Zum Fixieren von Knochenfragmenten gibt es eine enorme Vielfalt an unterschiedlichen Schraubenvarianten. Je nach Beschaffenheit des Knochens wie Härte, Porosität oder Knochenmark wählt der Chirurg die passende Schraube aus. Neben selbstsichernden Schrauben über konische Gewindegänge oder variablen Steigungen kommen auch Schrauben mit einer Durchgangsbohrung zum Einsatz, durch welche Knochenzement zur Stabilisierung gespritzt werden kann.
Kontinuierlicher Schnitt bringt bis zu 30 Prozent Zeitvorteil
Die Herstellung von Knochenschrauben geschieht zwangläufig über ein zerspanendes Verfahren, da der Werkstoff für diese Art von Schrauben nicht verdichtet werden darf (wie beispielsweise beim Gewinderollen). Titan kommt wegen seiner hohen Biokompatibilität häufig im menschlichen Körper zum Einsatz. Allerdings neigt der Werkstoff bei zu hoher Materialverdichtung zum Verbrennen.
Als spanabhebendes Verfahren hat sich der Prozess ‚Gewindewirbeln‘ seit Jahren etabliert. Das Wirbelverfahren ist bereits seit 1942 bekannt und unterlag lange Zeit keinen wesentlichen Weiterentwicklungen. Das konventionelle Gewindewirbeln ist ein Verfahren, das vorwiegend auf Langdrehmaschinen zur Fertigung von Knochenschrauben aber auch in größerer Dimension für die Herstellung von Gewindespindeln eingesetzt wird. Im Prozess wird der schnell rotierende Wirbelkopf exzentrisch zur Werkstückachse vor der Führungsbuchse des Langdrehers angestellt und das langsam rotierende Werkstück mit einer axialen Vorschubbewegung in den Wirbelkopf geführt.
Bisheriges Verfahren
„Das Problem beim konventionellen Wirbelverfahren ist, dass das Wirbeln und das Vordrehen des Durchmessers immer in einzelnen Schritten geschehen muss. Die Schneiden des Wirbelmessers sind nicht dafür ausgelegt, die teils doch größeren Außendurchmesser des Rohmaterials zu zerspanen“, beschreibt der Prozessentwickler von HG Medical Sebastian Schmid. Dies hat zur Folge, dass das Wirbelmesser – je nach Länge der Knochenschraube – mehrfach in den Gewindegängen neu angesetzt werden muss.
HG Medical…
… ist ein führender Lohnfertiger für orthopädische Implantate im Bereich untere und obere Extremitäten sowie für den Wirbelsäulenbereich (www.hg-medical.de). Die Kunden des Unternehmens entwickeln Produkte, welche die Lebensqualität vieler Patienten auf der ganzen Welt verbessern. Mit dem technischen Knowhow setzt das Unternehmen die Anforderungen seiner Kunden um.
Hierbei entstehen sogenannte Anfahrmarken auf der Oberfläche. Diese sind zwar biologisch unbedenklich, könnten aber bei zu hoher Beanspruchung zur Sollbruchstelle der Schraube führen. Des Weiteren ist eine makellose Oberfläche ein Qualitätsmerkmal eines jeden Implantates.
Ab jetzt Wirbeln mit Highspeed
Ein wesentlicher Schritt in der Weiterentwicklung des Wirbelprozesses ist das Highspeed-Wirbeln. In Zusammenarbeit mit dem Maschinenhersteller Index/ Traub, Horn und einer Hochschule entstand aus einer Idee dieses weitergedachte Verfahren. Hierbei ist die Drehzahl derart hoch, dass parallel zum Wirbeln ein Drehprozess erfolgen kann. Das vor dem Wirbelwerkzeug angestellte Drehwerkzeug reduziert das Materialvolumen, das sonst vom Wirbelwerkzeug abgetragen werden müsste.
