整形外科部品加工におけるフライスの新しい戦略

現在、整形外科用置換およびリハビリ機器の需要が高まっています。医療部品には、事故や病気によって損傷した身体部分を修復または強化するために使用される人工関節および人工パネル、ロッドおよび釘が含まれます。

人間の平均余命の一般的な延長に伴い、ますます多くの高齢者が骨や骨粗しょう症に苦しむようになり、整形外科用代替装置の需要が高まっています。世界的な体重増加と肥満の傾向 人間の骨と関節は、直径による圧力を受けています。ほとんどの人のライフスタイルは徐々に変化しており、運動不足からスポーツへの参加が増え、姿勢交換の需要がさらに高まっています。新興国の発展に伴い、ますます多くの世界的な研究機関が、世界の整形外科用デバイス市場の価値が 2024 年までに 500 億ユーロ ($530 億) に増加すると予測しています。

1.競争が切削工具の開発を促進する

競争の激しい整形外科部品市場では、大手サプライヤー5社のシェアが約85%拡大し、残りの200社が残りのシェアを争っている。パーツ加工方法。新しい材料を適用することで、インプラントはより強く、より軽くなり、体内で最長 25 年間使用できます。このように、整形外科用機器は消費者のライフスタイル市場全体の一部であり、パーソナライゼーションに向かっています。医療機器メーカーは、外観やその他の選択肢に対する患者のニーズを満たすために自社製品をカスタマイズする方法を検討しています。製品の差別化は、重要な競争上の優位性となっています。そのため、工作機械メーカーは、複雑な形状の部品を迅速に処理できるようにするソリューションの開発を模索していますが、工具メーカーは、より高速でサイズの大きいツール技術の開発に注力しています。高度な製造技術ソリューションには、処理用の 3D 印刷技術と高度な冷却技術が含まれます。

2.代表的な医療部品

整形外科用器具には、股関節と膝の部品、人工肘と骨折関節、切開リハビリ機器、脊椎プレートとさまざまなリハビリ釘、ロッド、ファスナーが含まれます。これらのコンポーネントの重要な要件は、強度、信頼性、軽量、および生体適合性です。

3.フライスの加工課題

骨と膝のインプラントの場合、最も一般的な加工材料はコバルト クロム合金ですが、チタンの使用も増加しています。典型的なコバルトクロム合金にはcocr28mo6などが含まれ、Ti6Al4Vチタン合金が最も一般的に使用される材料です。

どちらの材料も生体適合性があり、非常に硬いため、整形外科部品の製造に非常に適しています。ただし、これらの同じ特性により、合金の機械加工がさらに困難になります。コバルトクロム合金は、耐摩耗性、弾力性があり、性能が劣ります。この合金には硬い研磨成分が含まれている可能性があり、切削工具やフライス工具の深刻な摩耗につながり、頑丈で連続的な切りくずが生成されます。そのため、切りくず処理性の良い刃先溝タイプを使用する必要があります。

チタン合金は軽くて強い。加工中に硬化し、ねじれます。中央の切れ刃と面に。チップチャネル内の高温、大きな切削力、および高い摩擦により、フライスカッターの三日月形の摩耗と故障が発生します。素材の弾性率は最小であり、一部のインプラント用途では有利ですが、加工中に素材が刃先から跳ね返ることがあるため、切削工具の切れ味には細心の注意を払う必要があります。

4.クーラント要件

整形外科用インプラントの加工に使用される材料は、しばしば過度の速度を生み出し、クーラントの使用を必要とします。ただし、従来のクーラントを使用すると、通常、部品の汚染を防ぐ上で大きな制限があります。処理後、従来のクーラントは洗浄する必要があり、これは時間と費用のかかるプロセスです。クーラント自体が、従業員の健康、安全、および取り扱い方針に関して環境問題を引き起こす可能性があります。別の冷却技術は、超臨界二酸化炭素 (SCCO2) を使用して、この超臨界 SCCO2 を媒体として乾燥させ、乾燥した強力な導管を切断領域に運びます。

CO2 が 31 C で 74 バール (1070 psi) に圧縮されると、切断領域に輸送されるときに超臨界になります。液体窒素などの低温物質は生成されませんが、超臨界 CO2 は膨張してドライアイスを形成します。この状態では、容器は気体のように満たされますが、密度は液体に似ています。したがって、新しいクーラント ソリューションは、より高い冷却効率をもたらし、高圧水/オイル、マイクロ潤滑 (MQL)、液体 CO2、および液体窒素を使用する既存のシステムを使用します。

