Digital überwacht, hochpräzise gefinisht: Wirtschaftliche Hüftpfannenbearbeitung im Rundvibrator

Hüftpfannen oder Acetabular Cups für „Dual Mobility“-Anwendungen bestehen in der Regel aus Kobalt-Chrom oder Titan, werden spanend hergestellt und erhalten anschließend eine erste Oberflächenbearbeitung durch ein Feinschleifen oder Feindrehen. Nach diesem Zerspanungsprozess liegt der Ra-Wert der Rohteile meist in einem Bereich zwischen 1 und 0,6 µm. Für den Einsatz im menschlichen Körper muss der Rauheitswert jedoch deutlich niedriger liegen, nämlich bei maximal 0,05 µm. Nur so ist sichergestellt, dass die Hüftpfanne optimal funktioniert, ausreichend mit körpereigenen Schmierstoffen benetzt wird und keine erhöhte Reibung zwischen dem PE - Einsatz und der Metallpfanne auftritt.
 

Schleifen von Innenflächen als Bearbeitungsherausforderung

Für die Gleitschlifftechnik liegt die besondere Herausforderung in diesem Bearbeitungsfall nicht im Erreichen des geforderten Rauheitswertes, sondern in der kritischen Position der zu bearbeitenden Fläche im Inneren einer Halbkugel. Diese stellt eine sogenannte schöpfende Geometrie dar, der die Schleifkörper nicht aktiv folgen können. Bei freier Bewegung der Werkstücke im Bearbeitungsbehälter würden sich die Innenräume zwar mit Schleifkörpern füllen, eine wirksame Bearbeitung fände jedoch ausschließlich an den Außenflächen statt, da im Inneren keine ausreichende Relativbewegung entsteht.

In diesem konkreten Fall kann Rösler seine komplette Erfahrung in der Oberflächenbearbeitung und ganz speziell in der Gleitschlifftechnik ausspielen und profitiert auch von der hauseigenen Entwicklung und Fertigung. „Wir bearbeiten die Hüftpfannen in einem Rundvibrator in domloser Ausführung. Diese Anlagen wurden ursprünglich für die Luftfahrtindustrie entwickelt, wo hochwertige und komplexe Bauteile besonders materialschonend, gleichzeitig aber mit hohen Abtragsleistungen bearbeitet werden müssen. Diese Sonderbauform des Arbeitsbehälters unterscheidet sich von einem klassischen Rundvibrator dadurch, dass sich der Motor nicht in der Mittelkuppe des Bearbeitungsbehälters, also im Dom befindet, sondern außen am Arbeitsbehälter. So entsteht im Inneren Platz für eine Aufspannvorrichtung mit einzigartigem Inlay, in der die Hüftpfannen fest fixiert werden können“, erklärt Michael Striebe, Global Sales and Process Expert bei Rösler. So überträgt sich die Relativbewegung auch auf die Innenbereiche der Hüftpfannen und der Schleif- und Polierprozess kann gestartet werden. Als Verfahrensmittel werden von Rösler speziell für die Medizintechnik entwickelte Kunststoffschleifkörper sowie ein Trockenpoliermittel eingesetzt. Die Schleifkörper sind so fein aufgebaut, dass mit ihnen sehr geringe Oberflächenrauigkeiten von unter Ra 0,05 µm im Vorschleifen erzielt werden können. Der homogene und feine Aufbau sorgt damit für die perfekte Oberfläche zur finalen Politur. Dabei wird die Rauigkeit noch einmal auf 0,02 µm oder darunter verbessert.
Die Bearbeitungsdauer hängt vom eingesetzten Grundmaterial und dem Rohteilzustand ab.
 

Gleitschleifen als wirtschaftlichere Alternative zum Roboterfinishing

Das Polieren und Schleifen von Hüftpfannen durch Roboter erfolgt zwar grundsätzlich schnell, jedoch entsteht ein erheblicher Aufwand durch Programmierung, Prozessüberwachung und Verschleißkompensation für jedes einzelne Bauteil. Roboterpolieren bedeutet, dass jedes Werkstück einzeln aufgenommen und eingespannt werden muss. Für jede Teilegröße ist ein eigenes, exakt definiertes Roboterprogramm erforderlich. Hinzu kommt der Werkzeugverschleiß: Ob Polierwerkzeug, Bürste oder sonstige Spezialwerkzeuge, der Abtrag verändert sich kontinuierlich, dieser Verschleiß muss im Prozess berücksichtigt werden. Der Roboter selbst kann das jedoch nicht ausgleichen, da er lediglich einem vorgegebenen Fahrweg folgt. Ähnlich verhält es sich mit der manuellen Endbearbeitung, die zwar ebenfalls schnell, aber völlig unwirtschaftlich ist.  Die Gefahr von Unregelmäßigkeiten in der Qualität ist ein weiteres Risiko, da der Bediener nicht immer die gleichen Bearbeitungsparameter einhalten kann und erfahrenes Personal insbesondere für diese Bearbeitungsprozesse immer schwerer zu finden ist.

