通過新型同步加工工藝實現功能集成的植入體 - ZykloMed

在聯邦教育與研究部（BMBF）資助的聯合項目中，INDEX、Paul Horn GmbH、Beutter Pr?zisions-Komponenten GmbH 和卡爾斯魯厄理工學院（KIT）wbk 生產工程研究所的參與合作伙伴展示了他們在醫(yī)療行業(yè)的專業(yè)技術。合作雙方利用新的現代制造工藝，解決了多功能和非圓形仿生設計植入物的經濟加工難題。重點是偏心車削、多邊形車削和旋轉銑削這三種制造工藝。

現代骨科、創(chuàng)傷科和牙科技術對醫(yī)療植入體的強度、生物相容性和仿生優(yōu)化幾何形狀有著嚴格的要求。植入體的幾何形狀與骨骼和組織相適應。在這一過程中，植入體的功能表面被賦予了越來越復雜的設計，以方便植入體內，減少對患者的傷害。植入體的新設計增加了制造成本，因為其表面不再是圓形或方形。它們有更多的弧形表面和在極小空間內連續(xù)過渡的功能元件。特別是需要在不同機器上進行多個制造步驟，導致成本大幅上升。例如，精確裝夾工件的精確操作就是一個相當大的成本因素。因此，盡管功能集成度很高，但仍需要高效的工藝路線來實現經濟生產。

創(chuàng)新工藝

偏車削、多邊形車削和旋轉銑削這些創(chuàng)新的制造工藝都基于多個同步旋轉軸的相同運動學原理。雖然這一原理廣為人知，但將其應用于非圓形和曲線形狀的要求卻很高。同時，實際應用必須滿足醫(yī)療行業(yè)的高質量要求。

從機器和控制技術到工具設計，再到原型和批量生產，項目合作伙伴在整個過程和供應鏈中研究和開發(fā)了新的制造程序。根據已知的方法和相同的數學原理，對制造過程進行了模擬和設計，以確定對工具和機器的要求。測試分為實驗室條件下的等效測試以及實驗室和近似應用環(huán)境下的批量前測試。工程師們在開發(fā)和設計單個流程時，重點關注機器和工具技術。

在偏心車削中，旋轉的非圓形刀具在位置耦合作用下沿著旋轉的工件被引導。兩者的速度達到一定的比例。這樣就可以在一定范圍內在工件上再現非圓形狀。該工藝可高效生產偏心外輪廓。刀具的旋轉減少了切削刃的熱負荷，從而確保了刀具的使用壽命。該工藝還可以生產錐形輪廓。

多邊形車削是一種生產非圓形外輪廓和內輪廓的工藝，其形狀為下斜面。與旋轉偏心車削一樣，該工藝也可以在車床上加工非圓形輪廓。在加工過程中，工件和刀具的平行軸相互偏移一定的軸向距離，并在位置耦合作用下達到特定的速度比。軸向距離、工件與刀具的速度比以及刀片的切削直徑決定了輪廓的尺寸。用于多邊形車削的刀具系統(tǒng)可單獨適應待加工工件的輪廓。

旋轉銑削是生產骨螺釘螺紋的一種高效工藝。一個或兩個圓形銑刀與工件成一定角度。銑刀和工件的旋轉方向可以相同，也可以相反。工件與兩把銑刀的速度比取決于螺紋數和刀片數。通過動態(tài)改變螺紋輪廓，旋轉銑削也可首次用于經濟地生產真正可變螺距的螺紋。

接近批量生產的測試獲得成功

ZykloMed 項目的合作伙伴在接近批量生產的環(huán)境中成功進行了測試，從而向研究項目的目標--經濟地生產多功能和非圓形仿生設計的植入體--又邁進了一大步。工程師們證明，同步制造工藝能夠經濟地生產現代植入體。除了生產新的部件幾何形狀外，這些工藝還為現有植入體的經濟生產提供了優(yōu)化潛力，并可能應用于醫(yī)療行業(yè)以外的領域。