Präzisions-Medizintechnik-Zerspanung meistern: 8 essenzielle Techniken für Titan, Cobalt-Chrom & Edelstahl

Erfahren Sie die bevorzugten Techniken für die Bearbeitung von medizinischem Titan, Cobalt-Chrom und nickelhaltigen Edelstahllegierungen.

Knochenschrauben, Fixationsplatten, Hüft- und Knieimplantate – das sind nur einige der anspruchsvollen Medizinteile, denen Zerspaner täglich begegnen. Nicht nur sind die Geometrien komplex und Toleranzen eng, die Werkstoffe machen selbst den ehrgeizigsten Zerspaner oft bereuen, Überstunden zugesagt zu haben.

Leichter wird es nicht: Medizintechnik-Unternehmen und ihre metallurgischen Partner entwickeln kontinuierlich neue, innovative Werkstoffe – Ti-6Al-4V ELI (extra-low interstitials), Phynox, MP35N und eine Vielzahl proprietärer Legierungen.

Die meisten dieser Materialien fallen in die Kategorie hitzebeständiger Superlegierungen (HRSA). Übersetzt: Diese Metalle fühlen sich im Wirbelkörper ebenso wohl wie im glühend heißen Gasturbinenschacht.

Schneidwerkzeuge verschleißen schnell, Kerbverschleiß an der Schnitttiefenlinie ist häufig. Aufbauschneiden (BUE) – ein Metallklumpen, der sich auf der Werkzeugschneide festsetzt und beim Abbrechen meist die Schneide ausmeißelt – sind ebenfalls ein häufiges Problem.

Schneidwerkzeughersteller stellen sich der medizinischen Herausforderung

Die gute Nachricht: Werkzeughersteller halten Schritt mit diesen extremen Anforderungen. Durch kühne neue Wendeschneidplattengeometrien, zähe Hartmetallsorten und superlubrizierte Beschichtungen sollten Zerspaner selbst die widerspenstigsten Metalle bändigen können. Natürlich braucht es mehr als gutes Hartmetall für erfolgreiche HRSA-Bearbeitung.

Zerspaner müssen auch solide Zerspanungspraktiken und korrekt programmierte Werkzeugbahnen anwenden. Hier sind die wichtigsten Techniken für effektive Spanabnahme bei medizinischen Legierungen:

1. Scharf bleiben und PVD-Beschichtung für Ihre Werkzeuge nutzen.

Als Faustregel funktionieren scharfe, PVD-beschichtete Werkzeuge über das gesamte Spektrum medizinischer Superlegierungen am besten. Begnügen Sie sich nicht mit Universal-Hartmetallsorten oder -beschichtungen. Werkzeughersteller haben spezifische Sorten für jeden medizinischen Werkstoff entwickelt – nutzen Sie diese, besonders bei Langzeit- oder Serienaufträgen.

Planen Sie Testschnitte für neue Werkstoffe ein. Holen Sie Ihre Lieferanten vor Ort dazu, und folgen Sie deren Rat. Vor allem: Entwickeln Sie einen vorhersagbaren Prozess. Geplante vorzeitige Werkzeugwechsel sind weit besser, als auf Werkzeugbruch zu warten – was das Werkstück beschädigt, die Maschine ruiniert oder den Bediener verletzt.

2. Aggressiv mit Schnittgeschwindigkeit und Vorschub sein, um Aufbauschneiden zu reduzieren.

Wenn Platten nicht so lange halten wie gewünscht, neigen viele dazu, die Schnittgeschwindigkeit zu drosseln oder den Vorschub zurückzunehmen. Das ist oft genau das Gegenteil von dem, was nötig ist.

Als Faustregel empfehlen Werkzeughersteller einen aggressiven Ansatz, wenn die Bearbeitung nicht läuft. Denn härteres Zupacken verbessert oft die Spanbildung, und höhere Drehzahlen bringen mehr Wärme in den Schnitt – was BUE reduziert.

3. Tiefe Schnitte vermeiden – Taktiken wie Trochoidalfräsen nutzen.

Geringe Schnitttiefen bei höheren Vorschüben sind meist effektiver als klassische „Schrupp“-Ansätze.

