Der Sharp-E Newsletter Juli 2010

Schleifen von Endoprothesen für Knie und Hüften?

Die Weltwirtschaftskrise 2008-09 hat Werkzeugherstellern weltweit schwer zu schaffen gemacht, in einigen Fällen musste die Produktion um 50 – 80% reduziert werden. Als Folge solcher Krisen erweitern viele Unternehmen ihr Sortiment, um in unsicheren Zeiten das Risiko zu mindern. Diversifizierungsstrategien basieren idealerweise auf Investitionen, die hohe Renditen in einem Wachstumsbereich bieten, mit einer soliden rezessionssicheren Grundlage.

Die Weltwirtschaftskrise 2008-09 hat Werkzeugherstellern weltweit schwer zu schaffen gemacht, in einigen Fällen musste die Produktion um 50 – 80% reduziert werden. Als Folge solcher Krisen erweitern viele Unternehmen ihr Sortiment, um in unsicheren Zeiten das Risiko zu mindern. Diversifizierungsstrategien basieren idealerweise auf Investitionen, die hohe Renditen in einem Wachstumsbereich bieten, mit einer soliden rezessionssicheren Grundlage.

Aus diesem Grunde ist das Schleifen von medizinischen Prothesen eine attraktive Strategie für neue und existierende Hersteller in der CNC-Werkzeugschleifindustrie. Rekonstruktive orthopädische Chirurgie wird hauptsächlich an Knie-, Hüft- und Schultergelenken vorgenommen, mit dem Einsetzen von Endoprothesen, deren Herstellung normalerweise Schleifen erfordert

Schleifroutinen für orthopädische Anwendungen wie Knieprothesen und Knochenfeilen werden normalerweise mit CAD/CAM-Paketen wie Siemens PLM NX . Die NC-Programme werden normalerweise mit einem NC-Postprozessor für eine spezielle Maschine erzeugt und dann in der Herstellung des Teils eingesetzt. Der Postprozessor ist ein integraler Teil der Verbindung zwischen CAD/CAM-Software und Maschine. Es ist daher entscheidend, dass diese Integrierung maximale Flexibilität beim Design und der Herstellung zulässt

Die hohen Anforderungen an Oberflächenqualität und Geometrie beim Schleifen von orthopädischen Metalllegierungen ist eine Herausforderung. Die Integration der CAD/CAM-Software und der Maschine sollte idealerweise zu einer einfachen und flexiblen Programmierung von Scheibenabrichtroutinen sowie einem breiten Angebot von Schrupp- und Schlichtschleifscheiben-Geometrien führen. Um Leistungsschwächen zu vermeiden, die auftreten, wenn Schleifprozessänderungen eine NC-Programm-Regeneration vom CAD-Modell erfordern, sollte eine klare Unterscheidung der Rollen des CAD/CAM-Systems und der Maschine gegeben sein.

Im Jahr 2008 belief sich der globale orthopädische Markt auf etwa US$37 Milliarden [1], von denen US$12 Milliarden [2] aus dem Knieprothesensektor stammten. Knie- und Hüftgelenksprothesen nehmen bei den Gelenkprothesen den ersten Platz ein, und sind daher für CNC-Schleifmaschinen das wichtigste Ziel, zusammen mit den zugehörigen chirurgischen Instrumenten wie Knochenfeilen und Räumwerkzeugen, die ebenfalls mit CNC-Schleifmaschinen hergestellt werden.

Hüft- und Knieprothesen haben in den vergangenen zehn Jahren kontinuierlich   zweistellige Wachstumsraten  verzeichnet, und es wird erwartet, dass der Markt für Prothesen in den kommenden Jahren um mehr als 9% pro Jahr zunimmt. Obwohl nicht der am schnellsten wachsende Marktsektor, ist die Nachfrage nach Knie- und Hüftprothesen weltweit am höchsten [3].

 

Oberschenkel-Knochenfeile für das Einsetzen von Hüftprothesen

Demographische und soziale Trends untermauern das praktisch garantierte Wachstum in diesem Sektor. Abgesehen von einer älter werdenden Bevölkerung mit besserem Zugang zu diesen orthopädischen Prozeduren wird das Wachstum durch Länder wie Indien und China angetrieben, die 37% der Weltbevölkerung repräsentieren.  

