Precizní obrobení - vyvinuli jsme ekonomickou metodu obrábění precizního rozhraní mezi kyčelním dříkem a kloubní hlavicí!

Umělé kyčelní klouby se musí vyrábět s vysokou přesností. Přitom se jedná zejména o oblast zasouvání kyčelního dříku do kloubní hlavice. Metoda obrábění, kterou jsme vyvinuli, se zakládá v podstatě na používání systému s U osou a tvarového výstružníku. Tyto (a jiné) precizní nástroje garantují dodržení všech požadovaných tolerancí a současně roste produktivita v porovnání s konvenčními metodami obrábění

Pokud kyčelní kloub, v důsledku omezení pohybu a neustálých bolestí, negativně ovlivňuje kvalitu života a konzervativní léčba již nepomáhá, mnoho lidí se rozhodne pro implantaci umělého, náhradního kloubu - v Německu se implantace provádí u více než 200.000 pacientů za rok. Věří, že se jejich zdravotní stav trvale zlepší. Aby mohlo dojít k naplnění jejich přání, kromě kvalitního operujícího chirurga a prvotřídní lékařské péče musí být k dispozici špičkové „náhradní díly“.

Taková protéza se zpravidla skládá z kyčelního dříku s kloubní hlavicí, z jamky kyčelního kloubu a z mezikusu, který zajišťuje optimální klouzání hlavice v jamce. Zvláštní pozornost si vyžaduje propojení kyčelního dříku s nasunutou kloubní hlavicí. Aby kónické plochy navzájem přesně lícovaly, jejich obrábění si vyžaduje maximální preciznost a kvalita obrobeného povrchu musí být prvotřídní.

Při výrobě těchto komponent hrají rozhodující roli používané nástroje. Dirk Martin, náš aplikační manažer pro oblast lékařské techniky, přichází s následujícím vysvětlením: „Umělý kyčelní kloub tvoří těžko obrobitelné materiály, které se musí obrábět nejenom s nejmenšími tolerancemi, nýbrž i co nejefektivněji. Náhrada kyčelního kloubu by měla být v té nejvyšší kvalitě nakonec k dispozici pro mnoho lidí. S velkým zaujetím pracujeme na tom, abychom pro takové projekty nalezli vhodná nástrojová řešení.“

Hledání vhodného řešení si vyžaduje: velké zkušenosti a široké spektrum nástrojů

Skupina CERATIZIT nabízí kompletní sortiment obráběcích nástrojů, které jsou k dispozici ve standardním i speciálním provedení, přičemž se pyšní obrovským know-how v oblasti třískového obrábění. „Díky našemu obrovskému produktovému programu a odbornosti našich aplikačních techniků jsme optimálním způsobem připraveni na řešení procesu obrábění komponent v oblasti kyčelního dříku a nasouvání kloubní hlavice, zdůrazňuje Dirk Martin (aplikační manažer). „Na základě pestré palety našich nástrojů můžeme testovat různé varianty a nakonec zvolit optimální řešení.“

V případě umělého kyčelního kloubu jsou požadavky zákazníků mimořádně náročné a různorodé. V případě kyčelního dříku vyráběného z vysokopevnostní slitiny titanu Ti6Al4V se musí v kónicky tvarované oblasti zasouvání dodržet úhlová tolerance činící pouhých +/-5‘. Další tolerance činí v případě rovinnosti 3 µm, kruhovitosti 8 µm a u průměru 60 μm. Navíc je důležité, aby se v případě kuželu dosáhlo zadaného nosného podílu (materiálový poměr profilu) a aby se vytvořil přesně definovaný profil drážky.

