通過新型同步加工工藝實現(xiàn)功能集成的植入體 - ZykloMed

在聯(lián)邦教育與研究部（BMBF）資助的聯(lián)合項目中，INDEX、Paul Horn GmbH、Beutter Pr?zisions-Komponenten GmbH 和卡爾斯魯厄理工學(xué)院（KIT）wbk 生產(chǎn)工程研究所的參與合作伙伴展示了他們在醫(yī)療行業(yè)的專業(yè)技術(shù)。合作雙方利用新的現(xiàn)代制造工藝，解決了多功能和非圓形仿生設(shè)計植入物的經(jīng)濟(jì)加工難題。重點是偏心車削、多邊形車削和旋轉(zhuǎn)銑削這三種制造工藝。

現(xiàn)代骨科、創(chuàng)傷科和牙科技術(shù)對醫(yī)療植入體的強(qiáng)度、生物相容性和仿生優(yōu)化幾何形狀有著嚴(yán)格的要求。植入體的幾何形狀與骨骼和組織相適應(yīng)。在這一過程中，植入體的功能表面被賦予了越來越復(fù)雜的設(shè)計，以方便植入體內(nèi)，減少對患者的傷害。植入體的新設(shè)計增加了制造成本，因為其表面不再是圓形或方形。它們有更多的弧形表面和在極小空間內(nèi)連續(xù)過渡的功能元件。特別是需要在不同機(jī)器上進(jìn)行多個制造步驟，導(dǎo)致成本大幅上升。例如，精確裝夾工件的精確操作就是一個相當(dāng)大的成本因素。因此，盡管功能集成度很高，但仍需要高效的工藝路線來實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)。

創(chuàng)新工藝

偏車削、多邊形車削和旋轉(zhuǎn)銑削這些創(chuàng)新的制造工藝都基于多個同步旋轉(zhuǎn)軸的相同運動學(xué)原理。雖然這一原理廣為人知，但將其應(yīng)用于非圓形和曲線形狀的要求卻很高。同時，實際應(yīng)用必須滿足醫(yī)療行業(yè)的高質(zhì)量要求。

從機(jī)器和控制技術(shù)到工具設(shè)計，再到原型和批量生產(chǎn)，項目合作伙伴在整個過程和供應(yīng)鏈中研究和開發(fā)了新的制造程序。根據(jù)已知的方法和相同的數(shù)學(xué)原理，對制造過程進(jìn)行了模擬和設(shè)計，以確定對工具和機(jī)器的要求。測試分為實驗室條件下的等效測試以及實驗室和近似應(yīng)用環(huán)境下的批量前測試。工程師們在開發(fā)和設(shè)計單個流程時，重點關(guān)注機(jī)器和工具技術(shù)。

在偏心車削中，旋轉(zhuǎn)的非圓形刀具在位置耦合作用下沿著旋轉(zhuǎn)的工件被引導(dǎo)。兩者的速度達(dá)到一定的比例。這樣就可以在一定范圍內(nèi)在工件上再現(xiàn)非圓形狀。該工藝可高效生產(chǎn)偏心外輪廓。刀具的旋轉(zhuǎn)減少了切削刃的熱負(fù)荷，從而確保了刀具的使用壽命。該工藝還可以生產(chǎn)錐形輪廓。

多邊形車削是一種生產(chǎn)非圓形外輪廓和內(nèi)輪廓的工藝，其形狀為下斜面。與旋轉(zhuǎn)偏心車削一樣，該工藝也可以在車床上加工非圓形輪廓。在加工過程中，工件和刀具的平行軸相互偏移一定的軸向距離，并在位置耦合作用下達(dá)到特定的速度比。軸向距離、工件與刀具的速度比以及刀片的切削直徑?jīng)Q定了輪廓的尺寸。用于多邊形車削的刀具系統(tǒng)可單獨適應(yīng)待加工工件的輪廓。

旋轉(zhuǎn)銑削是生產(chǎn)骨螺釘螺紋的一種高效工藝。一個或兩個圓形銑刀與工件成一定角度。銑刀和工件的旋轉(zhuǎn)方向可以相同，也可以相反。工件與兩把銑刀的速度比取決于螺紋數(shù)和刀片數(shù)。通過動態(tài)改變螺紋輪廓，旋轉(zhuǎn)銑削也可首次用于經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)真正可變螺距的螺紋。

接近批量生產(chǎn)的測試獲得成功

ZykloMed 項目的合作伙伴在接近批量生產(chǎn)的環(huán)境中成功進(jìn)行了測試，從而向研究項目的目標(biāo)--經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)多功能和非圓形仿生設(shè)計的植入體--又邁進(jìn)了一大步。工程師們證明，同步制造工藝能夠經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)現(xiàn)代植入體。除了生產(chǎn)新的部件幾何形狀外，這些工藝還為現(xiàn)有植入體的經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)提供了優(yōu)化潛力，并可能應(yīng)用于醫(yī)療行業(yè)以外的領(lǐng)域。