Die Herstellung hochwertiger medizintechnischer Produkte erfordert spezielle Materialien. Egal ob für Inlays aus Ultrahochmolekularem Polyethylen (UHMWPE) in künstlichen Kniegelenken oder für Bandscheibenkäfige aus Polyetheretherketon (PEEK) – Hochtechnologiekunststoffe sind aus der modernen Medizintechnik nicht mehr wegzudenken. Gleichzeitig stellt ihre Bearbeitung Zerspaner vor Herausforderungen: Um zu verhindern, dass diese Kunststoff-Implantate Verunreinigungen und Feuchtigkeit aufnehmen, werden sie trocken bearbeitet. Dabei kommt es aber oft zu thermischen Schädigungen, vor allem beim Fräsen mit hohen Abtragsraten. Zudem bilden sich Grate, die keinesfalls in den menschlichen Körper gelangen dürfen und deshalb in händischer Nacharbeit entfernt werden müssen. Beides macht die Trockenbearbeitung wenig effizient.

Die Minimalmengenschmierung (MMS) wäre eine sehr umweltschonende und ressourceneffiziente Methode, um Werkzeuge während der Zerspanung dieser Kunststoff-Implantat-Komponenten zu kühlen. Doch bisher findet diese Technik kaum Anwendung im medizinischen Bereich. Der Grund: In dieser Branche dürfen nur bestimmte MMS-Öle mit vergleichsweise niedrigen Verdampfungstemperaturen verwendet werden. Dadurch soll verhindert werden, dass Kühlschmiermittel Rückstände auf Bauteilen hinterlassen, die in aufwändigen Reinigungsverfahren entfernt werden müssen. Die Frage ist also: Wie kann eine moderne MMS-Kühltechnik für die Medizintechnik aussehen?

Um ein solches Kühlsystem mit allen dazugehörigen Komponenten zu entwickeln, haben sich im August drei Partner zu dem öffentlich geförderten Projekt „KryoPE“ zusammengetan. Das Kühlsystem selbst wird vom Maschinenhersteller HPM Technologie ausgearbeitet, der viel Erfahrung im Bereich Minimalmengenschmierung mitbringt. Gühring entwickelt und optimiert zusätzliche Komponenten von der Werkzeugspannung bis hin zu an die neue Technik angepassten Fräswerkzeugen. Dabei profitiert der Werkzeughersteller von seinen Kompetenzen im Bereich Spannmittel und Innenkühlung. Ergänzt wird das Projekt durch Simulationen und Optimierungen des Prozesses durch das Forschungszentrum für Spanende Fertigung (KSF) der Hochschule Furtwangen.

Die Projekt-Partner sind sich einig: Kryogene MMS-Kühlung (kryoMMS) hätte das Potenzial, den Herstellprozess von Kunststoff-Implantaten effizienter, produktiver und wettbewerbsfähiger zu machen. Unter kryogener MMS-Kühlung versteht man das zielgerichtete Kühlen, bei dem statt Luft technische Gase wie Kohlenstoffdioxid (CO2) als Kühl- und Transportmedium eingesetzt werden. Kohlenstoffdioxid hat dabei den großen Vorteil, dass es nahezu verlustfrei in flüssiger Form bis zur Werkzeugschneide transportiert wird und erst dort durch Expansion seine volle Kühlwirkung entfaltet. Das im Gas enthaltene Schmiermedium wird direkt an der Wirkstelle des Werkzeugs freigesetzt, durch die Expansion auf -78,5°C (unter Atmosphärendruck) heruntergekühlt und verdampft, ohne Rückstände auf der gefrästen Oberfläche zu hinterlassen.

Einer der größten wirtschaftlichen Vorteile von kryoMMS ist, dass diese Kühltechnik eine längere Werkzeugstandzeit bei höheren Schnittparametern ermöglicht, was zu einer wirtschaftlicheren Zerspanung führt. Neben den technischen Vorteilen bietet die kryogene MMS-Kühlung aber auch Umweltvorteile: Die CO2-Bilanz der wassermischbaren Schmierstoffe, die meistens zur Kühlung eingesetzt werden, ist im Gegensatz zur CO2-Zerspanung deutlich höher. Das liegt zum einen an der Raffinierung der Öle, aber auch an deren Entsorgung, bei der deutlich mehr CO2 ausgestoßen wird.

Für KryoMMS sollten hingegen neuartige biobasierte Schmierstoffe eingesetzt werden. Indem die Reinigung der Bauteile und Entsorgung der Ölrückstände entfällt, kommt es zudem zu weniger Abfallstoffen. Das bietet auch kostentechnische Vorteile, denn durch eine Umstellung auf kryogene MMS-Kühlung lassen sich die Kosten für Reinigung und Entsorgung reduzieren.

Aus all diesen Gründen ist es vor allem für Unternehmen im Bereich Medizintechnik sinnvoll, die kryoMMS-Kühlung einzusetzen. Doch tatsächlich gibt es zwar für die Zerspanung im medizinischen Bereich optimierte Werkzeuge doch noch kein spezielles Kühlsystem für diese Branche.

