Nowości produktowe

Nowe strategie obróbki komponentów ortopedycznych

By  | 

Rosnący popyt na ortopedyczne elementy zastępcze i naprawcze napędzają liczne czynniki. Części medyczne obejmują sztuczne stawy, jak również płyty, pręty i szpilki używane do naprawy lub wzmacniania obszarów ciała po wypadku lub chorobie.

11008_HQ_ILL_Complete_Knee_Components

Popyt na części rośnie, ponieważ wydłużeniu ulega okres życia, a starzenie skutkuje powstawaniem zapaleń stawów i osteoporozy. Światowe trendy w zakresie wzrostu masy ciała i otyłości powodują dodatkowe obciążanie stawów. Zmieniający się styl życia – od braku aktywności fizycznej u niektórych do zwiększonego uprawiania sportów u innych – w jeszcze większym stopniu wzmacnia zapotrzebowanie na odnawianie części ciała. Rozwój gospodarek wschodzących zapewnia coraz większej liczbie ludzi środki na zakup urządzeń ortopedycznych. Grupa konsultingowa Global Market Insights przewiduje, że do 2024 r. globalny rynek elementów ortopedycznych urośnie do wartości 50 miliardów euro (53 miliardy dolarów).

Konkurencja napędza rozwój narzędzi
Pięciu głównych dostawców obsługuje w przybliżeniu 85 procent wysoce konkurencyjnego rynku komponentów ortopedycznych, a o jego pozostałą, niewielką część walczy ponad 200 innych firm. W świetle tak intensywnej konkurencji producenci urządzeń nieustannie poszukują sposobów na szybsze i bardziej ekonomiczne wykonywanie części. Dzięki zastosowaniu nowych materiałów implanty stają się mocniejsze i lżejsze, a także mogą funkcjonować w ludzkim organizmie nawet przez okres 25 lat. Ponadto urządzenia ortopedyczne stanowią część ogólnego trendu w kierunku personalizacji dóbr konsumpcyjnych; producenci wyrobów medycznych poszukują sposobów dostosowania swoich produktów do indywidualnej fizjonomii i preferencji pacjenta. Różnorodność produktów stała się kluczową przewagą konkurencyjną. W rezultacie na producentów narzędzi wywierana jest presja, aby szybko opracowywać sposoby obróbki skomplikowanych konturów, a producenci narzędzi tnących koncentrują się na prędkości i elastyczności działania. Zaawansowane inicjatywy z zakresu technologii produkcji obejmują druk 3D oraz zaawansowane technologie chłodzenia w obróbce skrawaniem.

Typowe komponenty

11008_HQ_ILL_Complete_Knee_Components
Do elementów ortopedycznych zalicza się części stawu biodrowego i kolanowego, sztuczne stawy łokciowe i skokowe, elementy do naprawy urazów, płytki kręgosłupowe oraz różnego rodzaju szpilki naprawcze, pręty i łączniki. Ponad 40 procent rynku stanowią rekonstrukcje stawów, przy czym większość z nich to rekonstrukcje stawu biodrowego i kolanowego. Kluczowe wymagania dla tych części to: wytrzymałość, niezawodność, lekkość i biokompatybilność.

Wyzwania w zakresie obróbki
Elementy ortopedyczne zazwyczaj obrabia się maszynowo z prętów, odlewów lub odkuwek, a następnie szlifuje i poleruje. W przypadku implantów biodrowych i kolanowych najpopularniejszym obrabianym materiałem jest stop kobaltowo-chromowy, choć jednocześnie wzrasta wykorzystanie stopów tytanu. Typowy stop kobaltowo-chromowy jest podobny do CoCr28Mo6, a najpowszechniejszym stopem tytanu jest Ti6Al4V.