Die eingesetzten Wirbelköpfe gleichen konventionellen Wirbelköpfen; nur die Schneideinsätze unterscheiden sich in der Geometrie. Die Herstellung von ein- und mehrgängigen Gewinden ist mit nur einem Schneidsatz möglich. Der Vorteil gegenüber dem konventionellen Wirbeln liegt zum einen in einem Zeitvorteil von bis zu 30 Prozent und zum anderen in der höheren erreichbaren Werkstückqualität. „Der Zeitvorteil hängt immer vom jeweiligen Anwendungsfall und von der Schraubengeometrie ab“, erklärt Schmid. „Wir sehen einen großen Vorteil durch den Entfall der Anfahrmarken, da sich beim Highspeed-Wirbeln die Schneiden in einem kontinuierlichen Schnitt befinden.“
Theoretisch ergibt sich beim Highspeed-Wirbeln auch ein Vorteil von erhöhten Standzeiten der eingesetzten Schneiden. Dieser ergibt sich infolge des geringeren zu zerspanenden Materialvolumens aufgrund der vorangegangenen Drehbearbeitung. „Diesen Vorteil hätte ich beispielsweise beim Wirbeln von kurzspanenden Werkstoffen. Wir verarbeiten jedoch zu nahezu 100 Prozent langspanende Titanlegierungen. Der Wirbelkopf dient beim Highspeed-Wirbeln von Titan zwangsläufig als ‚Häcksler‘ der langen Späne von der parallelen Drehbearbeitung“, erklärt Schmid. Dies macht den Vorteil der längeren Standzeit in diesem Fall wieder wett. Im Durchschnitt liegt die zu erreichende Standzeit auf einem ähnlichen Niveau wie beim konventionellen Wirbeln. „Wir drehen beziehungsweise wechseln die Schneideinsätze der Wirbelmesser in einem bestimmten Turnus. Die Qualität der Knochenschrauben steht dabei immer über der maximal zu erreichenden Standzeit“, begründet Schmid.
Besonders hohe Präzisionsanforderungen
Knochenschrauben unterliegen strengen Kriterien an die Fertigungsqualität. „Die Fertigungstoleranzen, gerade beim Kerndurchmesser des Gewindes, sind je nach Schraube sehr eng“, so Schmid. Des Weiteren sei bei der Produktion eine absolute Gratfreiheit zu garantieren. Jeder noch so kleine Grataufwurf stelle eine potenzielle Gefahr für spätere Keimstellen dar.
„Um diese Qualitäten und Vorgaben zu erreichen, müssen die Wirbelwerkzeuge mit den eingesetzten Schneidplatten hochpräzise gefertigt sein. Ein großer Fokus liegt hierbei auf der Plan- und Rundlaufgenauigkeit. Gerade beim Übergang von zwei verschiedenen Gewinden oder beim erneuten Ansetzen ist diese Genauigkeit entscheidend“, erklärt Horn-Außendienstmitarbeiter Stefan Benz.
Produktiver Langdreher
Das Maschinenkonzept des Langdrehautomaten Traub TNL20 wurde konsequent auf die täglichen Anforderungen der Anwender abgestimmt. So gestattet die Kinematik des Langdrehers eine effektive und zeitgleiche Bearbeitung mit zwei, drei oder vier Werkzeugen. Der großzügige und senkrecht gestaltete Arbeitsraum sorgt dabei für die nötigen Freiheitsgrade sowie eine besonders hohe Prozesssicherheit. Den entscheidenden Produktivitätsvorteil erzielt der Langdrehautomat aufgrund der hohen Dynamik. Das neu entwickelte Maschinenbett aus Grauguß bildet dabei die Basis für schwingungsdämpfende Eigenschaften. Die hohe Steifigkeit und thermische Stabilität gewährleisten darüber hinaus beim Langdrehen und Kurzdrehen eine ausgezeichnete Werkstückqualität.
Horn schleift die Schneiden mit Längentoleranzen von unter 0,002mm. Darüber hinaus sind die Plattensitze des Wirbelkopfes ebenfalls hochpräzise gefertigt. Ein weiteres Qualitätsmerkmal ist das Profil der geschliffenen Schneide. Definierte Innenradien von r=0,025mm mit Toleranzen von +/-0,005mm sind beim Präzisionsschliff der Wendeschneidplatten (WSP) keine Seltenheit. Für die Schneideinsätze kommen in den Horn-Wirbelwerkzeugen hauptsächlich die dreischneidige WSP des Typs S302 oder die zweischneidige Platte des Typs S274 zum Einsatz. Alle Wirbelwerkzeuge sind Sonderausführungen nach Kundenwunsch.
Knifflige Aufgaben gemeinsam lösen
Seit rund zehn Jahren verrichten die Horn-Werkzeuglösungen nun ihren zuverlässigen Dienst in den Hallen von HG Medical. Neben den Werkzeugen zum Gewindewirbeln setzt das Unternehmen auch auf Systeme zum Stechdrehen und Innenausdrehen von Horn.
