30 Jahre

Produktive Bearbeitung von künstlichen Gelenken

M.Sc. Tobias Tute 1), Prof. Dr.-Ing. Harald Goldau 1)

 

1) Institut für Maschinenbau, Fachbereich Ingenieurwissenschaften und Industriedesign, Hochschule Magdeburg-Stendal, Magdeburg, Deutschland

 

 

Zusammenfassung

Ein hochwertiger Gelenkersatz ist maßgeblich von leistungsfähigen Werkstoffen und einer hochpräzisen Fertigung seiner Funktionsflächen abhängig. Dennoch stellt die händische Nacharbeit nach wie vor einen wesentlichen Anteil während der Produktion von Knie- und Hüftendoprothesen da. Dieser Artikel soll die neuesten Möglichkeiten der maschinellen Komplettbearbeitung aufzeigen. Am Beispiel der Herstellung von künstlichen Kniegelenken und Hüftköpfen werden neueste Kombinationsverfahren unter Einsatz maschinenintegrierter Kraftmesstechnik gezeigt.  

Schlüsselwörter: Microfinishen, Feinstschleifen, Kombinationsbearbeitung, Medizintechnik

 

 

Einleitung

Der künstliche Ersatz der Kniegelenke ist neben den Hüftgelenken der zweithäufigste Einsatzbereich für orthopädische Implantate. Im Jahr 2019 wurden in Deutschland ca. 202.500 Erstimplantationen von Knietotal oder -teilprothesen ausgeführt. Der künstliche Ersatz des Hüftgelenkes hingegen wurde im Jahr 2019 bereits 247.500-mal durchgeführt. Die mittlere Nutzungsdauer einer Hüftendoprothese beträgt gegenwärtig 13 - 20 Jahre, so dass bei einer steigenden Anzahl eingesetzter Implantate auch ein kontinuierlicher Anstieg der Revisionsoperationen zu verzeichnen ist [EPR20].

Der primäre Grund für den Einsatz einer künstlichen Endoprothese liegt in dem fortgeschrittenen Verschleiß der knorpelüberzogenen Gelenkflächen. Ziel einer künstlichen Endoprothese ist demnach die Wiederherstellung der Schmerzfreiheit sowie das Ermöglichen der Bewegungsfreiheit des Patienten [Gär19]. Irreversible Knorpelgewebsschädigungen führen zu Arthrose des Gelenkes, die mit starken Schmerzen und Immobilität einhergeht und eine große Belastung sowohl für den Patienten und sein Lebensumfeld als auch für das Gesundheitssystem darstellt [N.N.19b]. Ist im weiteren Verlauf hingegen die Revision des bereits implantierten Gelenkersatzes notwendig, ist ein häufiger Grund für den Ausfall eines künstlichen Gelenkersatzes die körpereigene Reaktion auf Abriebpartikel der Metall- und Polyethylenkomponenten. Diese entstehen vor allem zwischen den artikulierenden Flächen und sind maßgeblich von der Art und Höhe der Belastung abhängig (Laufen, Treppensteigen etc.).

 

Technische Herausforderung

Ein wesentlicher Kostentreiber während der Produktion eines künstlichen Gelenkersatzes ist die händische Nacharbeit von Teilflächen wie bspw. der innenliegenden Seitenwände an einem Revisionsknie oder der Kontaktfläche eines Hüftkopfes. Eine händische Nacharbeit ist erforderlich, da die Polierqualitäten aufgrund der Vorbearbeitungsprozesse maschinell nicht erreicht werden. Qualitative Ziele sind u.a. möglichst geringe Formabweichungen, minimale Lagetoleranzen sowie Oberflächengüten im Nanometerbereich. Der Aufwand diese Anforderungen händisch zu erzielen bzw. nicht negativ zu beeinflussen scheint fast unmöglich. Hinzu kommt der steigende Trend, einen prozesssicheren Fertigungsablauf umzusetzen und möglichst alle relevanten Produktionsdaten zu sammeln die dem jeweiligen Bauteil zugeordnet werden können.

Das technisch-technologische Ziel besteht darin, eine maschinelle Komplettbearbeitung künstlicher Gelenke zu erreichen. Dabei muss es gelingen, die geforderten Qualitätsstandards mindestens zu erfüllen, wenn nicht sogar neu zu definieren. Fertigungszeiten sind zu reduzieren und Handarbeitsprozesse auf reine Handling- und Transportarbeiten zu beschränken. Am Beispiel von Revisionskniegelenken und der Fertigung von Köpfen für die Hüftendoprothetik werden neue Möglichkeiten der maschinellen Komplettbearbeitung aufgezeigt.