Oba materiały są biokompatybilne, bardzo wytrzymałe i sztywne, dzięki czemu doskonale nadają się one do stosowania w komponentach ortopedycznych. Te same właściwości sprawiają jednak, że stopy te są trudne w obróbce. Stop kobaltowo-chromowy jest twardy i ścierny, charakteryzuje się wysoką elastycznością i słabo przewodzi ciepło. Stopy mogą zawierać twarde elementy ścierne, które powodują duże zużycie narzędzi ściernych, a przy tym wytwarzane w toku ich produkcji wióry są twarde i ciągłe, co wymaga szczególnej uwagi przy kontroli geometrii krawędzi skrawania.

Tytan z kolei jest bardzo lekki i wytrzymały. Twardnieje również podczas obróbki mechanicznej i jest słabym przewodnikiem ciepła. Ciepło koncentruje się na krawędzi skrawającej i powierzchni narzędzia. Połączenie wysokich temperatur, dużych sił skrawania i tarcia spowodowanego przejściem wiórów skutkuje zużyciem kraterowym i awariami narzędzi. Niski moduł sprężystości materiału, korzystny w niektórych zastosowaniach implantu, powoduje natomiast, że materiał „odskakuje” od krawędzi skrawającej, przez co konieczne jest poświęcenie szczególnej uwagi ostrości narzędzia tnącego.

Wymagane chłodziwo

SONY DSC
Ponieważ materiały używane do produkcji implantów ortopedycznych zazwyczaj wytwarzają nadmierną ilość ciepła, konieczne jest zastosowanie chłodziwa. Jednakże w wielu przypadkach stosowanie tradycyjnych środków chłodzących jest albo zabronione, albo mocno ograniczone w celu zapobiegnięcia zanieczyszczeniu części. Tak czy inaczej, niezbędne jest zastosowanie czasochłonnych i kosztownych procesów czyszczenia po obróbce. Ponadto sam czynnik chłodzący stwarza również problemy środowiskowe w odniesieniu do polityki bezpieczeństwa i higieny pracy pracowników. Alternatywna technologia chłodzenia wymaga zastosowania technologii cięcia na sucho nadkrytycznym dwutlenkiem węgla (scCo2). Ten nadkrytyczny CO2 funkcjonuje jako metoda zapewnienia w strefie cięcia suchego i doskonalszego smarowania.

Proces ten, opracowany przez firmę Fusion Coolant Systems, zapewnia możliwość obróbki części bez użycia olejów, emulsji czy tworzyw sztucznych. Przy ciśnieniu powyżej 74 barów (1070 psi) i 31C dwutlenek węgla staje się płynem nadkrytycznym. W stanie tym wypełnia on pojemnik jak gaz, choć zachowuje gęstość podobną do cieczy. Po dostarczeniu do strefy cięcia scCO2 rozszerza się do postaci suchego lodu, choć nie tworzy substancji kriogenicznej, takiej jak ciekły azot. Efektem końcowym jest niezwykle skuteczne rozwiązanie chłodzące, które często przewyższa pod względem wydajności istniejące systemy wykorzystujące wodę/olej pod wysokim ciśnieniem, zespoły smarowania minimalną ilością środka smarnego (MQL), ciekły CO2 i ciekły azot.

Części wykonane w technologii druku 3D

11008_HQ_ILL_Hip_Joint
W produkcji elementów ortopedycznych zwiększa się zastosowanie jeszcze innej nietradycyjnej technologii produkcji. W procesie drukowania 3D do produkcji złożonych części zbliżonych do wyrobu gotowego, wykorzystuje się proszki stopów tytanu oraz stopu kobaltowo-chromowego. W przemyśle medycznym selektywne topienie laserowe (SLM) powoduje stopienie proszków w celu warstwowego wytwarzania składników. Proces ten pozwala producentom wyrobów medycznych na tworzenie specjalnych konturów i wymiarów detali dostosowanych do indywidualnych potrzeb poszczególnych pacjentów. Proces ten pozwala również wytwarzać spójne powierzchnie z mikroporami, które przyspieszają wiązanie się części z żywą kością. W przypadku obróbki wykańczającej części produkowane metodą druku 3D zachowują w zakresie obróbki większość właściwości metali, z których zostały wykonane. Jednakże, aby uniknąć nierównomiernych naprężeń powstających podczas samej obróbki, części mogą być poddawane po wydruku dodatkowym procedurom. Ponadto w przypadku późniejszej obróbki, ze względu na kształt zbliżony do wyrobu gotowego i złożone kontury części, niekiedy wyzwaniem może być mocowanie.

