Titan-Bearbeitung Zerspanung im Dienste der Medizintechnik

Redakteur: Frank Fladerer

Deutschland ist der drittgrößte Medizintechnik-Produzent der Welt – nach den USA und Japan. Die Sparte steht für hohes technisches Know-how und erwirtschaftete 2007 einen Umsatz von rund 17 Mrd. Euro. Für die Unternehmen stellen sich mit der Produktion von medizintechnischen Bauteilen neue Herausforderungen – zum Beispiel die Zerspanung von Titan.

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Deutschland ist einer der weltweit wichtigsten Hersteller für Medizintechnik. Bei der Herstellung von künstlichen Gelenken spielt die Zerspanung eine besondere Rolle. Bild: Frank Fladerer
Deutschland ist einer der weltweit wichtigsten Hersteller für Medizintechnik. Bei der Herstellung von künstlichen Gelenken spielt die Zerspanung eine besondere Rolle. Bild: Frank Fladerer
( Archiv: Vogel Business Media )

Das Sprunggelenk ist das Verbindungsgelenk zwischen Unterschenkel und Fuß. Diese Schnittstelle unterhalb des Schienbeins ist eines der am stärksten belasteten Gelenke des Körpers. Vor allem Verstauchungen und das Umknicken des Gelenks sind bekannte alltägliche Verletzungen. Nicht selten entwickeln sich Abnutzungserscheinungen, die schlimmstenfalls in einer Operation münden. Viele tausend Menschen, haben sich in den vergangenen Jahren einer Operation am Sprunggelenk unterziehen müssen. In den schlimmeren Fällen spielt die Medizintechnik eine große Rolle und liefert einen künstlichen Ersatz für das abgenutzte Gelenk, die sogenannte Sprunggelenks-Endoprothese.

Ein Unternehmen, das sich auf die Herstellung künstlicher Sprunggelenke versteht, ist die U. Klein GmbH aus dem Saarland. Der Lohnfertiger gehört zu den wenigen Produzenten dieses Organs in Deutschland. „Hüft- und Kniegelenke sind mittlerweile Massenware, die oftmals gegossen und nur noch poliert werden. Sprunggelenke sind nach wie vor Einzelteile“, erklärt Ralf Merz, neben Unternehmensgründer Rudi Klein einer der beiden Geschäftsführer des zehn Mitarbeiter zählenden Unternehmens. Wie viel Know-how zur Herstellung eines solchen Gelenkes notwendig ist, erschließt sich erst bei einem Blick hinter die unscheinbaren Kulissen des Unternehmenssitzes in einem Gewerbegebiet im beschaulichen St. Ingbert.

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Künstliches Sprunggelenk – ein geometrisch sehr komplexes Bauteil

Herausforderung Nummer 1: Beim künstlichen Sprunggelenk handelt es sich um ein geometrisch sehr komplexes Bauteil, das spanend nur in 5-Achs-Bearbeitung sinnvoll gefertigt werden kann. Ein solches Gelenk besteht aus einem Ober- und Unterteil sowie einem Gleitlager. Das Unterteil sowie das Lager bestehen größtenteils aus Krümmungen, die die Abrollbewegungen des Fußes unterstützen sollen – ohne das Sprunggelenk wären Abrollbewegungen nicht möglich.

Lediglich der Sitz des künstlichen Gelenkes besteht aus geraden Flächen, weil dieser bei einer Operation das Ersatzgelenk mit dem Knochen verbindet und eine gerade Verbindungsstelle vom Arzt einfacher hergestellt werden kann. Das Oberteil des künstlichen Gelenks bildet diesen Sitz. Er enthält je nach Ausführung außer einer geraden Oberfläche lediglich ein oder zwei runde Zapfen, die das Organ fixieren.

Kleinster Fräserdurchmesser beträgt lediglich 1 mm

Herausforderung Nummer 2 stellen die Abmaße dar: Ein fertiges Sprunggelenk hat eine Höhe von rund 50 mm, eine Länge von etwa 40 mm sowie eine Breite von 35 mm. Dabei gibt es vier standarisierte Baugrößen, die je nach Körpergröße und –volumen des Patienten gewählt werden. Um die filigrane Struktur herstellen zu können, werden winzigste Werkzeuge eingesetzt: „Der kleinste Fräser hat einen Durchmesser von 1 mm, der größte von 8 mm“, erläutert Ralf Merz, der die Auftragsabwicklung managt. Die Toleranzen liegen im Hunderstel-mm-Bereich.