 

Technische Voraussetzung

Die Basis für die hier vorgestellten Entwicklungsergebnisse werden durch eine neue sensitive Maschinengeneration gebildet. Ein modernes CNC-Schleifbearbeitungszentrum der Haas Schleifmaschinen GmbH ausgestattet mit piezoelektrischer Kraftsensorik und einer intelligenten externen Recheneinheit ermöglicht eine mehrachsige Kraftregelung in Echtzeit. Die aktuellen Bearbeitungskräfte werden gemessen und über die CNC-Steuerung der Maschine für die Prozesskontrolle und -überwachung verrechnet. Während der Bearbeitung z.B. eines Hüftkopfes werden die auftretenden Querkräfte zwischen Bauteil und Schleiftopf so ausgeregelt werden, dass die Werkzeugachse genau durch den Kugelmittelpunkt verläuft. Das Bearbeitungszentrum zeichnet sich durch ein multivalentes Bearbeiten in Form von Schleifen, Finishen und Messen von Bauteilen aus. Die Kompaktheit ist durch eine verhältnismäßig geringe Standfläche von 2600 mm x 2400 mm gegeben. Das Multicube-Konstruktionsprinzip für hohe Stabilität und Steifigkeit gewährleistet hohe Prozesssicherheit und Präzision bei der Bearbeitung von Werkstücken.

Abbildung 1: Signalfluss in der Versuchsmaschine Haas Multigrind CA am Institut für Maschinenbau der Hochschule Magdeburg-Stendal

Beispiel Knie

Komponenten des künstlichen Gelenkersatzes (Endoprothesen) werden aufgrund ihrer komplizierten Geometrie oft händisch nachgearbeitet. Dies betrifft vor allem Polier- und Schleifarbeiten an schwer zu zerspanenden Bereichen. Eine dieser Stellen ist der Kopplungsbereich zwischen Femur- und Tibiakomponente eines Revisi-onsknies. Die geometrische Ausführung des Schanierkastens variiert mit jedem Hersteller und von Produkt zu Produkt, wobei die prinzipielle Funktion jedoch dieselbe bleibt. Aufgrund des unzureichenden Bandapparates wird eine seitliche Stabilisierung des Gelenkes erreicht.

Abbildung 2: Gegenüberstellung der Prozesskette NEU und ALT

Die aktuellen Bestrebungen am Institut für Maschinenbau der Hochschule Magdeburg-Stendal beziehen sich auf die maschinelle Bearbeitung eines solchen Scharnierkastens mittels einer Superfinishtechnologie. Hierzu wird ein Schleifkörper mit Hochleistungsschneidstoffen auf einem Hartmetall-Werkzeughalter fixiert und oszillierend über die Bauteiloberfläche geführt. Die Herausforderung für die Bearbeitung liegt in dem beengten Bauraum zwischen den Seitenwänden und der relativ großen Fläche die bearbeitet werden muss. Hierdurch entsteht eine Limitierung der Belaghöhe des Finishsteins. Die Qualität des Steins und die technologischen Einstellwerte sind so festzulegen, das die Standzeit der Werkzeuge eine Bearbeitung von mindestens zehn Werkstücken zulässt.

Abbildung 3: Prozessauslegung auf einer Dummyfläche aus CoCr

In der Versuchsabfolge wurde das Probeknie aus Abbildung 2 in eine Spannvorrichtung gespannt und über die Maschinenmesstechnik ausgerichtet. Anschließend wurden die Seitenwände mit Schlichtparametern vorgefräst und in derselben Aufspannung gefinisht. Die Rauheit wird dabei von Rz 4 µm (Fräsen) auf Rz 0,5 µm (Superfinish) reduziert. Die Endrauheit nach dem finalen Gleitschleifen liegt in einem Bereich Rz < 0,01 µm. Einen signifikanten Einfluss auf das Ergebnis nach dem Gleitschleifen hat neben der wertmäßigen Rauheit die Struktur der Oberfläche. In Vorversuchen konnte gezeigt werden, dass bei annährend gleichen Rauheitswerten die Finish- gegenüber der Fräsoberfläche zu einer strukturfreien Polieroberfläche führt.  Dies resultiert aus den in Abbildung 4 ersichtlichen überlagerten Frässtrukturen, die zum einen durch die Rotation des Werkzeuges und zum anderen durch die Vorschubbewegung erzeugt werden. Das Schleifgranulat arbeitet lediglich die höherliegende Struktur heraus, sodass die Schneideneingriffe weiterhin sichtbar bleiben. Die Finishstruktur bietet hier eine gleichmäßige Oberfläche und kann als optimierte Vorbearbeitung betrachtet werden.