Das soll sich jetzt ändern: In einem ersten Versuch auf einer fünfachsigen Fräsmaschine (Mikron MILL S 400 U) der Firma GF Machining Solutions GmbH untersuchten die Forscher am KSF, wie sich die superkritische CO2-Kühlung auf den Fräsprozess auswirkt. Dafür wurde ein CO2-Zuführsystem eingesetzt, das in der Lage ist, superkritisches Kohlendioxid (scCO2) mit einem Druck von bis zu 110 bar bereitzustellen. Die Zuführung erfolgt dabei über die rotierende Werkzeugmaschinenspindel, die Werkzeugaufnahme und die innenliegenden Kühlkanäle des Werkzeugs.

Das Ergebnis: Es kommt zu deutlich weniger Gratbildung am Bauteil. Im Vergleich zur Trockenbearbeitung fällt die Gratbildung bei der scCO2-Bearbeitung um etwa 95 Prozent geringer aus. Auch die Werkstückgenauigkeit und die Oberflächenqualität sind mit der neuen Technik deutlich besser: Die Forscher haben die Oberflächenrauigkeit (Rz) der Nutflanke betrachtet und festgestellt, dass während des Schruppvorgangs mit scCO2 eine um ca. 30 Prozent geringere Rauheit entsteht. Die höhere Prozesssicherheit sorgt dafür, dass viel weniger oder sogar keine manuelle Nacharbeit nötig ist.

„Dieser Vorversuch hat die extremen Potenziale dieser Technik aufgezeigt“, so das Zwischenfazit von Dr. Nicolas Beer, der den Bereich Forschungsprojekte bei Gühring leitet. „Nun wollen wir einen hochproduktiven Prozess entwickeln, welcher hinsichtlich Formgenauigkeit, Oberfläche und Gratbildung eine so hohe Bauteilqualität verspricht, dass nachfallende Prozess- und Reinigungsschritte entfallen.“

Der bereits erfolgreiche Prozess soll als industrielles System in der Praxis umgesetzt werden, sodass Neuanlagen mit kryo-MMS ausgestattet und bestehende Bearbeitungszentren umgerüstet werden können. Dafür gilt es zuerst zu erforschen, welche grundlegenden Faktoren die Zerspanung von Hochleistungskunststoffen mit kryo-MMS in der Praxis beeinflussen. „Die Medizintechnik ist eine wichtige Branche für Gühring und die Technologieführerschaft in der Herstellung medizinischer Produkte mit dieser neuen Schmiertechnologie ist unser Ziel“, erklärt Dr. Beer.

Weil der Kühlvorgang stark von der Werkzeuggeometrie beeinflusst wird, ist es nun die Aufgabe von Gühring, innengekühlte Werkzeuge zu liefern, deren Geometrie, Beschichtung und Schneidstoff perfekt an die veränderten Materialeigenschaften und Temperaturen angepasst sind und das Potenzial dieser neuen Technik voll ausschöpfen. Unterstützt wird der Werkzeughersteller dabei durch CFD-Simulationen des KSF.

Weitere Systemkomponenten, die im Rahmen des Projekts erforscht werden müssen, sind ein für diese Anwendung abgestimmtes Medium und das dazu passende Kryo-Sytstem sowie eine modifizierte Werkzeugaufnahme. All das mit dem Ziel, eine neue Technologie zu finden, die eine hohe Performance garantiert, dabei Ressourcen schont und trotz alldem flexibel und benutzerfreundlich in der Anwendung ist.

Dieses Forschungs- und Entwicklungsprojekt wird durch das Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Tourismus Baden-Württemberg zur Förderung von Innovations- und Technologievorhaben im Rahmen des Programmes Invest BW (Förderkennzeichen BW1_1347/02) gefördert und vom Projektträger VDI/VDE Innovation + Technik GmbH betreut. Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt bei der Autorin.

Wie die Zukunft der Zerspanung aussehen kann, präsentieren die Mitglieder des Vereins für Zukunftsorientierte Zerspanung e.V. in einer exklusiven Serie in der mav.

Aktuelle Entwicklungen in der spanenden Fertigung

Als Kneipenklassiker erfreut sich der Flipper seit jeher einer großen Beliebtheit. Von den SCHUNK-Azubis neu interpretiert, sorgt unser elektronischer Flipper für Begeisterung und Spannung der besonderen Art. Mit originellen Licht- und Soundeffekten sowie echten Flipper-Buttons ist er ein Spaßgarant und ein außergewöhnlicher Eyecatcher für jedes Event.

Auf ANCA Maschinen lässt sich dank der einfachen Software für Design und Simulation viel einfacher Meister-Niveau erreichen als beim Schach.

Um dies zu verdeutlichen, haben die ANCA-Techniker ein komplettes Schachset mit Hilfe der iGrind-Software und den 5-Achsen-CNC-Schleifmaschinen im Showroom in Weinheim konstruiert und geschliffen.

Unter dem Motto „ Spielefavoriten – originalgetreu in Szene gesetzt“ erarbeiteten die Auszubildenden bei SHW Werkzeugmaschinen gemeinsam mit Ihrem Ausbilder Gerhard Weng einen Airhockey Tisch in Turniergröße.

