Precyzyjna robota – opracowaliśmy ekonomiczne rozwiązanie produkcyjne dla precyzyjnego połączenia trzpienia z głową endoprotezy stawu biodrowego!

Sztuczne stawy biodrowe muszą być produkowane z wysoką precyzją. W szczególności dotyczy to obszaru połączenia trzpienia i głowy endoprotezy. Opracowane przez nas rozwiązanie w zakresie obróbki skrawaniem opiera się zasadniczo na zastosowaniu systemu osi U oraz rozwiertaka kształtowego. Dzięki tym (i innym) precyzyjnym narzędziom zachowane są wszystkie wymagane tolerancje, a jednocześnie zwiększa się wydajność w porównaniu z konwencjonalnymi metodami produkcji.

Kiedy staw biodrowy ze względu na ograniczenia ruchowe oraz uporczywe bóle obniża standard życia, a metody leczenia zachowawczego nie są już skuteczne, wiele osób decyduje się na wszczepienie sztucznego stawu – w Niemczech jest to ponad 200.000 przypadków rocznie. Wszyscy ci pacjenci mają nadzieję na długotrwałą poprawę. Aby ich życzenie mogło się spełnić, oprócz dobrego chirurga i pierwszorzędnej opieki medycznej, potrzebne są wysokiej jakości „części zamienne”.

Proteza taka składa się zazwyczaj z trzpienia z głową, panewki i wkładki panewki, która zapewnia optymalne właściwości ślizgowe. Szczególnej uwagi wymaga połączenie trzpienia z głową. Trzpień zakończony jest stożkiem, na którym mocowana jest głowa. Aby powierzchnie stożka dokładnie do siebie pasowały, muszą być wykonane z najwyższą precyzją i jakością powierzchni.

W produkcji tych elementów decydującą rolę odgrywają stosowane narzędzia. Dirk Martin, nasz specjalista produktowy w dziedzinie medycyny, wyjaśnia: „Sztuczny staw biodrowy składa się z trudnoskrawalnych materiałów, które muszą być obrabiane nie tylko z zachowaniem najściślejszych tolerancji, lecz również w sposób jak najbardziej ekonomiczny. W końcu endoproteza stawu biodrowego powinna być szeroko dostępna w najwyższej jakości. Z wielkim zaangażowaniem pracujemy nad znalezieniem odpowiednich rozwiązań narzędziowych do takich zadań”.

Pomocne w poszukiwaniu rozwiązań: duże doświadczenie i szeroki zakres narzędzi

Grupa CERATIZIT jest dostawcą pełnego asortymentu w obszarze obróbki skrawaniem, dysponującym szeroką gamą narzędzi w wersjach standardowych i specjalnych oraz bogatym know-how w zakresie obróbki skrawaniem. „Dzięki naszemu szerokiemu asortymentowi produktów i wiedzy naszych specjalistów ds. zastosowań jesteśmy doskonale przygotowani do takich zadań, jak obróbka połączenia trzpienia z głową endoprotezy”, podkreśla Martin. „Możemy testować różne techniki za pomocą naszych różnorodnych narzędzi, aby ostatecznie znaleźć optymalne rozwiązanie”.

W przypadku sztucznego stawu biodrowego wymagania klienta są szczególnie wysokie i zróżnicowane. W trzpieniu endoprotezy, wykonanym z wysoko wytrzymałego stopu tytanu Ti6Al4V, w obszarze połączenia z głową, mającym kształt stożka, należy zachować tolerancję kątową wynoszącą jedynie +/-5'. Dalsze tolerancje wynoszą 3 µm dla prostoliniowości, 8 µm dla okrągłości i 60 μm dla średnicy. Ważne jest również, aby w stożku uzyskać określoną część nośną i dokładnie zdefiniowany profil rowka.

Głowa endoprotezy wykonana jest ze stopu na bazie kobaltu (Co-Cr-Mo). Jego stożkowy otwór musi spełniać te same wysokie tolerancje kształtu, kąta i wymiarów, jak również musi mieć określoną część nośną. Podczas obróbki nie mogą tu jednak powstać żadne ślady, rowki czy żłobki. Dirk Martin dorzuca jeszcze jeden decydujący czynnik: „Potrzebne jest nam takie rozwiązanie produkcyjne, które nadaje się do produkcji masowej. Oznacza to, że proces obróbki musi być niezawodny i przebiegać przy jak najmniejszych nakładach monitorowanie produkcji.

