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Wie die CNC-Bearbeitung die medizinische Industrie verändert

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digitale Motoren, hochentwickelte Software und spezielle Schneidwerkzeuge sorgen für Präzision, Wiederholbarkeit und Skalierbarkeit bei der CNC-Bearbeitung.

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Die in der Medizin verwendeten Produkte, Geräte und Zubehörteile werden mit der Entwicklung neuer Technologien zur Verbesserung der menschlichen Gesundheit und der Ergebnisse für die Patienten immer ausgefeilter. Diese Produkte sind überall zu finden, von der chirurgischen Abteilung bis zum Rehabilitationszentrum, von der Kleinstadtklinik bis zur Hausapotheke.

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

. In erster Linie müssen sie sicher in der Anwendung sein, und zu diesem Grad an Sicherheit gehören natürlich auch die Rohstoffe, aus denen sie hergestellt werden.

. Sie müssen zuverlässig sein, mit engen Toleranzen, die für eine vorhersehbare und wiederholbare Leistung erforderlich sind.

. Sie sind oft hochgradig kundenspezifisch, mit einzigartigen Designs, die sie für sehr spezifische Anwendungen im Zusammenhang mit der menschlichen Anatomie geeignet machen.

. Und es ist wichtig, dass neue Produktideen schnell in Prototypen umgesetzt, getestet, genehmigt und auf den Markt gebracht werden können.

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

Der aktuelle Stand der Technik bei der CNC-Bearbeitung

Die Fortschritte in der CNC-Werkzeugmaschinentechnologie werden durch die Anforderungen des Marktes vorangetrieben. Anspruchsvolle Konstruktionen für Anwendungen der nächsten Generation erfordern ein höheres Maß an Präzision und Wiederholgenauigkeit. Dies wiederum erweitert die Grenzen des physikalisch Möglichen in der Werkzeugkonstruktion.

Die Maschinenhersteller suchen ständig nach Möglichkeiten, die Leistung zu optimieren, indem sie die Vibrationen kontrollieren, die Maschinengeschwindigkeit erhöhen, die Wartungskosten senken und flexible Bearbeitungsplattformen bereitstellen, die mehrere komplexe Aufgaben in einer einzigen Maschinenaufstellung ausführen können.

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

Linearantriebe

Mehrachsige CNC-Maschinen verfahren auf mehreren unabhängigen Achsen. Dazu verwenden die meisten Maschinen eine Zahnstangenführung oder ein Antriebssystem mit Linearspindel und Kugelumlauf. Beide Antriebsarten unterliegen Reibung und Verschleiß und sind sowohl in Bezug auf die Genauigkeit als auch auf die Geschwindigkeit begrenzt.

Lineare Antriebssysteme funktionieren jedoch ähnlich wie eine Magnetschwebebahn. Elektrischer Strom, der mit starken Magneten zusammenwirkt, hebt den Wagen von der Führungsschiene ab und treibt ihn gleichzeitig an. Das bedeutet keine Reibung, keine Abnutzung und keine Wartung. Außerdem bewegen sich lineare Antriebssysteme viel schneller und mit einem viel höheren Grad an Genauigkeit und Präzision.

Hydrostatische Führungen

Eine weitere innovative Antriebslösung, die ebenfalls zur Verringerung der Reibung kalibriert wurde, ist die hydrostatische Führung. Diese verwenden präzise geschliffene Führungsschienen, die mit einem dünnen Ölfilm gepolstert sind. Das Öl wird kontinuierlich in einen Schlitten hinein- und wieder herausgepumpt, der das Werkstück hält. Die Ölströmung unterdrückt Vibrationen und beseitigt die Reibung, was zu einer hervorragenden Oberflächengüte des Werkstücks führt.

Temperaturkontrolle

Die Wärmeentwicklung ist immer ein Problem, wenn die Bearbeitung an der Grenze der Leistungsfähigkeit erfolgt. Denn die natürliche Ausdehnung aller Werkstoffe bei Erwärmung führt dazu, dass die Toleranzen außer Kontrolle geraten - es sei denn, diese Wärme wird durch eine sehr gute zentrale Kühlung kontrolliert. Darüber hinaus haben clevere Hersteller herausgefunden, wie sie die Ausdehnungsrate für alle kritischen Komponenten in ihrem System berechnen und diesen Bewegungen dann entsprechend entgegenwirken können.

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

Es gibt kein anderes Massenproduktionsverfahren, das so zuverlässig, präzise, skalierbar, kostengünstig und leicht anpassbar ist. Sehen wir uns einmal genauer an, wie die CNC-Bearbeitung die Entwicklung medizinischer Geräte in bestimmten Schlüsselbereichen verbessern kann.

Schnelles Prototyping

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

Erstens: Es geht schnell. Sobald ein Entwurf genehmigt ist, kann ein fertiges Teil in nur einem Tag programmiert und bearbeitet werden. So können sich die Produktingenieure gleich an die Arbeit machen und die Passform und Funktion prüfen - entscheidende Schritte im Prototyping-Prozess.

Physische Prototypen helfen dabei, potenzielle Konstruktionsfehler oder verbesserungswürdige Bereiche zu erkennen, und wenn kleinere Änderungen vorgenommen werden müssen, ist es nur ein kleiner Aufwand, das Maschinenprogramm entsprechend zu ändern.