Trochoidale Werkzeugbahnen mit voller Längenausnutzung (Z-Achse) sind bevorzugt. Wo immer möglich bogenförmig ein- und austauchen. Vermeiden Sie, das Werkzeug in der Ecke zu „versenken“ – die Maschine wird vor Not stöhnen.

Einen etwas größeren Radius als den Werkzeugradius programmieren und die Ecken mit einem kleineren Werkzeug ausräumen. Chips müssen weg – hören Sie das knirschende Geräusch von Wiederbeschneiden, ist es Zeit, auf Ausbruch oder Bruch zu prüfen.

4. Setup für medizinische Anwendungen wahr (und steif) halten.

Steife Setups sind immer Pflicht, bei schwierigen Materialien doppelt. Werkzeugrundlauf vermeiden: Spannzangen- und Seitenklemmhalter gegen Schrumpf- und Hydraulikhaltungen tauschen.

Werkzeuge so kurz wie möglich halten. Mechanische Schraubstöcke und Spannfutter durch hydraulische Pendants ersetzen. Spannbacken leicht rückentapern, Messerkantenbacken für mehr Halt nutzen. (Selbst geringste Bewegung beim Schruppen von Cobalt-Chrom- oder Titanblöcken ruiniert den Schnitt.)

Denken Sie daran: Werkzeughalter sollten alle paar Jahre, bei starker Beanspruchung öfter, getauscht werden.

5. Positiv mit dem Freiwinkel (Lead Angle) sein.

Die meisten PVD-beschichteten und präzisionsgeschliffenen Werkzeuge haben „up-sharp“ Schneiden. Gut, aber ein positiver Freiwinkel am Werkzeug ist ebenfalls vorteilhaft – z. B. die ungenutzte Seite einer 80°-Raute oder eine Rundplatte, falls machbar. Das reduziert Kerbverschleiß an der Schnitttiefenlinie, erfordert aber oft einen Nachbearbeitungsschritt mit einem Werkzeug, das die Ecke rechtwinklig bearbeiten kann. Dennoch oft lohnenswert, besonders beim Drehen von zähen Nickel-Legierungen oder „Triple-5“-Titan.

6. Kühl bleiben und Kühlschmierstoffe pflegen.

Traurige Tatsache: Manche Werkstätten vernachlässigen ihre Kühlschmierstoffe. Bei Aluminium oder Baustahl mag das noch durchgehen (wobei auch dort unratsam). Bei hochchrom-, nickel- oder cobalthaltigen Metallen führt verbrauchter Kühlschmierstoff zu kurzer Standzeit und unvorhersehbaren Ergebnissen.

Jede CNC-Maschine sollte mit einem Ölabscheider (Skimmer) für Fremdöle ausgerüstet sein. Kühlschmierstoffe regelmäßig auf korrekte Konzentration und pH-Wert prüfen.

Kein Sumpfsauger im Haus? Zeit, sich einen anzuschaffen. Er reduziert nicht nur Stillstandzeiten bei der Sumpfreinigung, sondern auch Entsorgungskosten. Zusätzlich lohnt sich die Investition in Hochdruck-Kühlschmierstoff und Filtration – alles funktioniert besser mit Hochdruckkühlung.

7. Alternativen zu beschichteten Hartmetallplatten prüfen.

Wenn Sie mit beschichtetem Hartmetall kämpfen, ist es vielleicht Zeit, „blank“ zu gehen. Unbeschichtete Platten liefern bei Superlegierungen oft bessere Ergebnisse, besonders im Schlichten.

Auch Keramik probieren. Viele dieser Platten haben verstärkte Siliciumcarbid-„Whisker“ und ermöglichen Schnittgeschwindigkeiten 10-fach höher als Hartmetall. Immer trocken laufen lassen – und niemals Keramik mit Titan kombinieren, da beide chemisch reagieren.

8. Ihre Superlegierungs-Best-Practices teilen.

Führen Sie gute Aufzeichnungen, was funktioniert und was nicht – und teilen Sie Ihr Wissen mit Kollegen. Präzisions-Medizintechnik-Zerspanung ist wichtige Arbeit, und Werkstätten, die sie beherrschen, meistern auch anspruchsvolle Luftfahrtaufträge problemlos.

Gestehen Sie: Drosseln Sie die Vorschübe, wenn eine Platte nicht so lange hält wie gewünscht? Teilen Sie Ihre Erfahrung.