Kloubní hlavici tvoří slitina na bázi kobaltu (Co-Cr-Mo). Její kuželový otvor musí vykazovat tytéž vysoké tvarové, úhlové a rozměrové tolerance i stanovený nosný podíl. Při obrábění ovšem nesmějí vznikat žádné stopy, rýhy nebo žlábky. Dirk Martin uvádí ještě jeden rozhodující faktor: „Potřebujeme řešení vhodné pro obrábění v masovém měřítku. To znamená, že při obrábění musí být zajištěna maximální procesní bezpečnost a současně minimální potřeba monitorování obráběcích procesů.“

Úspěšné obrábění pomocí systému s U osou a speciálního kuželového výstružníku

Za účelem vyrobení kónické vnější kontury jsme se rozhodli provést předobrobení pomocí TK kuželové frézy. Následující hrubování a dokončování realizuje systém s U osou. „Tím se rozumí výměnná, volně programovatelná NC osa pro obráběcí centra“, vysvětluje Dirk Martin, „která umožňuje libovolné obrábění kontur i soustružení. Pomocí výměnných nástrojů a vyměnitelných břitových destiček lze obrábět kontury v otvorech i realizovat vnější obrábění. Tím se dosáhne většinou značného zkrácení obráběcích časů při zajištění optimální kvality povrchu a vyšší tvarové přesnosti než je tomu u konvenčního obrábění.“ A tak lze požadovanou strukturu drážek na kuželu stopky vytvářet i na obráběcím centru. Výhodou je možnost provádění všech obráběcích operací na jediném stroji. V případě konvenčního obrábění by musel být k dispozici soustruh a frézka, s čímž souvisí dodatečná změna upnutí obrobku, ustavení, vyšší časová náročnost i vznikající náklady.

Za účelem vytvoření kónického otvoru v kloubní hlavici počítá naše řešení s následujícími obráběcími kroky prováděnými na soustruhu: Nejprve se obrobek čelně osoustruží, aby se vytvořil rovný náběh pro následné použití čtyřbřitého speciálního TK vrtáku 180°. Tento vrták pak vytvoří otvor s rovným dnem. Vyvrtávání kónusu podél kontury provádí nástroj na vrtání a soustružení EcoCut Classic, dříve než speciální TK kuželový výstružník zajistí ideální kontaktní plochu a současně perfektní kvalitu povrchu s požadovanou tolerancí. Nástroje jsou připravené pro ostření, tudíž lze při obrábění dodatečně ušetřit další náklady. Dirk Martin komentuje proces obrábění: „Pro precizní provedení vnitřní kontury bychom mohli použít i U osu. Za účelem dosažení požadovaného, extrémně hladkého povrchu je ovšem výstružník lepším řešením.“

Budoucí perspektivy

Celkově vzato lze konstatovat, že se pomocí našeho řešení pro obrábění kritických kontur umělého kyčelního kloubu zajistí procesně bezpečná a mimořádně hospodárná výroba. Dosažená kontaktní plocha (nosný podíl a nosná plocha) i tolerance se v obou případech obrábění nacházejí značně pod stanovenými limity. Dirk Martin je hrdý na tento týmový výkon: „Podařilo se nám tím etablovat u našeho zákazníka, renomovaného výrobce zdravotnické techniky, jako dodavatel kompletního sortimentu - s výhledem na realizaci dalších zakázek.“ Kromě toho se nabízí využít služeb specialisty na obráběcí nástroje v rámci podobných realizací, například při výrobě umělých ramenních kloubů (rovněž s dříkem a kloubní hlavicí) i v oblasti implantování umělých kolenních kloubů.

Stručný popis a konkrétní parametry našeho řešení

Kónická vnější kontura kyčelního dříku (obrobená na obráběcím centru):

  1. Předobrobení pomocí speciální TK frézy s vytvořeným úhlem
    - Ø 12,0 mm / z4
    - Vc 90 m/min, Fz 0,12 mm, Apmax 16 mm
  2. Další obrábění optimalizované systémem s U osou pomocí speciální vyměnitelné destičky s R0,8
    - hrubovací řez Ap(1): 0,20mm a Fz(1): 0,10mm
    - dokončovací řez s Ap(2): 0,03mm a Fz(2): 0,24mm

Kónický otvor v hlavě kyčelního kloubu (obrobený na soustruhu pomocí výstružníku):

  1. Předobrobení pomocí speciálního vrtáku 180° (speciální vrták 180° D12 se 4 břity) za účelem vytvoření díry s rovným dnem
  2. Použití systému EcoCut pro vyvrtávání podél kontury (EcoCut Classic 3xD s XCNT 040102ER CTPP430)
  3. Dokončovací obrábění otvoru s 5°42‘30“ +/-5‘ pomocí speciálního TK kuželového výstružníku