Abbildung 4: Oberflächenstruktur Fräsen (links) und Finishen (rehts)

Aus zeitlicher Sicht fallen für die Finishbearbeitung der gesamten Scharnierbox, zusätzliche 11 Minuten auf dem Bearbeitungszentrum an. Dieser Zusatzaufwand wird jedoch durch die eingesparte händische Nacharbeit von mehr als 70 Minuten egalisiert. Weiterhin kann die Bearbeitungszeit auf der Gleitschleifanlage deutlich reduziert werden. Die verwendeten Schleifwerkzeuge wurden von der Schleifscheibenfabrik Alfons Schmeier GmbH & Co. KG zur Verfügung gestellt. Verwendet wurde ein keramisch gebundenes CBN-Korn (Artikel Nr. 75057). Das Werkzeug hat die Dimensionen 10 x 13 mm und eine nutzbare Belaghöhe von ca. 3 mm. Während der Versuche wurde ein Schleifverhältnis G von etwa 2,8 erzielt. Hiermit ist es möglich, etwa zehn Scharniergelenke komplett zu bearbeiten. Das Werkzeug muss nicht abgerichtet oder profiliert werden und arbeitet auch mit unterschiedlichen Prozessparametern im Bereich der Selbstschärfung.

 

Beispiel Hüftkopf

Die entwickelte Feinstschleiftechnologie zur Bearbeitung von Hüftköpfen in Endqualität ist ein sensorisch geführter Bearbeitungsprozess, der sich grundlegend vom Stand der Technik unterscheidet. Der Verfahrweg des Werkzeuges wird lediglich als sekundäre Prozessführungsgröße verstanden, welcher im Gegensatz zu herkömmlichen Zerspanungstechnologien einer Kraftsteuerung bzw. Kraftregelung unterliegt. Somit sind die Normal- und Tangentialkräfte keine resultierenden „herkömmlichen“ Prozessgrößen, sondern wesentliche Prozessführungsgrößen. Erstmals wurde eine kraftgeregelte Dreiachskompensation vor und während des Prozesses durchgeführt. In vergangenen Forschungsvorhaben wurde die Kraftregelung lediglich verwendet um das Schneidverhalten des Werkzeuges in einem gewünschten Prozessfenster zu halten. Durch die Steuerung/Regelung der Prozesskräfte können instabile Prozesszustände innerhalb dieses Fensters vermieden werden. Die Bearbeitungsachsen von Werkzeug und Werkstück richten sich, auf Grund der Regelalgorithmen, permanent zueinander aus. Entsprechend trifft die Rotationsachse des Werkzeuges immer den Mittelpunkt der Kugel, sodass sich keine Querkräfte ergeben. Die Andrückkraft kann definiert konstant gehalten werden.

Abbildung 5: Hüftkopf mit Schleifwerkzeug

Technologischer Hintergrund

Die Herausforderung während der Fertigung von sphärischen Bauteilen liegt nahezu immer im Bereich der Polregion. Da während der Drehbearbeitung die Schnittgeschwindigkeit in diesem Abschnitt gegen Null geht, ist hier keine Spanbildung möglich. Weiter führen die unzureichende Ausrichtmöglichkeit der Schneide auf die Drehachse und der kontinuierliche Schneidenverschleiß zu einer Verformung in diesem Bereich. Bei der Finishbearbeitung arbeitet das Werkzeug hingegen mit einem flächigen Kontakt zwischen Werkzeug und Werkstück. Das rotierende Werkzeug kann auch am absoluten Pol (hier die Drehachse) eine Zerspanung gewährleisten, vorausgesetzt, das Werkzeugsystem kann entsprechend ausgerichtet werden. Die Einflüsse eines starren, nichtgeregelten sowie eines flexibel geführten Werkzeugsystems verdeutlicht die folgende Abbildung.

