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Fräsen Superkritisches CO2-Fräsen von medizinischen Kunststoffen

Ein Gastbeitrag von Erik Poulsen und Dr. Bahman Azarhoushang*

Gemeinsam mit dem Kompetenzzentrum für spanende Fertigung hat GF Machining Solutions sich den Fräsprozess von ultrahochmolekularem Polyethylen genauer angeschaut. Es wurde untersucht, inwieweit eine superkritische CO2-Kühlung Auswirkungen auf diesen Prozess hat.

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Ultrahochmolekulares Polyethylen ist ein in der medizinischen Orthopädie häufig verwendetes Material, dessen haltbare, reibungsarme Oberfläche als Spacer für Knie-, Hüft- und Schulterimplantate eingesetzt wird, um die Beweglichkeit sicherzustellen. (Symbolbild)
Ultrahochmolekulares Polyethylen ist ein in der medizinischen Orthopädie häufig verwendetes Material, dessen haltbare, reibungsarme Oberfläche als Spacer für Knie-, Hüft- und Schulterimplantate eingesetzt wird, um die Beweglichkeit sicherzustellen. (Symbolbild)
(Bild: BV-Med)

Ultrahochmolekulares Polyethylen (UHMWPE) ist ein in der medizinischen Orthopädie häufig verwendetes Material, dessen haltbare, reibungsarme Oberfläche als Spacer für Knie-, Hüft- und Schulterimplantate eingesetzt wird, um die Beweglichkeit sicherzustellen. Bei der Bearbeitung dieses Materials durch herkömmliches Fräsen entstehen Grate, die oft in einem zweiten Prozess manuell entfernt werden müssen. Da der Wärmeausdehnungskoeffizient von UHMWPE mehr als 12-mal so hoch ist wie der von Stählen, ist die Überwachung der Bearbeitungswärme von entscheidender Bedeutung, um die für Implantate erforderlichen engen Toleranzen und hohen Maßgenauigkeiten zu erreichen.

GF Machining Solutions hat gemeinsam mit dem Kompetenzzentrum für spanende Fertigung (KSF) Untersuchungen zur Auswirkung der superkritischen CO2-Kühlung (scCO2) auf den Fräsprozess mit einer 5-Achs-Fräsmaschine Mikron MILL S 400 U – ausgestattet mit einer Step-Tec-42k-Spindel, einem Pure-Cut+-scCO2-Zuführsystem von Fusion Coolant Systems und verschiedenen Fräswerkzeugen wie einem 3-mm-Schaftfräser (einschneidig) für das Nutenfräsen und einem 6-mm-Kugelkopffräser für das Fräsen eines Kniespacers – mit verschiedenen Schnittparametern durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen eine deutliche Verringerung der Grate, verbesserte Werkstückgenauigkeit und bessere Oberflächenqualität. Diese Faktoren deuten auf einen zuverlässigeren Bearbeitungsprozess hin, der das manuelle Entgraten stark reduzieren oder sogar überflüssig machen könnte.

Trockenes Nutfräsen

UHMWPE kann trocken gefräst werden, um das Eindringen von Verunreinigungen und die Aufnahme von Feuchtigkeit, insbesondere bei medizinischen Anwendungen, zu vermeiden. Die Nutbearbeitung wurde „trocken“ für eine Nutbreite von 3 mm und eine Tiefe von 6 mm durchgeführt. In Abbildung 1 sieht man den Ein- und Austrittskanal nach dem Vorschruppen beim Trockenfräsen und die daraus resultierende Gratbildung.

Abbildung 1: Übermäßige Gratbildung am Eingang und Ausgang der Nut beim Trockenfräsen.
Abbildung 1: Übermäßige Gratbildung am Eingang und Ausgang der Nut beim Trockenfräsen.
(Bild: KSF)

Superkritisches CO2 mit MMS

Ein superkritisches CO2-Zuführsystem von Fusion Coolant Systems wurde vollständig in die Mikron-MILL-S-Maschine integriert. Dieses System ist in der Lage, superkritisches Kohlendioxid (scCO2) mit einem Druck von bis zu 110 bar bereitzustellen, und umfasst ein Pure-Cut+-MMS(Minimalmengenschmierung)-Zuführsystem. Das scCO2 wird mit der MMS durch die Spindel geführt, wobei das sich schnell ausdehnende scCO2 über kleine Öffnungen im Werkzeughalter auf die Schneidkanten des Fräsers gelenkt wird. Dem scCO2 wurde ein medizinischer Kühlschmierstoff, Sentos V-LR15 von HPM Technologie, mit einer Durchflussrate von 0,1 bis 0,25 ml/Stunde zugeführt. Dieses spezielle Schmiermittel ist für die Verwendung bei medizinischen Produkten validiert, da es bei Raumtemperatur verdampft, ohne Rückstände auf der gefrästen Oberfläche zu hinterlassen. Bei Vergleichsbearbeitungen mit scCO2 konnte eine deutliche Reduktion der Gratbildung gegenüber der Referenzbearbeitung festgestellt werden (s. Abbildung 2).