Präzision und Reproduzierbarkeit der CNC-Bearbeitung

Wenn ein Design einmal festgelegt ist, kann jede gut funktionierende CNC-Fräs- oder Drehmaschine Teile in beliebiger Stückzahl mit nur minimalen Toleranzabweichungen von Teil zu Teil herstellen, in der Regel 5 Mikrometer oder weniger. In früheren Zeiten hätte das Erreichen dieses Genauigkeitsgrades mit einer manuell betriebenen Werkzeugmaschine die Fähigkeiten eines Meisters unter kontrollierten Bedingungen erfordert, und es wäre viel langsamer und teurer gewesen.

Dank digitaler Motoren, hochentwickelter Software und spezieller Schneidewerkzeuge ist dieser Grad an Perfektion heute leicht zu erreichen und absolut zuverlässig. Daher müssen sich die Designer von Medizinprodukten nicht mehr fragen: Ist das möglich? Ja, es ist möglich.

Skalierbarkeit

Bei einigen Massenproduktionsverfahren müssen zunächst spezielle Form- oder Gusswerkzeuge hergestellt werden, wie z. B. beim Kunststoffspritzguss oder beim Feinguss. Die Herstellung dieser Formen dauert wesentlich länger und erfordert eine hohe Anfangsinvestition. Die einzige Möglichkeit, die Kosten für diese Investition aus Sicht des Entwicklers wieder hereinzuholen, besteht darin, im Laufe der Zeit eine große Anzahl von Fertigprodukten herzustellen.

Viele medizinische Designs sind jedoch sehr individuell und werden nicht in großen Mengen hergestellt, so dass Investitionen in Werkzeuge keine praktikable Option sind.

Bei der CNC-Bearbeitung sind keine harten Werkzeuge erforderlich, so dass ein einzelnes Teil kostengünstig hergestellt werden kann und die Stückzahlen bei steigender Nachfrage langsam erhöht werden können.

Vielseitigkeit

Bei der CNC-Bearbeitung spielt das zu bearbeitende Rohmaterial keine Rolle, solange es stabil genug ist, um der Kraft der Schneidwerkzeuge standzuhalten. Es kann sein, dass die Maschine geringfügig angepasst werden muss, um verschiedenen Metall- oder Kunststoffarten gerecht zu werden - Geschwindigkeiten und Vorschübe -, aber diese Vielseitigkeit bedeutet im Wesentlichen, dass Konstrukteure und Medizintechniker einen großen Spielraum haben, um das Material auszuwählen, das für die beabsichtigte Anwendung am besten geeignet ist.

Zertifizierungen

Es gibt viele unabhängige Zertifizierungen, die für verschiedene Medizinprodukte gelten können. Die wichtigste davon ist ISO 13485. Sie besagt, dass ein Hersteller die erforderlichen Kontrollkettenprotokolle nachgewiesen hat, um alle Rohstoffe, die seine Anlage durchlaufen, sowie alle fertigen oder halbfertigen Produkte zu schützen. Sie müssen sauber und nicht kontaminiert gehalten und von anderen nicht konformen Produkten getrennt werden, und die Rohstoffe müssen nachweislich keine schädlichen Chemikalien enthalten.

Es ist zu beachten, dass für die Beantragung der FDA-Zulassung oder der Freigabe eines Medizinprodukts in den Vereinigten Staaten bzw. der entsprechenden CE-Kennzeichnung in Europa der Eigentümer oder Lizenznehmer des Entwurfs und nicht der Hersteller zuständig ist. Der Produktentwickler muss nachweisen, dass das betreffende Produkt in jeder Phase seiner Herstellung alle gesetzlichen Anforderungen erfüllt hat. Die Zusammenarbeit mit einem ISO-registrierten Unternehmen ist also eine Möglichkeit, dies zu erreichen.

Anwendungen

Aufgrund ihrer Vielseitigkeit eignet sich die CNC-Bearbeitung für alle Arten von Sonderanfertigungen für medizinische Produkte.

Beispiele hierfür sind Werkzeuge, Pinzetten und Klemmen aus Edelstahl, chirurgische Implantate für Knochenreparaturen, orthopädische und prothetische Komponenten, Hochtemperaturarmaturen für Sterilisationskammern, Teile und Komponenten für Testgeräte und vieles mehr. Die Liste ist wirklich endlos. Die CNC-Bearbeitung eignet sich jedoch nicht für große Mengen von Kunststoffteilen, die stattdessen im Spritzgussverfahren hergestellt werden sollten.

Die Zukunft der CNC-Bearbeitung

Bereits mehr als 160 Krankenhäuser in den Vereinigten Staaten verfügen über permanente 3D-Druckanlagen vor Ort, um hochgradig individuelle und komplexe Formen in der Nähe des Behandlungsortes herzustellen. Dies zeigt, dass es einen etablierten und anerkannten Bedarf an der Herstellung von physischen Objekten vor Ort gibt, um spezielle Anforderungen zu erfüllen, die jederzeit und ohne den Luxus einer Vorhersage entstehen können.

Aus demselben Grund kann es einen Platz für die CNC-Bearbeitung in Krankenhäusern, Kliniken und medizinischen Forschungszentren geben. Für viele Anwendungen ist die CNC-Bearbeitung schneller als der 3D-Druck, und die Teile, die damit hergestellt werden können, sind viel stabiler und genauer.

Kleine, tragbare und weitgehend autarke mehrachsige Bearbeitungszentren könnten problemlos auch in entlegenen Gebieten aufgestellt werden, um schnelle, genaue und kostengünstige Fertigungslösungen zu bieten, wo andere Möglichkeiten begrenzt sind.