Die dritte große Herausforderung stellt das Material dar: Titan – schließlich soll das Gelenk so verschleißfest und zugleich leicht wie möglich sein. Eine Kombination, die es in sich hat: „Am Anfang haben wir schon ein wenig Lehrgeld bezahlt, bis wir genügend Erfahrungen mit den Prozessparametern gesammelt hatten“, schmunzelt Merz, aber das sei andererseits eine Herausforderung, die andere Unternehmen vor der Herstellung solcher Bauteile zurückschrecken lasse und deshalb heute einen Wettbewerbsvorteil bedeute.

Drei bis vier Stunden Bearbeitungszeit pro Gelenk

Fräsen ist das wichtigste Verfahren im Produktionsprozess. Gearbeitet wird aus dem Vollen. Fliegende Späne sind wegen der Dimension der Bauteile und des Arbeitsmaterials aber nur selten zu sehen. Span für Span gewinnen die komplexen Gelenke ihre Form. In einer Bearbeitungszeit zwischen drei und vier Stunden wird aus dem Stangen-Rohmaterial mit 40 mm Durchmesser ein medizinisches Ersatzteil von 35 bis 40 g Gewicht, das in einem menschlichen Körper Jahrzehnte lang seinen Dienst versehen soll.

Die Fertigung geschieht hauptsächlich auf einer VF 4 von Haas. Das 5-Achs-Bearbeitungszentrum wurde für die medizintechnischen Anforderungen mit einer ganzen Reihe Zusatzmodule bestückt. Außer einem HSM(High Speed Machining)-Modul besitzt es eine Spindel mit einer Umdrehungszahl von 10 000 min-1. Ein seitlicher Werkzeugwechsler mit bis zu 24 Werkzeugen soll den Innenraum frei halten und die Kollisionsgefahr verringern. Eine Z-Achsen-Erhöhung sorgt für zusätzlichen Platz in der Maschine. Die Messvorgänge werden mittels eines 3D-Tasters erleichtert.

Speziell die filigranen und besonders wichtigen Unterteile der Gelenke werden ausschließlich auf der VF 4 gefertigt. Für die glatten Oberteile mit lediglich einem oder zwei Zapfen sowie für eventuell notwendige Nachbearbeitungsschritte kommen auch andere Maschinen zum Einsatz, vor allem Haas-CNC-Maschinen, die unter dem Mikron-Label gebaut wurden, darunter die VCE 500.

Kunststoffbauteil fungiert als Gleitlager des Gelenks

Bis zu diesem Punkt ist ein Sprunggelenk allerdings noch nicht ganz vollständig: Zwischen Ober- und Unterteil, die jeweils auf chirurgischem Weg in den Knochen verankert werden, puffert eine Platte aus dem medizinischen Kunststoff PE-UHMW (Polyethylen ultrahochmolekular), auch Chirulen genannt, Bewegungsstöße ab und fungiert als Gleitlager zwischen den Titanbauteilen. Diese Gleitlager entstehen durch HSC(High Speed Cutting)-fräsen.

Auf konventionellen Maschinen oder von Hand werden alle Bauteile abschließend entgratet und poliert, bevor es in die Endkontrolle geht. Bei dieser erfolgt die Zertifizierung der Maßhaltigkeit für jedes Teil.

Der Löwenanteil der saarländischen Produkte wird nach Groß-britannien exportiert. „Der Medizintechnik-Markt ist im Normalfall eine eher regionale Angelegenheit. Bei uns ist das etwas Besonderes“, erklärt Rudi Klein. Hauptauftraggeber ist das englische Unternehmen Corin. Die ungewöhnliche Allianz ist kein Zufall: Der Deutschland-Sitz von Corin ist in Saarbrücken und damit ganz in der Nähe der U. Klein GmbH. Der Kontakt zwischen den beiden Unternehmen entstand 1993 zu Zeiten des Corin-Vorläufers Alphanorm, der 2002 von den Engländern aufgekauft wurde.

Die Auftragsabwicklung hat sich im Rahmen der langen Zusammenarbeit bestens eingespielt: Die Aufträge und Datensätze gehen direkt online ein. Die Losgrößen liegen in der Regel zwischen zehn und 25 Stück. Nach der Weiterverarbeitung der Daten mit dem CAD-Programm Solid Edge der Siemens-Tochter UGS sowie der CAM-Software Esprit von DB Technology gelangen die notwendigen Machinendaten in die Haas VF 4. Die Produktionsmaschine ist über ein Netzwerkmodul direkt mit dem Firmennetzwerk verknüpft, sodass die Umstellung auf ein anderes Produkt bis auf maschinenspezifische Parameter wie Nullpunktverschiebung und Anpassung des Werkzeugbestandes im Werkzeugmagazin online geschehen kann.

