Wie die CNC-Bearbeitung die Medizinbranche verändert

Jun 24, 2023

Gordon Styles | 11. August 2022

Produkte, Geräte und Zubehör für die Medizin werden immer ausgefeilter, da neue Technologien zur Verbesserung der menschlichen Gesundheit und der Patientenergebnisse aufkommen. Diese Produkte sind überall zu finden, von chirurgischen Stationen bis zu Rehabilitationszentren, von Kleinstadtkliniken bis zur Hausapotheke der Familie.

Unabhängig von der Art des Produkts haben sie alle einige gemeinsame Merkmale.

Die CNC-Bearbeitung ist eine ideale Fertigungslösung, um all diese Kriterien und mehr zu erfüllen.

Fortschritte in der CNC-Werkzeugmaschinentechnologie werden durch die Anforderungen des Marktes vorangetrieben. Anspruchsvolle Designs für Anwendungen der nächsten Generation erfordern ein höheres Maß an Präzision und Wiederholbarkeit. Das wiederum erweitert den Rahmen dessen, was bei der Werkzeugkonstruktion physikalisch möglich ist.

Maschinenhersteller sind stets auf der Suche nach Möglichkeiten, die Leistung zu optimieren, indem sie Vibrationen kontrollieren, die Maschinengeschwindigkeit erhöhen, die Wartungskosten senken und flexible Bearbeitungsplattformen bereitstellen, die mehrere komplexe Aufgaben in einem Maschinenaufbau ausführen können.

Es gibt drei fortschrittliche technische Lösungen, die in all diesen Bereichen helfen können.

Mehrachsige CNC-Maschinen fahren auf mehreren unabhängigen Achsen. Zu diesem Zweck verwenden die meisten Maschinen eine Zahnstangenführung oder ein lineares Spindel- und Kugelantriebssystem. Beide Typen unterliegen Reibung und Verschleiß und weisen Einschränkungen sowohl in der Genauigkeit als auch in der Geschwindigkeit auf.

Aber lineare Antriebssysteme funktionieren ähnlich wie eine Magnetschwebebahn. Elektrischer Strom, der mit starken Magneten interagiert, lässt den Schlitten von der Führungsschiene schweben und treibt gleichzeitig seine Bewegung an. Das bedeutet keine Reibung, kein Verschleiß und keine Wartung. Und lineare Antriebssysteme bewegen sich viel schneller und mit viel höherer Genauigkeit und Präzision.

Eine weitere innovative Antriebslösung, ebenfalls auf Reibungsreduzierung abgestimmt, ist die hydrostatische Führung. Dabei kommen präzise geschliffene Führungsbahnen zum Einsatz, die mit einem dünnen Ölfilm gepolstert sind. Das Öl wird kontinuierlich in einen Schlitten hinein und wieder herausgepumpt, und dieser Schlitten hält das Werkstück. Die Ölflotation dämpft Vibrationen und beseitigt Reibung, was zu einer hervorragenden Oberflächengüte des Teils führt.

Bei der Bearbeitung im Grenzbereich der Leistungsfähigkeit ist die Wärmeentwicklung immer ein Problem. Dies liegt daran, dass die natürliche Ausdehnung aller Materialien bei Erwärmung die Toleranzen definitiv außer Kontrolle bringt – es sei denn, diese Wärme wird durch eine sehr ernsthafte zentrale Kühlung kontrolliert. Darüber hinaus haben intelligente Hersteller herausgefunden, wie sie die Expansionsrate aller kritischen Komponenten in ihrem System berechnen und diesen Bewegungen dann entsprechend entgegenwirken können.

Fortschrittlichere Werkzeugmaschinen ermöglichen die Herstellung fortschrittlicherer Produkte, und das ist bei medizinischen Geräten sicherlich keine Ausnahme.

Es gibt keinen anderen Massenproduktionsprozess, der so zuverlässig, präzise, ​​skalierbar, kostengünstig und einfach anzupassen ist. Schauen wir uns genauer an, wie die CNC-Bearbeitung genutzt werden kann, um die Entwicklung medizinischer Geräte in bestimmten Schlüsselbereichen zu verbessern.

Jedes neue Produkt beginnt mit einem Prototyp. Das gilt für die Medizintechnik genauso wie für jede andere Branche. Die Verwendung der CNC-Bearbeitung für medizinische Prototypen bietet mehrere Vorteile.

Erstens ist es schnell. Sobald ein Entwurf genehmigt ist, kann ein fertiges Teil in nur einem Tag programmiert und bearbeitet werden. Dadurch können die Produktingenieure direkt mit der Prüfung auf Passform und Funktion beginnen – entscheidende Schritte im Prototyping-Prozess.

Physische Prototypen helfen dabei, potenzielle Designfehler oder Bereiche zu identifizieren, die verbessert werden können. Wenn kleinere Änderungen vorgenommen werden müssen, ist es ein kleiner Aufwand, das Maschinenprogramm entsprechend zu ändern.

Sobald ein Design festgelegt wurde, kann jede ordnungsgemäß funktionierende CNC-Fräse oder Drehmaschine Duplikatteile in jedem beliebigen Volumen herstellen, mit nur minimalen Abweichungen in der Toleranz von Teil zu Teil, typischerweise 5 Mikrometer oder weniger. In einer früheren Ära hätte das Erreichen dieses Genauigkeitsgrads mit einer manuell betriebenen Werkzeugmaschine die Fähigkeiten eines Meistermaschinisten unter kontrollierten Bedingungen erfordert, und es wäre viel langsamer und viel teurer gewesen.

