Zerspanungssysteme | Bei der Herstellung von Kniegelenkprothesen aus PEEK sorgt ein neuer Fräser für deutlich bessere Oberflächenrauheit der Gelenkkörper. Das erspart aufwendige Nacharbeiten am Gelenk und reduziert die Fertigungskosten.
Ralph R. HufschmiedHufschmied Zerspanungssysteme, Bobingen
Das Kniegelenk besteht aus zwei abgerundeten, parallel zueinander stehenden Strukturen (Femurrollen) am Ende des Oberschenkelknochens (Femur) und dem „Kopf“ am Ende des Schienbeins (Tibakopf). Femurrollen und Tibakopf sind mit Knorpel überzogen. Das Gleiten der Femurrollen auf dem Tiabakopf ist das, was der Mensch als Beweglichkeit bei ungefähr 1,5 Millionen Schritten im Jahr wahrnimmt. Im Alter werden an den stark belasteten Kniegelenken oft unheilbare Knochenschädigungen festgestellt, die Schmerzen hervorrufen und die Beweglichkeit einschränken. Die Implantation künstlicher Kniegelenke ist in vielen Fällen die einzige Lösung, um wieder beschwerdefreie Beweglichkeit herzustellen.
Die Kniegelenkprothese muss über die Funktionalität verfügen, die das natürliche Gelenk aufweist. Das betrifft vor allem die Aufnahme und Übertragung sehr hoher Druckkräfte. Die tatsächlich auftretenden Pressdrücke sind wie beim organischen Gelenk erheblich höher als das Körpergewicht, weil die Kräfte nicht auf die gesamte Gelenkfläche, sondern nur auf die sich berührenden Gelenkkörper wirken. Schon im Alltag, beim Gehen und Treppensteigen wurden Kontaktkräfte von 200 bis 350 % des Körpergewichts gemessen. Darüber hinaus wird vom künstlichen Kniegelenk eine hohe Standzeit verlangt. Die wirklich große Herausforderung ist jedoch eine andere: Das künstliche Kniegelenk muss bei den oben dargelegten Belastungen ohne Schmierung über viele Jahre uneingeschränkt funktionieren.
Ausschlaggebend für das Gleitvermögen der künstlichen Gelenkkörper – Femur- und Tiba-Implantat – ist das Material, aus dem sie hergestellt werden. Es ist heute vorzugsweise PEEK, ein thermoplastischer Kunststoff, der zu den Polymeren gehört. Die besonderen Eigenschaften sind das niedrige Gewicht, hohe Maßhaltigkeit, Steifigkeit und Abriebfestigkeit sowie chemische Beständigkeit. Außerdem ist es wärmeformbeständig, wiederholt sterilisierbar, biokompatibel und röntgendurchlässig. Aufgrund dieser Eigenschaften hat PEEK in wichtigen Teilbereichen die konventionellen Werkstoffe Titan und Kobalt-Chrom verdrängt.
Gleitfähigkeit setzt Gleitvermögen des Werkstoffs und eine geeignete Formung voraus, bestimmt sich jedoch ihrem Reibungswiderstand nach maßgeblich durch die Oberflächenrauheit der Gelenkkörper. Dieser für die Beweglichkeit entscheidende Parameter hat durch Hufschmied Zerspanungssysteme ein neues Qualitätsniveau erreicht.
Extreme hohe Anforderungen an das künstliche Kniegelenk
Dem Spezialisten für Bohr- und Fräswerkzeuge gelang es anhand aufwendiger Versuchsreihen, einen Fräser zu entwickeln, der einen Quantensprung beim Fräsen von PEEK bedeutet: Dank einer neuen, material- und bearbeitungsgerecht ausgelegten Schneidenform mit einem positiveren Spanwinkel konnte die Oberflächenrauheit um mehr als 50 % auf Ra 0,69 verbessert werden. Ein renommierter Hersteller künstlicher Kniegelenke, der an den Tests beteiligt war, hatte für Ra den Wert 1,6 vorgegeben.
Allein in Deutschland werden pro Jahr mehr als 100 000 dieser Prothesen implantiert. Damit sind erhebliche Kosten verbunden, an deren Reduzierung nicht nur die Kostenträger, sondern auch die Hersteller der Implantate interessiert sind. Mit den neuen Fräsern der Hufschmied Zerspanungssysteme GmbH, Bobingen, können die Fertigungskosten gesenkt werden. Die speziell ausgelegte Fräsergeometrie sorgt für eine bessere Schnittkantenqualität, was sich unter anderem in weit weniger stark ausgeprägten Ausfransungen und Absplitterungen zeigt. Im Rahmen eines umfassenden Projekts, an dem nicht nur das Unternehmen aus Bobingen beteiligt ist, wurde dieser Vorteil mit der anspruchsvollen Bearbeitung von CF-PEEK (kohlenstofffaserverstärktes PEEK) nachgewiesen. Nach dem anerkannten Bewertungsmodell der TU Wien wurde ein indexierter Wert von 0,05 erreicht, während der Index bei Bearbeitung mit konventionellen Vollhartmetallfräsern den Wert 0,55 aufwies.
Für die Praxis heißt dies, dass der neue Fräser aufwendige Nacharbeit erspart und damit deutlich die Fertigungskosten reduziert. Hinzu kommt, dass der Vorschub ohne Abstriche an der Prozess- und Produktqualität von 1700 mm/min auf 3500 mm/min erhöht werden konnte. Somit lässt sich in der Summe die Bearbeitungszeit um mehr als 50 % senken – und das bei höherer Oberflächengüte der bearbeiteten Teile. Derartige Verbesserungen lassen sich nicht ohne ein tiefgreifendes Verständnis von Material, Formung der Werkstücke, Werkzeug und Prozesstechnik erzielen. So ist bei Optimierungsaufgaben unter anderem die Fräsrichtung und das Schlichtaufmaß einzubeziehen. Das Beratungsteam von Hufschmied Zerspanungssysteme verhilft Anwendern mit Engineering-Dienstleistungen zu wirtschaftlichen Lösungen. ■
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