Werkzeugmaschine ans Netzwerk angebunden

Die Herstellung von Prothesen ist allerdings nur ein wichtiger Bereich in der Medizintechnik. Die zweite Säule, die die U. Klein GmbH ebenfalls abdeckt, sind Operationsbestecke und deren Zubehör. Überdiese Produkte hat das Unternehmen den Weg zur Fertigung von Medizintechnikbauteilen gefunden. Nachdem es die ersten Schritte in der Reparatur von Bestecken erfolgreich gemeistert hatte, traute sich das Team um Rudi Klein schließlich an die Herstellung von Neuteilen.

Ein wichtiges Produkt der Saarländer ist heute ein selbstentwickeltes Modulsystem für Siebkasteneinlagen, das in etlichen deutschen und ausländischen Operationssälen angewendet wird. In solchen Siebkästen werden die bei einer Operation verwendeten Bestecke abgelegt. Durch die Verwendung von einfach montierbaren Modulen aus Kunststoff können die Siebkästen unkompliziert auf andere Bestecke umgerüstet werden.

Als drittes und letztes Beispiel aus der sehr vielfältigen Produktpalette sollen sogenannte Schnittblöcke dienen. Dabei handelt es sich um Schablonen, die der Operateur zum präzisen Ansetzen des Skalpells bei einer Knieoperation nutzt. Diese Schnitthilfen werden von Corin und Klein im Dialog ständig weiterentwickelt. „Wir haben mittlerweile wahrscheinlich genug medizinisches Wissen, um zur Not auch selbst operieren zu können“, schmunzelt Rudi Klein, während er die Funktion des Bauteils anhand medizinischer Prinzipskizzen erläutert.

Kleine Unternehmen führen in der Medizintechnik

Beim globalen Blick auf die Medizintechnik-Branche zeigt sich, dass kleine Unternehmen dominieren. Mit Siemens Medical Solutions und Fresenius haben allerdings auch zwei der zehn international umsatzstärksten Unternehmen der Medizintechnik ihren Sitz in Deutschland. Zu den großen deutschen Herstellern von Prothesen, Bestecken und Co. gehören darüber hinaus Unternehmen wie Carl Zeiss Meditec, Otto Bock und Aesculap. Insgesamt zählt die Branche hierzulande rund 95 000 Beschäftigte in 1200 Betrieben.

Für die Klein GmbH ist die Medizintechnik ein gutes Standbein, das etwa 60% der Produktionskapazität bindet. Zwar hätte Unternehmensgründer Rudi Klein nichts gegen eine weitere Steigerung einzuwenden; der Auftragsbestand für die kommenden Monate ist aber bereits gesichert. Billigere Konkurrenz beispielsweise aus Osteuropa fürchtet der Landesinnungsmeister Metall des Bundeslandes Saarland nicht: „Wir haben vor einiger Zeit einen Prototypen für ein Gelenk gebaut, das jetzt durch Gießen und Polieren in Tschechien hergestellt wird, aber der Trend geht eher wieder zu einer Rückverlagerung der Produktion nach Deutschland“, sagt Klein.

Sprachbarrieren, Probleme bei der Umsetzung von Neuerungen, Terminuntreue und steigende Preise seien einige der Schwierigkeiten, die die Produktion wieder zurückholten. Als Problem für Wachstumschancen sieht Klein vor allem eines: den Mangel an Facharbeitskräften, den auch er spürt und den sein Unternehmen durch Ausbildung zu beheben versucht.

Auf der Prioritätenliste bei Klein steht derzeit jedoch weniger der Wunsch nach Unternehmenswachstum als vielmehr nach einer Verfeinerung des Maschinenparks. Bei der Produktion der Implantate läuft das Haas-Bearbeitungszentrum VF 4 nachts zwar mannlos weiter, eine Automatisierung der Bestückung existiert bislang aber nicht. Eine Bestückungslösung mit einem Roboter oder einer klassischen Palette, die neue Rohlinge bereitstellt und die fertigen Bauteile abnimmt, würde die Produktivität weiter steigern.

Für die Betroffenen ist die Verfügbarkeit künstlicher Gelenke kein Problem. Der Rückgriff auf die Medizintechnik bietet ihnen oft die Option auf ein Leben ohne weitere Schmerzen. Senioren beim Tennisspielen, Tanzen oder Fußballspielen werden angesichts weiter alternder Bevölkerung in den kommenden Jahrzehnten zunehmen. Die Zahl derer, die ihren Sport noch im Alter dank medizinischer Prothesen ausüben können, ebenfalls.

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