Dieses Wachstumspotential kann ins Verhältnis gesetzt werden, wenn man betrachtet, dass die USA und Europa zur Zeit mit 80% die größten Konsumer sind (50% USA, 30% Europa [4]), jedoch nur 17% der Weltbevölkerung repräsentieren. Im Jahr 2008 wuchs der Knie- und Hüftprothesensektor außerhalb der USA um 17%, mehr als doppelt soviel wie in den USA [5].

Im letzten Jahrzehnt wurden auf dem Gebiet der Gelenkrekonstruktion gewaltige technologische Fortschritte gemacht. Ein neuer Trend ist die Entwicklung patienten-spezifischer Prothesen. Mit 3D-Scannern und CAD-Technologie können patientenspezifische Prothesen jetzt wirtschaftlicher denn je  entworfen und hergestellt werden. Dieser Ansatz zur Prothesenherstellung hat gegenüber den herkömmlichen Massenprothesen mit nur wenigen verschiedenen Formen erhebliche Vorteile.

Prothesen mit einer CNC-Werkzeugschleifmaschine schleifen?

Die Entwicklung und das Wachstum des Prothesenmarktes führt zu immer innovativeren Produkten und Herstellungsprozessen. Mit dem Schwerpunkt des Marktes auf patienten-spezifischen Prothesen müssen Hersteller sich auf die wirtschaftlichsten Herstellungsprozesse konzentrieren. Mit hunderttausenden von Knieendoprothesen jährlich und dem Bedarf, überholte Herstellungstechnologien zu ersetzen, ist es offensichtlich, dass neue Möglichkeiten und Gelegenheiten geschaffen werden.

Die manuelle Herstellung von Endoprothesen wurde über die letzten acht Jahre allmählich durch  CNC-Schleifen ersetzt. Neue Software im Gebiet CAD/CAM-Postprozessor sorgte für erhebliche Produktivitätsverbesserungen und führte zu neuen CNC-Schleiflösungen im Industriesektor. Dies wiederum reduzierte die Herstellungszeiten, patientenspezifische Prothesen wurden somit zu einem profitablen Unternehmen.

Die Integration  5-achsiger CNC-Schleifmaschinen mit CAD/CAM-Software bietet eine effiziente Lösung der sich im Prothesenmarkt stellenden Probleme. Flexibilität, Produktivität, Automation und Integration führender CAD/CAM-Systeme sind beim Recherchieren potentieller Lösungen die Hauptfaktoren.

Warum ist eine ANCA-Werkzeugschleifmaschine die beste Wahl für die Herstellung von Endoprothesen für Knie und Hüften, Knochenfeilen und Reibahlen?

ANCA, ein weltweit führendes Unternehmen auf dem Gebiet CNC-Werkzeugschleifen, bietet seit über 25 Jahren Lösungen für die Schneidwerkzeugindustrie an und hat sich in dieser Zeit einen Ruf als Anbieter von auf Kundenbedürfnisse zugeschnittenen Lösungen gemacht. In den letzten Jahren hat ANCA eine Lösung zum Schleifen CAD- entworfener Teile der Siemens PLM NX CAD/CAM Software entwickelt und dabei mit führenden Unternehmen des Bereichs Endoprothesen sowie anderer Industrien zusammengearbeitet.

CAD-Modell einer Knieprothese, die Schleifbahn ist in der Siemens PLM NX Software definiert

Das von ANCA entwickelte System zum Schleifen von Endoprothesen hat existierenden Systemen gegenüber entscheidende Vorteile. Die Siemens PLM NX und die Toolroom-Software von ANCA werden mit Hilfe eines Postprozessors optimal miteinander integriert. Der Postprozessor erzeugt die Schleifbahninformation auf eine allgemeine Weise, sodass alle prozessbezogenen Aufgaben auf die ANCA-Software übertragen werden können.  

Die logische Trennung der Schleifbahnerzeugung im Herstellungsprozess bietet mehrere Vorteile. Die Erzeugung der Schleifbahn vom CAD/CAM-System muss nur einmal erfolgen. Diese wird dann auf der Maschine eingesetzt, wo Scheiben mit unterschiedlichem Durchmesser zum Schruppen, Schlichten und Ausfunken verwendet werden können, basierend auf den erzeugten Daten. Das Scheibenabrichten wird reibungslos in dieses System integriert, ohne dass auf das CAD/CAM-System zurückgegriffen werden muss. Die ANCA CNC-3D-Funktion CRC (Werkzeugradiuskompensation) berechnet die modifizierte Schleifbahn automatisch, mit dynamischer Einstellung auf den neuen Scheibendurchmesser. Teile können so mit herkömmlichen oder superabrasiven Scheiben unter Zugrundelegung desselben NC-Codes geschliffen werden.