Części zastępcze

11008_HQ_ILL_Femoral_Part
Całkowita wymiana stawu kolanowego obejmuje zazwyczaj trzy podstawowe składniki: wyprofilowany element metalowy (stop kobaltowo-chromowy lub tytanowy), zwany komponentem kości udowej, mocowany jest do końca kości udowej – dużej kości górnej części nogi – od strony kolana. Część metalowa, będąca podstawką piszczelową przymocowywaną do górnej części kości piszczelowej w dolnej części nogi, składa się z krótkiego trzonu lub grzbietu, który podtrzymuje płaską powierzchnię z podniesionymi krawędziami. Plastikowa wkładka łożyskowa znajdująca się pomiędzy częściami metalowymi umożliwia ruch stawu.

Wymiana stawu biodrowego, podobnie jak w przypadku stawu kolanowego, obejmuje trzy główne części: metalowy trzpień kości udowej, zwieńczony nasadą lub głową, wsuwany jest w górną lub biodrową część kości udowej. Kulę wkłada się do metalowego gniazda lub panewki biodrowej w miednicy. Nowa wkładka łożyskowa w stawie kolanowym oraz plastikowe gniazdo w biodrze zazwyczaj obrabiane są metodą UHMWPE (polietylen o ultra wysokiej masie cząsteczkowej).

Łączenie metod produkcji

11008_HQ_ILL_Jabro_Solid_HFM_Application

Części implantów ortopedycznych ze stopów metali muszą mieć doskonałe wykończenie powierzchni minimalizujące zużycie części plastikowych i pozwalające stawowi funkcjonować w przewidywanym okresie eksploatacji wynoszącym 20 lat lub więcej. Na przykład w przypadku wymiany stawu kolanowego zarówno część kości udowej, jak i podstawka piszczelowa muszą być całkowicie gładkie, aby uchronić plastikową wkładkę łożyskową przed zużyciem.

W związku z tym w celu uzyskania wystarczająco dokładnego wykończenia po procesie frezowania produkcja elementów ortopedycznych wymaga zazwyczaj przeprowadzenia szlifowania. Szlifowanie jest jednak procesem czasochłonnym, który wpływa na ogólną wydajność oraz elastyczność produkcji. Co równie ważne, szlifowanie powoduje wytwarzanie wysokiej temperatury i naprężeń w elementach podstaw, co z kolei prowadzi do błędów wymiarowych i wpływa na wytrzymałość oraz wydajność produktu.

Szlifowanie może być wspomagane, a w niektórych przypadkach nawet zastępowane przez zastosowanie zaawansowanych narzędzi tnących i strategii frezowania o wysokiej prędkości. Celem frezowania jest uzyskanie profilu zewnętrznego bez zadziorów i o doskonałym wykończeniu powierzchni, które zapewni jej wymaganą jakość, integralność i dokładność wymiarową. W przypadku obróbki porealizacyjnej, takiej jak polerowanie, czas wykonania tego zadania można zminimalizować ze względu na określoną chropowatość powierzchni i strukturę uzyskaną w procesie frezowania. Po stronie oprzyrządowania równoległe cele to długa, niezawodna żywotność narzędzi i maksymalna ich produktywność.