Beim Gleitschleifen im domlosen Rundvibrator hingegen ist nach dem Bestücken der Anlage lediglich die Bearbeitungszeit zu definieren, den restlichen Prozess übernimmt die Maschine selbst. Es ist weder ein Bediener noch eine zusätzliche Automation erforderlich – die Anlage braucht nur Schleif- oder Poliermedien, Wasser und Strom. Auch der Verschleiß des Schleifmediums hat bei diesem Verfahren keine Auswirkungen auf das Bearbeitungsergebnis. Lediglich der Füllstand in der Anlage muss konstant gehalten werden.

„Das Ergebnis ist eine konstantere und insgesamt höhere Oberflächenqualität mit gleichmäßigeren Strukturen“, erklärt Michael Striebe, der Medizintechnik-Kunden seit rund zehn Jahren in seiner Funktion als Global Sales and Process Expert bei Rösler betreut: „Aus Erfahrung bin ich der Meinung, dass die Gleitschliff-Oberflächen feiner und qualitativ hochwertiger sind, das zeigt sich ganz besonders auch daran, dass wir die geforderten Rauheitswerte regelmäßig deutlich unterschreiten. Je nach Ausgangsrauheit sind Oberflächenergebnisse von Ra 0,01µm möglich – bei Einhaltung aller Formtoleranzen. Eine außergewöhnliche Qualität, die die Effizienz und Wirksamkeit dieses Verfahrens unterstreicht.“
 

Prozessüberwachung und Effizienzsteigerung durch Digitalisierung

Bei Oberflächenbearbeitungsprozessen in der Medizintechnik, insbesondere wenn es sich dabei um Implantate handelt, stehen aber nicht nur die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens sowie die konsequente Einhaltung der definierten Rauheitswerte und Formtoleranzen im Vordergrund. Neben der reproduzierbaren Erreichung der geforderten Oberflächenqualität muss auch der gesamte Bearbeitungsprozess in seiner Entstehung, Stabilität und Wiederholbarkeit vollständig nachvollziehbar und lückenlos dokumentiert sein. Ein umfassendes Teile- und Prozessmonitoring ist eine zentrale Voraussetzung für validierte und auditkonforme Fertigungsprozesse.

Diese Anforderungen lassen sich mit der aktuellen Version der Digitalisierungssoftware Rösler Smart Solutions (RSS) Comfort vollständig abbilden. Die Software überwacht und digitalisiert die Prozesswasserqualität automatisch, entnimmt in definierten Intervallen selbstständig Proben, dokumentiert die Messergebnisse und gleicht Abweichungen durch die gezielte Zugabe von definierten Additiven automatisch aus. Dadurch wird eine dauerhaft stabile Prozesswasserqualität sichergestellt, die Reproduzierbarkeit der Bearbeitungsergebnisse unterstützt und eine gleichbleibend hohe Qualität der bearbeiteten Bauteile garantiert. Erkennt das System zusätzlichen Handlungsbedarf, informiert es den Bediener und gibt eine eindeutige, dokumentierbare Handlungsanweisung aus. Alle daraufhin vorgenommenen Anpassungen werden ebenfalls dokumentiert und sind jederzeit nachvollziehbar.
 

Zukunftsfähige Lösung, maßgeschneidert für die Branche

Mit der Entwicklung dieses effizienten Schleif- und Polierprozesses im domlosen Rundvibrator bietet Rösler eine wirtschaftliche Alternative zum klassischen Roboter- oder Handpolieren. Der hohe Personaleinsatz beim manuellen Polieren wird beim Gleitschleifen um ca. 70-80 % reduziert, lediglich die Bestückung muss noch manuell vorgenommen werden. Eine hohe Reproduzierbarkeit, herausragende Oberflächenqualität und die Möglichkeit der digitalen Prozessüberwachung und -steuerung durch Rösler Smart Solutions (RSS) Comfort machen das Verfahren zu einer zukunftssicheren Lösung für die präzise Bearbeitung von Hüftpfannen. „Bei der Entwicklung des Bearbeitungsprozesses haben wir uns die Pain Points der marktüblichen Verfahren genau angesehen und unsere Lösung exakt auf diese zugeschnitten“, erklärt Michael Striebe. „Das war nur möglich durch die gebündelte Kompetenz in Maschinenbau, Prozessentwicklung und Verfahrensmittelproduktion, die bei Rösler unter einem Dach vereint sind. Die Zukunft der Hüftpfannenbearbeitung liegt im domlosen Rundvibrator.“