Abbildung 6: Formfehler aufgrund von Achsversatz bei starren Systemen (oben) und Oberflächenschädigung bei flexiblen Systemen (unten)

Ergebnis

Nach einer 2-stufigen Finishbearbeitung mit einem 400 und 1200 mesh Siliziumkarbidkorn in einer keramischen Bindung wird der wesentliche Abtrag geleistet. Die Fehlstellen an der Polregion werden vollständig entfernt. Nach der 2-stufigen Schruppbearbeitung ist die Formabweichung auf ein Minimum reduziert und kann prozesssicher unter 1 µm reproduziert werden. Alle weiteren Bearbeitungsstufen (Schlichtstufen) dienen lediglich der Reduzierung der Oberflächenrauheit und erreichen Mittenrauwerte (Ra) von bis zu 0,001 µm. Die minimale Formabweichung nach der Schruppbearbeitung wird durch das Ausregeln aller Querkräfte zwischen Topfschleifscheibe und Kugeloberfläche mittels der Kraftmesstechnik in der Maschine erreicht. Dies funktioniert allerdings nur, wenn die Werkzeuge ein ausreichend hartes Bindungssystem aufweisen.

Abbildung 8: Gegenüberstellung Kugelpol gedreht (links) und gefinisht (rechts)

Verwendete Messtechnik

Die verwendete Messtechnik ist eine Mischung aus optischen und taktilen Messgeräten zur Rauheitsbestimmung und Formmessung. Zur Ermittlung der Oberflächenrauheit kam ein Weißlichtinterferometer (NewView 8300) der Zygo Corporation zum Einsatz. Ebenfalls von Zygo ist das Laserinterferometer VeriFire, für die Vermessung der Kugelformabweichung. Der Durchmesser der Hüftköpfe wurde taktil mit einer 3D-Koordinatenmessmaschine (Leitz reference Xi600) bestimmt.

Abbildung 9: Hüftkopf zur Ermittlung der Oberflächenrauheit an einem Weißlichtinterferometer NewView 8300 (links) und zur Bestimmung der Kugelformanweichung im Laserinterferometer VeriFire (rechts)

Zusammenfassung

Die Verwendung modernster maschinenintegrierter Messtechnik wie der hier verwendeten piezoelektrischen Kraftmessung im Zusammenspiel mit leistungsfähigen Steuerungskomponenten eröffnet neue Wege in der Herstellung von Funktionsflächen an künstlichen Gelenken. Dennoch bilden grundlegende Dinge, wie hochpräzise Spannmittel weiterhin die Grundvoraussetzung für einen leistungsfähigen Fertigungsprozess. Am Beispiel des Kniegelenkes konnte gezeigt werden, dass durch die Verwendung von Hochleistungsschneidstoffen, neuen Werkzeugkonzepten und einer intelligenten Maschinen- und Prozessführung neuartige Fertigungstechniken möglich sind.

Vor allem die Herstellung von Hüftköpfen zeigt, dass die Kombination von Technologien auf einem Bearbeitungszentrum zu signifikanten Qualitätssteigerungen führen kann und gleichzeitig, durch den Verzicht auf zusätzliche Sondermaschinentechnik, ein erhebliches Einsparpotenzial bietet.

 

Literatur- und Quellenverzeichnis

[Gär19] Gärtig, E.: Der vordere Knieschmerz nach Endoprothesen Implantation in Abhängigkeit vom Design des Patellagleitlagers, Inaugural-Dissertation. Online im Internet 31.07.2019 http://www-brs.ub.ruhr-unibochum.de/netahtml/HSS/Diss/GaertigEsther/diss.pdf
[N.n19b]

N. n.: Gelenkchirurgie, Endoprothetik und Revisionsendoprothetik – Zentrum für eine ärztliche Zweitmei­nung, online im Internet 31.07.2019 https://www.ukaachen.de/kliniken-institute/klinik-fuer-orthopaedie/fuer-patienten/orthopaedische-krankheitsbilder/gelenkchirurgie-endoprothetik-und-revisionsendoprothetik.html

[EPR20] EPRD Deutsche Endoprothesenregister gGmbH: Endoprothesenregister Deutschland (EPRD) Jahresbericht 2020 „Mit Sicherheit mehr Qualität“, Jahresbericht 2020

 

 

 

Hintergrund Bild