W reprezentatywnym zastosowaniu komponent kobaltowo-chromowy kości udowej wykończono przy użyciu kulistego frezu walcowo-czołowego na 5-osiowej frezarce. Strategie frezowania o wysokiej prędkości oraz zastosowanie wysokowydajnego frezu walcowo-czołowego pozwoliło na wyeliminowanie konieczności szlifowania. Uzyskany w ten sposób 11-minutowy czas trwania cyklu dla każdej części oznaczał skrócenie czasu realizacji o 50 procent w porównaniu z poprzednią metodą. Przejście od szlifowania do frezowania powierzchni występu kłykciowego wyeliminowało powstawanie odpadów. Zastosowane pełnowęglikowe frezy walcowo-czołowe charakteryzują się wykonaniem z twardego gatunku węglika spiekanego oraz zastosowaniem twardej, polerowanej powłoki TiAlSiN. Zostały one zaprojektowane tak, aby zapewnić wysoką wydajność usuwania metalu i płynne cięcie w celu osiągnięcia doskonałego wykończenia i minimalizacji czasu polerowania.

Wiele działań

11008_HQ_ILL_SNS_2017-2_Jabro_CoCr_JH770_13
Złożony kontur elementów ortopedycznych często wymaga zastosowania specyficznych sekwencji wyspecjalizowanych narzędzi. Na przykład w przypadku podstawki piszczelowej konieczne może być przeprowadzenie nawet siedmiu oddzielnych operacji obróbki. Działania te mogą obejmować obróbkę zgrubną, szorstkowanie podstawki piszczelowej, wykańczanie podstawki, frezowanie fazowe, obróbkę podcięć rowków teowych, wykańczanie i wygładzanie powierzchni, a także usuwanie zadziorów podcięć. Wyzwaniem jest osiągnięcie doskonałej jakości wykończenia powierzchni przy minimalnym stopniu ingerencji ręcznej, jak również niezawodności narzędzi przy optymalnym połączeniu wydajności, kosztów i jakości.

Tradycyjnie wykonywanie tego rodzaju różnorodnych działań narzucało konieczność użycia oddzielnych narzędzi specjalnych opracowanych w celu uzyskania każdego wymaganego konturu, wymiaru i wykończenia powierzchni. Specjalne narzędzia wymagają poczynienia inwestycji w zakresie czasu i kosztów opracowania i produkcji, a ze względu na niską wielkość produkcji mogą one mieć dłuższe czasy realizacji, a ich dostępność może być ograniczona.

Nowe podejście obejmuje opracowanie i wykorzystanie narzędzi, które są standaryzowane do produktywnego wykorzystania w tych zastosowaniach, ale które jednocześnie zachowują elastyczność, umożliwiającą ich wykorzystanie w wielu podobnych częściach w przemyśle ortopedycznym (patrz pasek boczny).

Wnioski
Globalne trendy demograficzne i ekonomiczne wyraźnie wskazują, że popyt na zaawansowane komponenty ortopedyczne będzie rósł. Jednocześnie pragnienia konsumentów i determinacja producentów części medycznych związana z chęcią odróżnienia się od konkurencji łączą się w celu promowania rozwoju spersonalizowanych komponentów ortopedycznych spełniających wymagania poszczególnych pacjentów. Co zaskakujące, zmienną specyfikę części można osiągnąć przy użyciu narzędzi mniej wyspecjalizowanych, bardziej elastycznych i bardziej oszczędnych niż narzędzia niestandardowe dotychczas stosowane do produkcji części.

Pasek boczny:
Standardowe narzędzia i wsparcie zastosowań zapewniają wiele korzyści

11008_HQ_ILL_SNS_2017-2_Jabro_CoCr_JH770_12

Pewne szczegóły projektowe elementów ortopedycznych, w zależności od producenta, dosyć mocno się między sobą różnią. Te same produkty miewają również wiele cech wspólnych, ponieważ wszystkie ciała ludzkie są w zasadzie takie same. Chociaż producenci tradycyjnie obrabiają części przy użyciu narzędzi niestandardowych, istnieje szeroka i produktywna przestrzeń wspólna dla narzędzi, za pomocą których można efektywnie dostosowywać podstawowe cechy w rozmaitych materiałach. Konieczne jest do tego jednak wytworzenie pełnego zestawu narzędzi niestandardowych.