Abbildung 2: Minimale Gratbildung am Ein- und Austritt der Nut beim scCO₂-Fräsen.
Abbildung 2: Minimale Gratbildung am Ein- und Austritt der Nut beim scCO₂-Fräsen.
(Bild: KSF)

Ergebnisse und vorläufige Analyse

Mithilfe einer Bildverarbeitungssoftware wurde anhand der Bilder aus Abbildung 1 und Abbildung 2 die Gratfläche berechnet und zwischen dem Trocken- und dem superkritischen CO2-Fräsen verglichen (s. Abbildung 3).

Abbildung 3: Gratfläche beim Trocken- und scCO₂-Fräsen von UHMWPE.
Abbildung 3: Gratfläche beim Trocken- und scCO₂-Fräsen von UHMWPE.
(Bild: KSF)

Vergleicht man die Gratfläche bei der Trocken- und der scCO2-Bearbeitung, so stellt man fest, dass sich die Gratbildung um etwa 95 Prozent verringert. In der Studie wurde auch die Oberflächenrauigkeit (Rz) der Nutflanke betrachtet. Während des Schruppvorgangs wurde bei der Bearbeitung mit scCO2 eine um ca. 30 Prozent geringere Rauheit als bei der Trockenbearbeitung festgestellt (s. Abbildung 4). Die Verringerung der Rauheit wird in der Abbildung 5 belegt.

Abbildung 4: Oberflächenrauhigkeit der Nutflanke beim Trocken- und scCO₂-Fräsen von UHMWPE.
Abbildung 4: Oberflächenrauhigkeit der Nutflanke beim Trocken- und scCO₂-Fräsen von UHMWPE.
(Bild: KSF)

Abbildung 5: Vergleich der Oberflächenqualität von Nuten, die durch Trocken- und scCO₂-Fräsen hergestellt wurden.
Abbildung 5: Vergleich der Oberflächenqualität von Nuten, die durch Trocken- und scCO₂-Fräsen hergestellt wurden.
(Bild: KSF)

5-Achs-Fräsen

Im nächsten Versuchsschritt wurde ein Knie-Spacer durch 5-Achs-Fräsen sowohl trocken als auch unter scCO2-Bedingungen bearbeitet. Die verwendeten Vorschrupp-Parameter sind in Abbildung 6 aufgeführt. Wie aus der Abbildung ersichtlich ist, verursachte das Trockenfräsen eine übermäßige Gratbildung (wahrscheinlich aufgrund von Materialaufschmelzung während des Schneidprozesses) und eine schlechte Oberflächenqualität.

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Eine sehr geringe Gratbildung und eine saubere Werkstückoberfläche mit detaillierten Fräskonturen sind hingegen das Ergebnis des scCO2-Fräsens.

Abbildung 6: Vergleich zwischen Gratbildung und Oberflächenqualität von 
Knieabstandshaltern (Gleitflächen), die durch 5-Achs-Fräsen unter trockenen und scCO₂-Bedingungen hergestellt wurden.
Abbildung 6: Vergleich zwischen Gratbildung und Oberflächenqualität von 
Knieabstandshaltern (Gleitflächen), die durch 5-Achs-Fräsen unter trockenen und scCO₂-Bedingungen hergestellt wurden.
(Bild: KSF)

Mögliche Anwendungen und Bereiche für weitere Forschung

Die Verwendung von UHMWPE in Knie-, Schulter- und Hüftimplantaten ist weit verbreitet. Da das Material nicht mit herkömmlichen Technologien geformt werden kann, werden sie meist gefräst. In den meisten Fällen entsteht beim Fräsen eine beträchtliche Anzahl von Graten, die zumeist mittels manuellem Prozess von zusätzlichen Arbeitskräften entfernt werden.

Weitere Versuche müssen mit speziellen Werkzeugen durchgeführt werden, die für die Verwendung mit scCO2 angepasst sind. Es scheint jedoch wahrscheinlich, dass diese Technologie ein stabiles, wiederholbares Bearbeitungsverfahren für UHMWPE ermöglichen könnte, welches zu einer wesentlich höheren Oberflächengüte und zu deutlich weniger Graten führt. Bei zukünftigen Versuchen werden das KSF und GF Machining Solutions den Einfluss verschiedener Werkzeuggeometrien sowie Variationen von Drehzahl und Vorschubgeschwindigkeit auf die Oberflächenrauigkeit und Gratbildung untersuchen.

Weitere Artikel über Auftragsfertigung und Fertigungseinrichtungen finden Sie in unserem Themenkanal Fertigung.

* Die Autoren: Erik Poulsen ist Leiter des Marktsegments Medizintechnik bei GF Machining Solutions und Dr. Bahman Azarhoushang ist Leiter des Kompetenzzentrums für spanende Fertigung (KSF).

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