5.3Dプリント部品

整形外科用デバイスの製造でますます一般的になっているもう 1 つの非伝統的な製造技術は 3D プリントです。これは、チタンとコバルト クロムの合金粉末を使用して、複雑でほぼ正味の形状の部品を製造します。医療業界では、選択的レーザー溶融 (SLM) 技術を使用して粉末を溶融し、部品を層ごとに製造します。このプロセスにより、医療機器メーカーは、患者向けに特別な輪郭と寸法で部品をカスタマイズできます。そこから、均一な微孔質表面も生成され、それによってパーツとボディが加速されます。仕上げ加工では、3D プリントで製造された部品は、使用する金属の加工特性のほとんどを保持しています。ただし、そのような部品は、処理中に発生する不均一な応力を減らすために、後処理が必要になる場合があります。さらに、部品のほぼ正味の形状と複雑な輪郭により、プロセスの後半段階で部品のクランプが困難になる場合があります。

6.部品の交換

人工膝関節全置換術は、通常、3 つの基本的な部分で構成されています。この部分は、下腿の脛骨の上部に固定され、突き出たエッジで整列面を支える短軸またはキールで構成されています。最後の 1 つは、ジョイントが自由に動くように、金属部品の間にプラスチック製のベアリング インサートを配置したものです。

同様に、股関節形成術は 3 つの主要部分で構成されています。上部に大腿骨キャップまたは大腿骨頭があり、大腿骨または股関節の上部に挿入される金属製の大腿骨ステムです。キット。膝関節の Neo alinea ベアリング インサートと腰関節のプラスチック カップは通常、UHMWPE (超高分子量ポリエチレン) から処理されます。

7.複合製法

整形外科用部品の場合、プラスチック ジョイントの表面仕上げは、プラスチック パーツの期待寿命を短くするために優れたものでなければならず、同時にプラスチック パーツは 20 年間調整されなければなりません。たとえば、膝がずれている場合、大腿骨プロテーゼと脛骨ブラケットは完全に滑らかで、プラスチック ベアリング インサートを摩耗から保護する必要があります。

したがって、整形外科用コンポーネントの製造では、通常、十分に細かい仕上げを実現するために、フライス加工後に研磨する必要があります。ただし、研削には非常に時間がかかり、全体的な製造効率と生産量に影響します。さらに、研削プロセスはベース部品に高温と応力を発生させ、部品の寸法誤差を引き起こし、部品の強度と性能に影響を与えます。

一般に、高度な切断機と高速フライス加工戦略は、場合によっては研削プロセスを改善したり、置き換えたりすることができます。フライス加工の目的は、バリのないプロファイルと優れた表面仕上げを生成し、特定の必要な表面品質、サイズ、および寸法精度を実現することです。定義された表面形状と構造はミリング中に実現されているため、後処理プロセス (研磨 (ある場合) など) の時間は交互に変更できます。カッティング エンド ミルについても、耐久性と信頼性の高いカッティング エンド ミルと、工具寿命と期待の最大化について同じことが言えます。

代表的な用途は、ボール エンド ミルを使用して、5 軸フライス盤で鋳造コバルト クロム合金製の大腿骨部品を加工することです。高速プロファイリング戦略と高性能エンド ミル カッターにより、研削工程が不要になります。その結果、各部品の加工サイクルは11分となり、従来工法より50%短縮。フライス加工ではなくヒンジ面を研磨することで、無駄な部品の発生をなくしました。一体型超硬エンドミルは、特殊な超硬合金材料と硬質研磨されたチアルシン コーティングで作られており、優れた金属除去率と滑らかな切削効果を保証し、優れた表面仕上げまたは最短の研磨時間を実現します。

8.複数加工

整形外科部品の複雑な輪郭には、通常、いくつかの特別な切削エンドミルを使用する必要があります。例えば、骨の種類によっては、荒削り、底面荒削り、底面仕上げ削り、面取り、T溝根切りの7つの加工工程が必要になります。これらのプロセスは、手作業による介入を最小限に抑えて優れた表面品質と信頼性の高いツール性能を得ることができるため、最高のアライメント、低コスト、最高の品質が保証されます。

以前は、さまざまな加工を完了する際に、必要な輪郭、サイズ、および表面仕上げを達成するために、特殊な切削およびフライス カッターが必要でした。特殊な裁断機は設計・開発に多くの時間と費用がかかり、サイズが小さくなるため、架橋時間が長くなり、利用できる台数が限られます。

新しいアプローチは、これらのアプリケーションで効率的に生産できる標準化された切断機を開発して使用することです。これらの切断機は、整形外科業界の他の同様の部品を処理するのに十分なサイズも保持する必要があります。