Mit Gleitschleifen zu reproduzierbarem Hochglanz bei Gelenkimplantaten

Eine Endoprothese ist ein künstliches Gelenk aus hochwertigen, körperverträglichen Werkstoffen. Sie ist in Aufbau und Funktion dem „Original“ nachempfunden und ersetzt geschädigte Knorpelflächen. So besteht ein Kniegelenkimplantat am Unter- und Oberschenkelknochen aus Metall – versehen mit Gleitschicht oder Inlay aus Polyethylen. Dazwischen darf nichts die Beweglichkeit stören. Das setzt beim Feingussteil am Oberschenkel eine extrem glatte, hochglänzende Kontaktfläche voraus.

Kontaktfläche spiegelt

Als Oberflächengüte gilt eine Rauigkeit Ra von maximal 0,05 µm. Die Kontaktfläche glänzt daher nicht nur, sie spiegelt. Beim Gleitschleifen erhält man diesen geforderten Oberflächeneffekt in einem mehrstufigen kombinierten Bearbeitungsprozess: durch Vorschleifen, Feinschleifen und Hochglanzpolieren. Zur Anwendung kommen dabei Schleppschleifanlagen, in denen die Gelenkimplantate in Halterungen gespannt und rotierend um die eigenen Achsen durch ein Bett aus Schleif- oder Polierkörpern gezogen werden. Entlang der eingetauchten Oberflächen gleitet automatisch eine Vielzahl kleiner Schleif- oder Polierwerkzeuge.

Schleif- und Polierkörper passen sich an die jeweilige Werkstückform an

Nach Angaben der Anlagenhersteller ist das ein einfacher und sicherer Prozess. Dafür spricht die Verfahrenstechnik, mit der sich Spiegelglanzoberflächen reproduzierbar herstellen lassen. Gerade die Reproduzierbarkeit ist ein wichtiges Argument. Die hohe Teile- und Variantenvielfalt der Gelenkimplantate fordert eine Oberflächenbearbeitung, die jedem Einzelstück angepasst ist. Darin wird ein Vorteil des Gleitschleifens gesehen: in der „selbsttätigen“ Anpassung der Schleif- und Polierkörper an die jeweilige Werkstückform, erläutert Christoph Cruse, Vertriebsleiter bei der Walther Trowal GmbH & Co. KG, Hahn.

Diese automatische Anpassungsfähigkeit vereinfacht die Prozesssteuerung. So entfallen komplexe, zeilengesteuerte Werkzeug- oder Werkstückbewegungen, wie sie bei der Bearbeitung mit Robotern oder CNC-Maschinen erforderlich sind. Das Ergebnis ist ein Schliff- oder Polierbild ohne Absätze. Im Gegensatz zum konventionellen maschinellen oder robotergestützten Zeilenschleifen komme es bei komplex geformten Teilen zu keinen Konturveränderungen, berichtet Rüdiger Böhm, Prokurist und Leiter Verfahrenstechnik/Testzentrum Gleitschleifen bei der Rösler Oberflächentechnik GmbH, Untermerzbach. „Absolute Formtreue“ sei garantiert.

Gleitschleifen reduziert Programmieraufwand

Außerdem entfällt das Umprogrammieren der Steuerung bei Teilen mit unterschiedlichen Oberflächenkonturen. Dieser Vorteil zahle sich besonders bei der Bearbeitung von Freiformflächen aus, berichtet Helmut Gegenheimer, Geschäftsführer der Otec Oberflächenfinish GmbH, Straubenhardt. Die Einsparung liegt dabei in einem deutlich reduzierten Programmieraufwand. Das zeigt sich bei der Prozesssteuerung in Schleppschleifanlagen. Bearbeitungsdauer, Eintauchtiefe, Rotations- und Schleppgeschwindigkeit sind die Steuerungsparameter. Sie basieren auf der Auswahl der Schleifkörper und Zusatzstoffe. Anders als bei Maschinenwerkzeugen arbeiten diese Verfahrensmittel ungeführt.

Mit diesem Vorteil können die Anlagenhersteller bei der Bearbeitung von Implantaten punkten. Das war anfangs nicht der Fall. Seit über 30 Jahren baut Rösler Anlagen für die Medizintechnikbranche: zunächst für medizinische Instrumente, später für Knochenplatten und -nägel, in den neunziger Jahren kam die Bearbeitung von Gelenkimplantaten dazu. „Lange Zeit“, erinnert sich Böhm, „wurde das Gleitschleifen oftmals nur als universelles, kostengünstiges Verfahren zum Entgraten und Verrunden von Kanten wahrgenommen.“ Daher gebe es noch immer Handarbeitsplätze zum Schleifen und Polieren von Hüft- und Kniegelenkimplantaten.

Anwender erwartet absolute Verfahrenstransparenz

So fand die Kombination von Schleif- und Poliertechnik über viele Jahre in der Branche wenig Beachtung. Das hat sich inzwischen geändert. „Wir beobachten eine deutliche Trendwende in der Gleitschlifftechnik“, berichtet der Rösler-Prokurist und verfahrenstechnische Leiter. Diese gesteigerte Aufmerksamkeit hat jedoch nicht nur Qualitätsgründe. „Man erwartet eine absolute Verfahrenstransparenz“, bemerkt Böhm. „Sämtliche Schleifkörper und Hilfsstoffe wie Compounds und Poliermedien müssen unter Verträglichkeits- und Umweltgesichtspunkten geprüft und freigegeben werden“ – einschließlich der dem Gleitschleifen nachgeschalteten Prozesswasserbehandlung.