Sukces dzięki elastycznej osi U i specjalnemu rozwiertakowi stożkowemu

W celu wykonania stożkowego konturu zewnętrznego zdecydowaliśmy się na wstępną obróbkę frezem stożkowym z pełnego węglika. Kolejną obróbkę zgrubną i wykańczającą wykonuje system osi U. „Jest to wymienna, dowolnie programowalna oś NC dla centrów obróbczych”, wyjaśnia Dirk Martin, „która umożliwia wykonywanie dowolnej obróbki konturów i toczenia. Narzędzia nasadzane i płytki wymienne pozwalają na wykonywanie konturów w otworach, jak również obróbkę zewnętrzną. Dzięki temu w porównanie z obróbką konwencjonalną możliwe jest znaczne skrócenie czasu produkcji przy zoptymalizowanej jakości powierzchni i wyższej dokładności kształtów.” W ten sposób pożądaną strukturę rowka na stożku trzpienia można wykonywać również na centrum obróbczym. Zaletą jest to, że wszystkie operacje obróbcze mogą odbywać się na jednej maszynie. W obróbce konwencjonalnej potrzebna byłaby tokarka i frezarka, co oznacza dodatkowe mocowanie, regulację, czas i koszty.

Nasze rozwiązanie, mające na celu wykonanie otworu stożkowego w głowie endoprotezy, polega na wykonaniu następujących czynności na tokarce: Najpierw detal jest planowany (toczenie poprzeczne), aby następnie czteroostrzowe wiertło specjalne VHM 180° mogło wykonać proste nacięcie. W ten sposób powstaje otwór o płaskim dnie. Narzędzie do wiercenia i toczenia EcoCut Classic przejmuje zadanie wytoczenia konturu zbliżonego do stożka, a następnie specjalny rozwiertak stożkowy z pełnego węglika zapewnia idealny obraz zużycia z doskonałą jakością powierzchni i tolerancją. Możliwość ponownego ostrzenia narzędzia oszczędza użytkownikowi dodatkowych kosztów w produkcji. Dirk Martin komentuje: „Jeżeli chodzi o precyzję, to kontur wewnętrzny moglibyśmy wykonać również za pomocą osi U. Rozwiertak jest jednak lepszą metodą, gdy wymagana jest wyjątkowo gładka powierzchnia”.

Perspektywy na przyszłość

W sumie, dzięki naszemu rozwiązaniu, krytyczne kontury sztucznego stawu biodrowego są wykonywane w niezawodnym procesie i niezwykle ekonomicznie. Osiągnięty poziom zużycia narzędzia (część nośna i powierzchnia nośna) oraz tolerancje mieszczą się w obu procesach obróbczych znacznie poniżej zadanych wartości granicznych. Dirk Martin jest dumny z tego zespołowego osiągnięcia: „W ten sposób mogliśmy stać się kompleksowym dostawcą dla naszego klienta, renomowanej firmy z branży techniki medycznej – z perspektywą dalszych zamówień”. Poza tym polecamy się jako specjalista w zakresie podobnych zastosowań, np. w dziedzinie endoprotez stawów barkowych (również z trzpieniem i głową), jak również mocowań w endoprotezach stawach kolanowych.

W skrócie nasze rozwiązanie i jego parametry

Stożkowy kontur zewnętrzny trzpienia endoprotezy stawu biodrowego (wykonany na centrum obróbczym):

  1. Obróbka wstępna specjalnym frezem VHM ze zmiennym kątem
    – Ø 12,0 mm / z4
    – Vc 90 m/min, Fz 0,12 mm, Apmax 16 mm
  2. Dalsza obróbka osią U z płytką specjalną, zoptymalizowaną R0,8
    – skrawanie zgrubne przy Ap(1): 0,20 mm i Fz(1): 0,10 mm
    – skrawanie wykańczające przy Ap(2): 0,03 mm i Fz(2): 0,24 mm

Stożkowy otwór w głowie endoprotezy (wykonany na tokarce przy pomocy rozwiertaka):

  1. Obróbka wstępna za pomocą specjalnego wiertła 180° (specjalne wiertło 180° z pełnego węglika spiekanego D12 z 4 krawędziami skrawającymi) do wykonania otworu z płaskim dnem
  2. Zastosowanie EcoCut do wytaczania konturów (EcoCut Classic 3xD z XCNT 040102ER CTPP430)
  3. Obróbka wykańczająca specjalnym rozwiertakiem stożkowym z pełnego węglika otworu 5°42‘30“ +/-5‘