Mit diesem Ansatz ist es nicht erforderlich, den NC-Code von der CAD/CAM-Software neu zu erzeugen, wenn die Prozessparameter umgestellt werden müssen. Verstellungen und Kompensation der Schleifbahn und der Scheiben können direkt auf der Maschine vorgenommen werden. Neuerzeugung des NC-Codes ist nur erforderlich, wenn die Geometrie des Teils geändert wird. Die Erzeugung der Schleifbahn direkt auf der Maschine führt zu einer erheblichen Optimierung des Produktionsprozesses.

Ein weiterer Vorteil ist die ANCA Toolroom-Software. Mit der ToolRoom-Werkzeugdesignsoftware kann der erzeugte NC-Code in einer Schleifoperation eingesetzt werden, alle Prozessparameter können definiert werden. Die CAD-erzeugten Operationen können somit mit anderen Standardschleifoperationen kombiniert werden, Sonderteile können dann flexibel entworfen werden. Wenn erforderlich, können in derselben Einrichtung Fräs- und Bohroperationen durchgeführt werden.

Die Integration der CAD-erzeugten Geometrie in die ANCA ToolRoom Software bedeutet, dass die gesamte Schleifsequenz, einschließlich zusätzlicher Operationen mit der ANCA Cim3D-Software in  3D simuliert werden kann. Es können die Geometrie offline überprüft, eventuelle Zusammenstöße entdeckt und die Zykluszeit geschätzt werden.

Die  ANCA TX7+ ist die am besten zum Schleifen von Endoprothesen geeignete Maschine. Mit einem Polymerbetonbett mit optimaler Schwingungsdämpfung bietet die TX7+ den Arbeitsbereich, die Stabilität, Genauigkeit und Leistung, sowie die Automatisierungsoptionen, um die schwierigsten Aufgaben in Angriff zu nehmen. Die TX7+ hat eine 37kW Spindel mit einer Drehzahl von 10 000 U/min und einen Abrichter auf dem Werkstückstock, der eine Drehzahl von 3000 U/min hat, sowie einen zusätzlich stabil montierten Abrichter mit schnell auswechselbaren HSK-Dornen. Die optionale P-Achse bietet CNC-gesteuerte Werkzeugabstützung mit optionaler Lünette, Arobotechsystem oder Reitstock mit CNC-Spannkrafteinstellung. Die TX7+ hat einen eingebauten Dual-Scheibenwechsler, oder wahlweise kann ein Scheibenwechsler mit 21 Scheibenpaketen geliefert werden. Automatische Korundsteinbearbeitung ist ebenfalls erhältlich.

Ein Fanuc-Robotlader steht für die Automatisierung der Prothesenanwendungen zur Verfügung. Außer dem automatischen Laden von Teilen können mit dem Robotlader auch Polieroperationen im Arbeitsbereich des Laders durchgeführt werden, während die Maschine schleift.

Die ANCA-Lösung bietet die Flexibilität eine Reihe von Teilen und Schneidwerkzeugen zu schleifen, die Vielseitigkeit der Maschine wird somit optimal ausgenutzt. Außer Endoprothesen und chirurgischen Instrumenten können mit ihr auch Standardschneidwerkzeuge hergestellt werden. In einem konkurrenzbetonten Markt ist die Investition in die richtige Maschine mit leistungsstarker Software ein entscheidender Schritt hin zum Erfolg, besonders im Bereich Endoprothesen und chirurgische Instrumente.

Setzen Sie sich noch heute mit Ihrem ANCA-Vertreter in Verbindung und buchen Sie eine Vorführung der ANCA TX7+, der von der Industrie bevorzugten  Maschine zum Schleifen von Endoprothesen und chirurgischen Instrumenten.

 

 Referenzen

1 The Complete Guide to the Global Orthopaedic Market 2009, Espicom Business Intelligence (www.espicom.com), 2009.

2 The Future of the Orthopedic Devices Market to 2012, Global Markets Direct, Dec-2008, Report Code: GMDME0754MR

3 Global Orthopaedic Market - Focus on Hip and Knee replacement, A&M Mind Power Solutions, Jan 2010,

4 Hip and Knee Replacement Market: Overview of the US and European markets - growth in a mature market, Datamonitor, Oct 2006

5 For Orthopedic Devices, the Future Is Still Bright, Anthony G. Viscogliosi, Viscogliosi Bros LLC, May 2009