Modifizierte Standardanlagen mit ausgereifter Verfahrenstechnik

Selbst bei der Konstruktion und Herstellung der Anlagen sind diese Kriterien zu beachten. So werden Werkstückhalter und wasserführende Komponenten wie Arbeitsbehälter in Edelstahl ausgeführt. In diesen spezifischen Anpassungen sieht Otec-Geschäftsführer Gegenheimer noch keinen Sonderanlagenbau. Vielmehr spricht er von „modifizierten Standardanlagen“: Aufgrund der geforderten hohen Prozesssicherheit greife man auf eine ausgereifte Anlagen- und Verfahrenstechnik zurück. Als Basis dafür hat sich die Modulbauweise etabliert.

Das ermöglicht eine unterschiedliche Gewichtung des Schleif- und Polierprozesses je nach Ausgangszustand des Werkstücks. Dadurch könne eine Modifizierung „inzwischen sehr kostengünstig geschehen“, berichtet Trowal-Vertriebsleiter Cruse, der für eine effiziente Fertigung „eine schnelle Amortisation der Investitionen und niedrige Betriebkosten“ für erforderlich hält.

Oberflächenqualität muss zu 100% überprüfbar sein

Die größte Forderung betrifft jedoch die hohe Oberflächenqualität, die zu 100% überprüfbar sein muss. So geht es bei der Fertigung von Gelenkimplantaten laut Cruse „um das Erreichen der zurzeit wohl höchsten Oberflächengüten weltweit“ – und das bei Feingussteilen aus Kobalt- oder Titanlegierungen, die sich nicht gerade leicht mechanisch weiterbearbeiten lassen.

„Für das Gleitschleifen sind diese Werkstoffe beherrschbar“, entgegnet Böhm. Voraussetzungen dazu waren umfangreiche Versuche, um sich einen Überblick zu verschaffen, was die Bearbeitungsintensität der jeweiligen Teile betrifft. Danach habe man den Einfluss aller Parameter der Prozesssteuerung untersucht, berichtet der Leiter Verfahrenstechnik/Testzentrum Gleitschleifen bei Rösler. Dabei waren Erfahrungen, die zum Beispiel mit Prozessen in der Feinwerktechnik gesammelt wurden, häufig hilfreich.

Feingussteile auf Hochglanz bringen

Heute ist für das Gleitschleifen das Erzeugen von Hochglanzoberflächen auf Feingussteilen unproblematisch. Dazu kann der Prozess laut Gegenheimer „schon unmittelbar“ dem Zeilenschleifen nachgeschaltet werden. Ausgangswert ist üblicherweise eine Rauigkeit Ra von 1,5 µm, die sich in Schleppschleifanlagen bis auf 0,01 µm minimieren lässt. Dazu erstreckt sich der kombinierte Schleif- und Polierprozess meist auf mehrere Bearbeitungsbehälter: zum Vorschleifen mit Keramikkörpern, Feinschleifen mit Kunststoffkörpern und Polieren mit Porzellankugeln. Am Ende folgt eine Teilereinigung, um sterile Anforderungen zu erfüllen.

Im Vergleich zur Endbearbeitung auf CNC-Schleif- und -Poliermaschinen ist das Gleitschleifen im Ergebnis laut Cruse „technisch gleichwertig“. Auf dem Markt gibt es daher unterschiedliche Bearbeitungskonzepte. „Wer sich für das Gleitschleifen entscheidet, tut dies gezielt mit individuellem Hintergrund“, erläutert der Trowal-Vertriebsleiter. So wird für die Herstellung von Implantaten regelrecht nach spezifischen, betriebsoptimierten Prozessketten geforscht. Für Anlagenhersteller wie Trowal ist folglich die Medizintechnik „ein Nachfragemarkt“, wie Cruse meint – im Gegensatz zu klassischen Anwendungsbereichen.

Große Teile- und Variantenvielfalt erfordert vereinfachte Abläufe

Aktuell im Trend liegt die Vereinfachung und Reproduzierbarkeit weitgehend automatisierter Prozessabläufe. Diese Entwicklungen leiten die Anlagenhersteller von der großen Teile- und Variantenvielfalt der Implantate ab. Im Einzelnen geht es dabei um die Minimierung des Kontroll- und Nachbearbeitungsaufwands. Ziel ist es, die Anzahl manueller Eingriffe zu vermindern. So werden laut Cruse derzeit in Kundengesprächen Entwicklungstendenzen wie Ausschussminimierung und Kostensenkung thematisiert. Dabei scheinen mehr die Spanntechnik und das Teilehandling im Fokus zu stehen und weniger das Verfahren selbst.

Multivibrationsanlagen für komplexe Teile in kleinen Losen

„Augenscheinlich können wir dabei mit unserer Technik mithalten, wenn nicht sogar punkten“, beobachtet Cruse. Das ist nicht nur bei Gelenkimplantaten der Fall, für die aufgrund größerer Stückzahlen und wechselnder Formen Schleppschleifanlagen am Markt positioniert werden, sondern gilt auch für das Oberflächenfinish von Knochenschienen in Fliehkraftanlagen sowie von Knochenschrauben in Polierglocken und Trommelanlagen. Selbst für komplex geformte Teile in kleineren Stückzahlen gibt es seit kurzem eine Lösung: die sogenannten Multivibrationsanlagen von Trowal, sagt Cruse.