Firma Seco dokładnie przeanalizowała procesy produkcji komponentów medycznych i wykorzystała ponad dekadę doświadczenia w zakresie obróbki części medycznych, aby opracować znormalizowany asortyment frezów walcowo-czołowych do obróbki elementów ortopedycznych wykonanych ze stopu kobaltowo-chromowego. Celem było przekształcenie specjalistycznych rozwiązań z zakresu oprzyrządowania w bardziej elastyczną, ujednoliconą gamę. Powstałe narzędzia wykazują charakterystykę działania, która pozwala na ich zastosowanie w szerokim zakresie części i materiałów.

Standaryzacja narzędzi daje wiele korzyści. Dzięki wyeliminowaniu projektowania, prototypowania i testowania narzędzi niestandardowych oszczędza się mnóstwo czasu. Ponieważ narzędzia te są standardowe, zostały one zaprezentowane w naszym katalogu i są dostępne na całym świecie za pośrednictwem centrów dystrybucyjnych SECO. Są one również produkowane na dużą skalę, dzięki czemu obniżeniu ulega koszt wykonania pojedynczego narzędzia.

Nowa gama narzędzi obejmuje dziewięć różnych geometrii i łącznie 39 elementów. Stosunkowo niewielka oferta rozszerzona została o różne rozmiary, promienie i wymiary.

Narzędzia zostały zaprojektowane w taki sposób, aby wytwarzać specyficzne cechy wspólne dla różnych elementów ortopedycznych, w tym części kolanowych i biodrowych, ale mają również zastosowanie do płyt kostnych, części kręgosłupa i innych komponentów. Każda z dziewięciu geometrii ma specyficzną funkcję lub obszar zastosowania. Poszczególne zastosowania obejmują obróbkę zgrubną i wykańczanie, a także podcięcia rowków teowych, aż do produkcji drobnych wykończeń na złożonych elementach profilowanych.

Na przykład frez walcowo-czołowy JH770, przeznaczony do obróbki zgrubnej, dostępny jest w wersjach z 4, 5 i 6 ostrzami, które umożliwiają wykorzystanie różnych wariantów narzędzia przeznaczonych do obróbki zgrubnej z brył lub do wykonywania operacji na kształcie zbliżonym do wyrobu gotowego. Narzędzie charakteryzuje się niewielką długością całkowitą, co zapewnia maksymalną sztywność podczas usuwania metali ciężkich. Zestaw obejmuje również frez JH780 – 4-ostrzowy, stożkowy frez kulowy (TBN) do 5-osiowego wykańczania drobnych detali elementów, takich jak kształt występu kłykciowego.

Standaryzowane narzędzia produkowane są z wytrzymałego gatunku pełnowęglikowego (12% Co) i mają opracowaną przez SECO polerowaną powłokę TiAlSiN HXT.


O autorach:
Jan-Willem van Iperen (inżynier ds. zastosowań medycznych) i Ruud Zanders (Jabro Product Manager) byli częścią zespołu rozwojowego firmy SECO i mogą pomóc w znalezieniu najbardziej odpowiedniego znormalizowanego rozwiązania w zakresie frezowania elementów medycznych. Dostępne jest również wsparcie dla programowania CAM.


Dane kontaktowe:
Jan-Willem.van.Iperen@secotools.com
Ruud.Zanders@secotools.com

Siedziba firmy Seco znajduje się w miejscowości Fagersta (Szwecja), ale zasięg firmy obejmuje 45 krajów, co sprawia, że jest to jeden z największych dostawców kompleksowych rozwiązań z zakresu skrawania metali: frezowania, toczenia, wiercenia otworów i gwintowania. Od ponad 80 lat firma Seco współpracuje z producentami ze wszystkich branż i opracowuje narzędzia, procesy oraz usługi niezbędne do maksymalizacji produktywności i dochodowości. Więcej informacji można uzyskać u miejscowego przedstawiciela firmy Seco lub na stronie internetowej www.secotools.com.


Seco Tools (Poland) Sp. z o.o.
ul. Naukowa 1
02-463 Warszawa
HOSZWA Marcin
Phone : +48 607 559 607
Fax : +48 22 637 53 84
marcin.hoszwa@secotools.com


Leave a Reply

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *