Medizintechnik: Das machen neue Werkzeuge und Maschinen alles möglich

Der Kostendruck in der Medizintechnik nimmt zu: Stetige Forschung, steigende Lohnkosten und demografischer Wandel verschärfen die Lage. Wegen strengeren Hygienebestimmungen und in deren Folge einer verstärkten Nutzung von Single-Use-Produkten streben viele Hersteller eine automatisierte, nahezu mannlose, oft additive Fertigung an. Bei der Zerspanung lassen sich Produktionskosten durch Automation und damit kürzere Haupt- sowie Rüstzeiten senken. Ein weiterer Hebel ist die Lebensdauer der Werkzeuge.

Medizintechnik: Maschinenhersteller unter Druck

Dabei sind Werkzeug- und Maschinenhersteller in der Medizintechnik bei der Veranschaulichung ihrer Expertise sehr eingeschränkt, da reale Anwendungen schnell kritische Kundendetails preisgeben. Um ihr Fachwissen unter Beweis zu stellen, hat die auf Mikrozerspanungs-, Stanz- und Umformwerkzeuge spezialisierte Zecha Hartmetall-Werkzeugfabrikation gemeinsam mit dem Maschinenhersteller Schwäbische Werkzeugmaschinen ein exemplarisches Projekt durchgeführt. Ergebnis ist eine beispielhafte Knochenplatte aus Titan.

Optimale Prozesse erarbeiten

Die beiden Experten untersuchten mehrere Anwendungen mit unterschiedlichen Anforderungen, die sich aus dem Zusammenspiel des Bearbeitungszentrums BA W02 und den genutzten Werkzeugen (Kingfisher-Serie-455 sowie Mikro-Fräser der Peacock-Familie von Zecha) ergaben. Um eine bestmögliche Taktzeit, Maßhaltigkeit und Präzision zu erreichen, setzten die Partner auf eine hochdynamische Bearbeitung. In dieser konnten sie die Titan-Knochenplatte (Grade 5) mit maximalen Oberflächengüten von Ra 0,03 Millimeter bei größter Prozessstabilität fertigen.

Der Prozess beginnt mit einer Startbohrung, in die ein Kingfisher-Werkzeug mit 0,35 Millimetern Durchmesser eintaucht und eine Torxkontur mittels trochoidalem Fräsen aus dem Vollen fertigt. Die verwindungssteife, kompakte Monoblockbauweise des BA W02 reduziert den Wärmegang auf das Minimum. Die ein- bis zweispindelige Fünfachsmaschine in horizontaler Bauweise ermöglicht auch dank integrierter Kühlmittelzufuhr einen optimalen Spänefall. Eine effektive Kühlung und entsprechende Schneidengeometrien sind besonders für hohe Standzeiten und ideale Ergebnisse bei der Bearbeitung von Titan erforderlich, da über das Material kaum Wärme abgeleitet werden kann.

Durch den Einsatz einer zweispindligen Maschine werden im Vergleich zur einspindligen Variante geringere Nebenzeiten mit flexibleren Umrüstmöglichkeiten und eine schnellere Werkzeugbruchkontrolle ermöglicht. Technisch sind alle gängigen Strategien – wie das Trochoidal- und Gewindefräsen von Kegelgewinden auf dem Bearbeitungszentrum in hoher Präzision realisierbar.

Werkzeuge für die Medizintechnik

Neben einer stabilen Maschine spielen qualitativ hochwertige Werkzeuge für moderate Schnittwerte eine zentrale Rolle. Um einem Werkzeugbruch zu vermeiden, nutzen die Partner Werkzeuge, die Zecha speziell für die Bearbeitung schwer zerspanbarer Materialien in der Medizintechnik entwickelt hat. Basierend auf der Serie 455 spielen bei den verwendeten Kingfisher-Werkzeuge ein neues VHM-Substrat, das spezielle Kühlsystem und eine stabilere Grundgeometrie zusammen. Klaus Bruder, technischer Vertrieb bei Zecha, erläutert: „Wir haben Torusfräser in den Durchmessern von 3 bis 4 Millimetern und ein Schaftkühlungssystem eingesetzt. Dabei tritt das Kühlmedium innerhalb des Spann- und Wirkdurchmessers des Werkzeuges durch viele zylindrische Bohrungen aus.“ Damit eignen sich die Werkzeuge nicht nur perfekt für das Schruppen des Bauteils, „sondern auch zur µ-genauen Finishbearbeitung.“, wie Bruder ausführt. Zudem hat der Werkzeugspezialist die dazugehörige Mikrogeometrie auf die Bauart des Werkzeugs sowie dessen Abmessungen optimal abgestimmt. Spezifikationen wie eine spezielle Helix und ungleiche Teilungen, Kernverstärkung und optimierte Spanräume ermöglichen Stabilität sowie ruhiges Schneidverhalten. Alle Werkzeuge weisen eine sehr gute Wuchtgüte auf, was zusätzliche Vibrationen verhindert.

Neben den Werkzeugen der Kingfisher-Serie kommen im Projekt Fräser der Peacock-Familie für Werkstoffhärten bis 70 HRC zum Einsatz. Diese WAD-beschichteten Fräser erzeugen durch stabile Schaft- und Schneidengeometrien hohe Oberflächengüten bei gleichzeitiger Standzeiterhöhung – selbst bei den feinen Konturen in der Medizintechnik. Die speziell konzipierten Flach-Umfangs-Mikrofräser überzeugen mit einer Formgenauigkeit von maximal 0,005 Millimetern und einer Rundlaufgenauigkeit von maximal 0,003 Millimetern, womit eine hohe Bauteilformgenauigkeit erreicht wird. Zudem zeichnen sich diese Werkzeuge durch einen feinstgeschliffenen Schutzradius von maximal 0,05 Millimetern aus.

Fazit

Durch den Einsatz von hochwertigen, optimal aufeinander abgestimmten Werkzeuglösungen und der genutzten Werkzeugmaschine haben die Partner die anspruchsvolle Applikation gemeistert. Die Knochenplatte wird künftig als medizinisches Vorzeigeobjekt in kommenden Projekten genutzt.

Die komplexen Aufgaben in der Medizintechnik erfordern vermehrt solche optimierten Werkzeuglösungen, die sich nicht immer als Standard im Katalog finden lassen. „Gerade Anforderungen, die nicht der Norm entsprechen, stellen große Herausforderungen dar. Unser Ziel ist es, gemeinsam mit Kunden und Partnern anspruchsvolle Fertigungsaufgaben umzusetzen“, erklärt Klaus Bruder.

Der Autor Andreas Kienzle ist Key-Account-Manager Medizintechnik bei der Schwäbische Werkzeugmaschinen GmbH.

Lesen Sie auch: Digitale Zwillinge optimieren die Intralogistik