Zerspanung Herausforderung Hämostat: anspruchsvoll, aber möglich

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Der Barbier-Chirurg Ambroise Paré hätte sich im 16. Jhd. sicher nicht vorstellen können, dass sein Krähenschnabel auch im 21. Jhd. noch immer als hämostatische Klemme im Einsatz ist. Heute wird das Medizinprodukt auf Hightech-Maschinen mit Hochpräzisionswerkzeugen produziert – den mechanischen Herausforderungen zum Trotz.

Sie ist unscheinbar und doch rettet sie täglich Leben: die hämostatische Klemme, ein wichtiges und zuverlässiges Instrument zur Blutstillung. In der Anfangsphase einer Operation ist es üblich, dass der erste Schnitt mit Hämostaten ausgekleidet wird, die die Blutgefäße verschließen, welche mittels einer Ligatur dann abgebunden werden. Dieses Konzept geht auf das zweite Jahrhundert n. Chr. zurück, doch geriet dann in Vergessenheit, bis es im 16. Jahrhundert durch den französischen Barbier-Chirurgen Ambroise Paré wiederentdeckt wurde. Er stellte den Vorgänger des modernen Hämostats her und gab ihm den bezeichnenden Namen „Bec de Corbin“ (Krähenschnabel). Optisch hat sich das moderne Hämostatikum stark gewandelt. Eine Eigenschaft bleibt, es muss den Chirurgen gut in der Hand liegen.

Die Klemme weist eine gewisse Ähnlichkeit mit chirurgischen Scheren auf, verfügt aber statt Schneideflächen über zwei quergeriefte Mäuler. Das Instrument hat Griffe, die durch seinen Verriegelungsmechanismus in Position gehalten werden können. Dieser besteht aus einer Reihe von ineinandergreifenden Zähnen, die es dem Anwender ermöglichen, die Klemmkraft der Zange einzustellen. Die Struktur der Spitze besteht aus einer feinen Riffelung, die verhindert, dass das Blutgefäß verletzt wird. Da sie in offenen Wunden eingesetzt wird, ist sie i. d. R. aus rostfreiem Stahl, der im Bereich der Zerspanung nicht selten als Problemwerkstoff betitelt wird. Zudem soll sie ein perfektes Oberflächenfinish haben. Das sind die mechanischen Herausforderungen, denen sich die medizintechnischen Hersteller stellen müssen.

Die Medizintechnik bewegt sich immer dynamischer in Richtung Zukunft

Marktforschungsunternehmen erwarten für die Medizintechnik weltweit eine durchschnittliche jährliche Wachstumsrate von 5,6 Prozent. Triebfedern sind die Innovationskraft der Branche und der demografische Wandel. Damit geht ein großes Konkurrenzaufkommen einher, denn immer mehr Unternehmen entdecken die medizintechnische Branche als neue Marktchance. So ist trotz steigender Nachfrage der Kostendruck immens. Bestimmend sind auch die hohen Anforderungen in der Zertifizierung der Medtech-Produkte. Die Hersteller sind gezwungen, ihre Produktivität bei gleichbleibenden höchsten Qualitätsstandards zu steigern. Wer für diese Herausforderungen fit sein will, muss das Beste aus seiner Produktion herausholen.

Der Schweizer Präzisionswerkzeug-Hersteller Mikron Tool beweist, dass sich das Beste herausholen lässt. Dafür sorgen heute 250 Mitarbeiter. Markus Schnyder, Präsident der Mikron Tool International, führt aus: „In unserem Technology Center haben wir uns mit der Bearbeitung dieses chirurgischen Instruments intensiv befasst. Die Anforderungen des Kunden waren klar definiert: die Produktionszeiten radikal senken, Komplettfertigung in einer Aufspannung, Reduzierung der Stützstege, optimale Oberflächengüte und gratfreie Kanten. Das war schon anspruchsvoll, das Material war es auch: ein ­17-4PH martensitischer Edelstahl.“ Dieser bietet eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit, Verschleißfestigkeit und Härte und wird daher gerne bei chirurgischen Instrumenten eingesetzt. „Bei der Zerspanbarkeit bekommt er leider kein so gutes Urteil“, sagt Schnyder. „Auf einer Skala von 1 (= schlecht) bis 10 (= gut) erhält er eine 3. Das gesamte Projekt war eine Herausforderung.“

Fräsen aus dem Vollen liefert Hochleistung und Zeitersparnis

Mikron Tool entschied sich für einen dynamischen Prozess mit Fräsen aus dem Vollen. Bei der Maschine fiel die Wahl auf ein hochdynamisches 5-Achsen-Bearbeitungszentrum DMP 70 von DMG Mori. Durch die Zusammenfassung mehrerer Bearbeitungsprozesse lässt sich das Werkstück hier in nur einem Aufspannvorgang fast komplett mit den standardisierten Fräsern von Mikron Tool zerspanen.