Dank digitaler Motoren, hochentwickelter Software und spezieller Schneidwerkzeuge ist dieser Grad an Perfektion nun leicht erreichbar und absolut zuverlässig. Daher müssen sich Medizinproduktdesigner nicht mehr fragen: Ist das machbar? Ja, kann es.

Einige Massenproduktionsprozesse hängen zunächst von der Herstellung spezieller Form- oder Gussformen ab, beispielsweise beim Kunststoffspritzguss oder beim Feinguss. Die Herstellung dieser Matrizen dauert erheblich länger und erfordert eine hohe Anfangsinvestition. Aus Sicht des Entwicklers besteht die einzige Möglichkeit, die Kosten dieser Investition zu decken, darin, sich dazu zu verpflichten, im Laufe der Zeit eine große Anzahl fertiger Produkte herzustellen.

Da viele medizinische Designs jedoch stark kundenspezifisch sind und nicht in großen Stückzahlen hergestellt werden, ist eine Investition in Werkzeuge keine sinnvolle Option.

Für die CNC-Bearbeitung sind keine harten Werkzeuge erforderlich, sodass ein einzelnes Teil kostengünstig hergestellt werden kann und die Stückzahlen bei steigender Nachfrage langsam ansteigen.

Bei der CNC-Bearbeitung ist es auch egal, welches Rohmaterial bearbeitet wird, solange es steif genug ist, um der Kraft der Schneidwerkzeuge standzuhalten. Möglicherweise sind einige geringfügige Maschinenanpassungen erforderlich, um unterschiedliche Arten von Metall oder Kunststoff (Geschwindigkeiten und Vorschübe) zu berücksichtigen. Diese Vielseitigkeit bedeutet jedoch im Wesentlichen, dass Designer und Medizintechniker einen großen Spielraum bei der Auswahl des Materials haben, das für die beabsichtigte Anwendung am besten geeignet ist.

Es gibt viele unabhängige Zertifizierungen, die für verschiedene Medizinprodukte gelten können. Die wichtigste davon ist ISO 13485. Diese legt fest, dass ein Hersteller die erforderlichen Chain-of-Custody-Protokolle nachgewiesen hat, um alle Rohstoffe zu schützen, die seine Anlage durchlaufen alle fertigen oder halbfertigen Waren. Sie müssen sauber und frei von Verunreinigungen gehalten und von anderen nicht konformen Produkten getrennt werden, und die Rohstoffe müssen nachweislich keine schädlichen Chemikalien enthalten.

Es ist zu beachten, dass bei der Beantragung einer FDA-Zulassung oder -Freigabe in den Vereinigten Staaten für ein Medizinprodukt oder der entsprechenden CE-Kennzeichnung in Europa der Eigentümer oder Lizenznehmer des Designs dafür verantwortlich ist, den erforderlichen Antrag zu stellen. nicht der Hersteller. Der Produktdesigner muss nachweisen, dass der betreffende Artikel in jeder Phase seiner Produktion alle gesetzlichen Anforderungen erfüllt hat. Daher ist die Zusammenarbeit mit einem ISO-registrierten Unternehmen eine Möglichkeit, dies zu erreichen.

Aufgrund ihrer Vielseitigkeit eignet sich die CNC-Bearbeitung für alle Arten der kundenspezifischen Fertigung medizinischer Produkte.

Beispiele könnten Edelstahlwerkzeuge, Pinzetten und Klammern sein; Chirurgische Implantate zur Knochenreparatur; Orthesen- und Prothesenkomponenten; Hochtemperaturarmaturen für Sterilisationskammern; Teile und Komponenten für Prüfgeräte; und viele mehr. Die Liste ist wirklich endlos. Allerdings eignet sich die CNC-Bearbeitung nicht für große Mengen an Kunststoffteilen, die stattdessen im Spritzgussverfahren hergestellt werden sollten.

Bereits mehr als 160 Krankenhäuser in den Vereinigten Staaten verfügen über permanente 3D-Druckanlagen vor Ort, um die Herstellung hochgradig individueller und komplexer Formen in der Nähe des Behandlungsortes zu ermöglichen. Dies zeigt, dass es einen etablierten und anerkannten Bedarf gibt, physische Objekte vor Ort herzustellen, um besonderen Anforderungen gerecht zu werden, die jederzeit und ohne den Luxus einer Prognose auftreten können.

Aus demselben Grund gibt es möglicherweise einen Platz für die CNC-Bearbeitung in Krankenhäusern, Kliniken und medizinischen Forschungszentren. Bei vielen Anwendungen ist die CNC-Bearbeitung schneller als der 3D-Druck und die damit herstellbaren Teile sind viel stabiler und präziser.

Kleine, tragbare und weitgehend eigenständige Mehrachsen-Bearbeitungszentren könnten problemlos auch in abgelegenen Gebieten aufgestellt werden, um dort schnelle, genaue und kostengünstige Fertigungslösungen bereitzustellen, wo andere Möglichkeiten begrenzt sind.

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