Der Schwerpunkt lag hierbei nicht auf der Elektronik des Spiels, sondern auf der Umsetzung der doch aufwendigen Bauabläufe.

So wurde eigens für das Spielfeld eine Maschine gefertigt, die gesteuert die Bohrungen für die Luftkanäle übernimmt.

Einen Klassiker der Kartenspiele hat die Niles-Simmons-Hegenscheit Gruppe gewählt: das Quartett in der allseits bekannten Variante Stechen.

„Top machines“ ist mit Maschinen des Herstellers samt interessanter Daten dazu bestückt. So will NSH seine Technologiekompetenz auch spielerisch vermitteln. Die Regeln sind einfach: Wer den höchsten Wert hat, gewinnt.

Sollte das Spiel bei den Messebesuchern gut ankommen, wird es als Werbemittel weiter produziert und hat so einen nachhaltigen Nutzen.

Der 125 kg schwere Kicker ist mit einer Flutlichtanlage und 2 digitalen Toranzeigen ausgestattet. Er wurde mit CAD-Software am Computer konstruiert. Bis auf die Spielfeldplatte wurden alle Metall- und Kunststoffteile von den Auszubildenden selber hergestellt. Die Führungsringe für die Spielstangen und Rahmen für den Einwurf wurden aus Kunststoff im 3D-Drucker gefertigt.

Planung, Konstruktion, Budgetierung und Produktion des Greifautomaten lagen in der Verantwortung des HORN-Teams, bestehend aus sechs Auszubildenden sowie einem Ausbilder. Die Verwendung einer passenden Elektronik gab dem HORN-Nachwuchs die Möglichkeit, über den Tellerrand Ihrer Ausbildung hinauszuschauen.

Der Air-Hockey Tisch wurde als Ausbildungsprojekt entwickelt und von unseren Auszubildenden in Eigenregie entwickelt, produziert und dient aktuell in der Ausbildungsabteilung als Zeitvertreib in den Pausen.

Fertigungstechnik (fräsen und montieren), Montagetechnik (zusammenbauen), Elektronik (Zählwerk und Lichteffekte, Luftbett) und auch 3D-Druck (Puck und Schläger) wurden von den Auszubildenden angewendet.

WE LIVE FOR CHALLENGES lautet der EXTRAMET-Slogan, so waren die Polymechaniker-Azubis vom Wettbewerb sofort begeistert. Ein Kugellabyrinth von Grund auf zu fertigen und dabei erlernte Fähigkeiten einzusetzen ist eine Herausforderung. Auch in der Ausbildung gilt es ab und an Hürden zu meistern, genau wie im Spiel.

Unser HAUBEX ist ein automatischer Werkstück-Wechsler. Eingesetzt im Bearbeitungszentrum arbeitet er weiter, wenn andere in der Pause sind. Da bleibt noch Zeit für ein kleines Strategiespiel mit einem Kollegen. Ziel des Spiels ist es, als erster drei gleiche HAUBEX in eine Zeile, Spalte oder Diagonale zu setzen.

Are you fast enough? Catch them if you can! Mit Stolz präsentiert ELHA-MASCHINENBAU das Projekt der Auszubildenden zum diesjährigen mav-Wettbewerb: Ein komplett eigenständig realisierter Reaktionstest.

Verbaut ist eine Siemens Steuerung LOGO. Über die Zwei-Hand-Betätigung wird ein Zufallsgeneratorbaustein ausgeführt, der nach einer zufälligen Zeit einen der drei Zylinder zufällig ausfahren lässt.

Die Zylinder werden über eine Festo-Ventilinsel angesteuert und sind alle mit Drosselrückschlagventilen sowohl in Einfahrrichtung als auch in Ausfahrrichtung ausgestattet, um ein Sanftes Hoch und Runterfahren zu ermöglichen.

Ein solches Projekt in der vorgegebenen Zeit zu realisieren, benötigt Schnelligkeit und Geschick und genau dies gilt es auch im Spiel unter Beweis zu stellen.

Wir setzten Ihren Span schachmatt! Die Schachfiguren haben teilweise komplexe Bearbeitungsprozesse, bei denen sich der Span nur schwer brechen lässt.

Durch verschiedene Modi bei der LFV Programmierung, kann die Spanlänge selbst bestimmt werden. Das reduziert nicht nur das manuelle Eingreifen bei langen Spänen, sondern steigert die generelle Effizienz und die Produktivität der Maschine.

Wir wollten dem Kunden im Rahmen der Aktion die LFV Technologie einfach noch näherbringen.

Die beiden Studenten in Ausbildung bei der Arno Arnold GmbH kamen auf die Idee eine Kniffelaufgabe als Spiel auszuarbeiten. Gemeinsam mit dem Produktionsleiter wurden die Umsetzungsmöglichkeiten ausgelotet. Das Spielbrett wird aus einem bei der Bearbeitung entstehenden „Abfallprodukt“ erstellt. Die Dekorationen werden aus Produktbildern ausgedruckt. Die Spielfiguren sind kleine Arnold-Produkte.