Dank der Innenkühlung auf der Maschinenspindel kann das Unternehmen Werkzeuge mit dem patentierten Kühlsystem einsetzen. Die im Schaft integrierten Kühlkanäle führen das Kühlmittel direkt an die Schneiden und sorgen in jeder Position für eine konstante und gezielte Kühlung. Gleichzeitig werden durch den massiven Kühlstrahl die Späne kontinuierlich aus der Fräszone gespült. Davon profitieren die Oberflächengüte des Bauteils und die Standzeit des Werkzeugs. Dank des ständig gekühlten Werkzeugs sind zudem hohe Einsatzparameter in puncto Schnittgeschwindigkeit, Vorschub und Zustellung möglich, die die Bearbeitungszeit erheblich verkürzen.

Beim Fräsen aus dem Vollen ist die Aufspannung ein heikler Punkt. Hier ist der rundum freie Zugang ohne Störkanten zum Werkstück ausschlaggebend, sodass die Werkzeuge möglichst kurz eingespannt werden können. Dank dem von Mikron Tool gewählten Nullpunktspannsystem lassen sich das Werkstück, die Vorrichtungen und Spannmittel in einem Arbeitsgang schnell und präzise positionieren, fixieren und spannen. Auf diese Weise werden die Rüstzeiten drastisch gekürzt. Ein entscheidender Faktor, wenn es um Kosteneinsparungen in der Prozesskette geht. Um den Materialeinsatz so gering wie möglich zu halten, wurde das Rohteil bei nur 3 mm Spannhöhe fixiert. Aber aufgepasst: Hiervon wird die gesamte Frässtrategie bestimmt, da die von der Seite wirkenden Kräfte auf ein Minimum zu beschränken sind.

Dynamische Frässtrategien sind der Schlüssel zum Erfolg

Die Maschine ist dynamisch, die Frässtrategie ist es auch. Insgesamt setzt Mikron Tool zehn Werkzeuge für die Zerspanung des Hämostats ein, alle speziell für die Bearbeitung von rostfreiem Stahl entwickelt: einen Tauchfräser, diverse 4-zahnige Schrupp- und Schlichtfräser, einen Entgratfräser und zwei Schwalbenschwanzfräser. Der Entwicklungsleiter Dr. Alberto Gotti hebt ein paar Details der Frässtrategie hervor: „Durch die Nullpunktspannung und durch die Fertigstellung in nur einer Aufspannung war das Vermeiden von hohen Kräften unser Hauptanliegen. Unsere Profis wählten eine dynamische Strategie: hohe Schnittgeschwindigkeiten (beim Schruppen bis zu 220 m/min), hohe Vorschübe f_z (bis zu 0,15 mm) und eine hohe axiale (ap), aber eine geringe radiale Zustellung (ae).“

Um die hohen Vorschübe beim Schruppen zu realisieren, hat Mikron Tool 4-zahnige Fräser verwendet. Beim Ausfräsen des Auges des Griffs erwies sich die Strategie der Spiralinterpolation als besonders zeitsparend. Für die feine Riffelung an der Spitze wurde ein Schwalbenschwanzfräser eingesetzt, der dank seiner speziellen Form in der Bearbeitung rasant war. Die längliche Nut an der Innenkontur wurde mit dem 3-zahnigen Tauchfräser realisiert. Dort bildete sich beim Fräsen jedoch eine kleine scharfe Kante, die sich als besonders tückisch erwies. Dank eines Kugel-Entgratfräsers (Crazy Mill Radiuschamfer) konnte sie entgratet werden, ohne dass ein Wechsel der Aufspannung notwendig gewesen wäre.

Die Zähne des Verriegelungsmechanismus wurden in einer der letzten Operationen mit einem weiteren Sonderwerkzeug realisiert. Im letzten Schritt wurde das Werkstück aus der Rohform befreit, wobei die Anzahl der Stützstege auf ein Minimum reduziert wurde. „Es war uns klar, dass die Nachbearbeitungsschritte limitiert sein mussten, um auch hier die Kosten niedrig zu halten“, erklärt Gotti. Das zerspante Hämostat wird anschließend noch trowalisiert, denn die Klemmen müssen absolut gratfrei sein und eine hundertprozentige Griffsicherheit haben.

Aufeinander abgestimmte Interaktion liefert das beste Ergebnis

Um das Beste aus der Produktion herauszuholen, muss der Fokus auf der perfekten Bearbeitungsstrategie liegen. Maschine, Werkzeuge, Spannung, Kühlung: Eine bis ins Detail abgestimmte Interaktion aller Beteiligten liefert das angestrebte Resultat. Und das lässt sich sehen: Die Bearbeitungszeit wurde um 46 Prozent reduziert (von 65 auf 35 Minuten). Bei der Oberflächengüte wurde die geforderte Qualität von R_a 0,4 µm mit dem Erreichen von 0,2 µm deutlich unterboten. Beim R_z lagen die Werte bei 0,6 µm.

Gotti präzisiert: „Medizintechnische Leistungssteigerung ist immer häufiger das Ergebnis eines interdisziplinären Zusammenwirkens unterschiedlicher Technologien. Deshalb sind die Innovationskraft und die Forschungsaktivitäten von Mikron Tool und der Austausch mit den Partnern auf allen Ebenen enorm wichtig, um eine solche Leistung erbringen zu können.“

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* Susanne Böhm arbeitet im Marketing & Communication bei der Mikron Switzerland AG, Div. Tool

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