen“, sagt Quaranta. „Sehr wenig Ausschuss im Vergleich zu klassischer Zerspanung, und die Metallurgie ist solide. Hersteller können diese Plattformen nutzen, um diverse Komponenten von Implantaten und Zahnkronen bis Gerüste und Konstrukte für viele Anwendungen zu bauen.“

Mehr Automation bei Sekundäroperationen

Strenge Regularien für jeden Aspekt der Medizinbauteilfertigung und der Bedarf an stabilem, vorhersagbarem Prozess scheinen Automation ideal. Doch diese starre Aufsicht stellt ein Dilemma, so Sandvik Coromants Loughney. Einmal festgelegter Prozess lässt sich extrem schwer und zeit-/kostenineffizient ändern – selbst bei Material- oder Prozessinnovationen in der Pipeline.

„Wir sehen mehr Automation in der Medizintechnikfertigung, aber der Großteil liegt bei Sekundäroperationen, die weniger reguliert sind, wie Entgraten eines Schmiedeteils. Wir sehen neuere Dinge wie Hüftschäfte, die mit Automation gefertigt werden.“

Medizinbauteile werden meist in Losen mit häufigen Wechseln gefertigt – Accountability und Traceability sind paramount. „Etwas so zu automatisieren ist etwas schwerer. Aber es ändert sich; Systeme und Software verbessern sich, sodass es besser trackbar wird.“

Zum Trend Industry 4.0 reagieren Maschinenbauer mit zahlreichen Innovationen.

Auf Wunsch integriert Rem Sales Tsugami-Schweizer-Maschinen mit FANUC-Robotik für Be-/Entladen, Keyence-Visionssystemen für In-Prozess-Messung und Auto-Compensation für automatische Offset-Justierung on-the-fly, so Briggs. „Wir ziehen ein Teil per Roboter vom Förderer, orientieren es und platzieren es in eine Vorrichtung am Messgerät. Liegen gemessene Dimensionen außerhalb Toleranz, kompensiert das Caron Engineering AutoComp-System automatisch in der laufenden Maschine, und der Roboter legt das schlechte Teil in einen separaten Behälter – keine Vermischung mit guten Teilen.“

Für heutige Kunden „können wir nicht einfach eine einzelne Maschine zur Teilebearbeitung liefern“, erklärt MCCs Cepican. „Wir müssen komplette Bearbeitungssysteme liefern. Das umfasst hochtechnische Automationssysteme.“ MCC hat mehrere automatische Be-/Entladesysteme designed – z. B. Systeme, die Rohlinge in Maschinen laden, die per Laser an ein zerspantes Bauteil geschweißt werden.

„Automation ist seit längerem Teil der Medizintechnikfertigung und expandiert basierend auf neuen Anforderungen“, ergänzt George Bursac, General Manager von Star CNC Machine Tool Corp. (Roslyn Heights, NY). „Während Medizinbauteile wie Knochenschrauben, Zahnimplantate, chirurgische Instrumente und zugehörige Komponenten ‚gleich bleiben ohne große Änderungen‘, reagiert unser Team auf neue Herausforderungen, die Fertigungsunternehmen stellen.“