Experiencia combinada para la industria médica

Implantes integrados funcionalmente mediante novedosos procesos de mecanizado sincronizado - ZykloMed

Con el proyecto conjunto financiado por el Ministerio Federal de Educación e Investigación (BMBF), los socios participantes INDEX, Paul Horn GmbH, Beutter Präzisions-Komponenten GmbH y el Instituto wbk de Ingeniería de Producción del Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT) están demostrando su experiencia en la industria médica. Utilizando nuevos y modernos procesos de fabricación, los socios han abordado los retos que plantea el mecanizado económico de implantes con diseños biónicos multifuncionales y no redondos. La atención se centró en los tres procesos de fabricación de torneado excéntrico, torneado poligonal y fresado de torbellino.

Los implantes médicos modernos para ortopedia, traumatología y odontología se caracterizan por sus rigurosas exigencias de resistencia, biocompatibilidad y geometría biónica optimizada. La geometría de un implante se adapta al hueso y al tejido. En este proceso, las superficies funcionales de los implantes adquieren un diseño cada vez más sofisticado para facilitar su fijación en el cuerpo y hacerlos menos invasivos para el paciente. Los nuevos diseños de implantes elevan los costes de fabricación porque las superficies ya no son circulares o cuadradas. Tienen más superficies curvas y elementos funcionales con transiciones continuas en un espacio muy reducido. En particular, la necesidad de varios pasos de fabricación en distintas máquinas hace que los costes aumenten considerablemente. Por ejemplo, la manipulación precisa para la sujeción exacta de una pieza representa un factor de coste considerable. Por lo tanto, a pesar del alto nivel de integración funcional, se necesita una ruta de proceso eficiente para una producción económica.

Procesos novedosos

Los novedosos procesos de fabricación del torneado excéntrico, el torneado poligonal y el fresado de torbellino se basan en el mismo principio cinemático de múltiples ejes giratorios sincronizados. Aunque este principio es bien conocido, su aplicación a formas no circulares y curvas es muy exigente. Al mismo tiempo, la aplicación práctica debe cumplir los elevados requisitos de calidad de la industria médica.

Los socios del proyecto investigaron y desarrollaron procedimientos de fabricación novedosos a lo largo de todo el proceso y la cadena de suministro, desde las máquinas y la tecnología de control hasta el diseño de las herramientas y la producción de prototipos y preseries. Los procesos de fabricación se simularon y diseñaron basándose en métodos conocidos con los mismos principios matemáticos para determinar los requisitos de la herramienta y la máquina. Las pruebas se dividieron en pruebas de equivalencia en condiciones de laboratorio y pruebas de preserie en laboratorio y entornos cercanos a la aplicación. Los ingenieros se centraron en la tecnología de máquinas y herramientas para el desarrollo y diseño de los procesos individuales.

En el torneado excéntrico, una herramienta giratoria no circular se guía a lo largo de una pieza giratoria mediante un acoplamiento posicional. Las velocidades se ponen en una determinada relación entre sí. De este modo, la forma no circular se reproduce en el componente dentro de ciertos límites. El proceso ofrece una producción muy productiva de contornos exteriores excéntricos. La rotación de la herramienta reduce la carga térmica en el filo de corte, lo que garantiza una larga vida útil de la herramienta. El proceso también permite la producción de perfiles cónicos.

El torneado poligonal es un proceso para producir contornos exteriores e interiores no circulares con forma de hipotrocoide. Al igual que el torneado excéntrico rotativo, el proceso ofrece la posibilidad de producir contornos no circulares en tornos. En el proceso, los ejes paralelos de la pieza y la herramienta se desplazan entre sí una distancia axial y se llevan a una relación de velocidad específica mediante acoplamiento posicional. La distancia axial, la relación de velocidad de la pieza respecto a la herramienta y el diámetro de corte de las plaquitas definen la dimensión del contorno. Un sistema de herramientas para el torneado de polígonos se adapta individualmente al contorno de la pieza a fabricar.

El fresado de torbellino es un proceso muy productivo para producir roscas para tornillos óseos. Se colocan una o dos fresas circulares en un ángulo determinado con respecto a la pieza. Los sentidos de giro de las fresas y de la pieza pueden ser iguales o contrarios. La relación de velocidad entre la pieza y las dos fresas depende del número de roscas y del número de insertos de las fresas. Por primera vez, el fresado de torbellino también puede utilizarse para producir roscas de paso variable de forma económica, modificando dinámicamente el perfil de la rosca.

Pruebas cercanas al éxito de la producción en serie

Con las pruebas realizadas con éxito en un entorno de producción casi en serie, los socios del proyecto ZykloMed se han acercado un gran paso al objetivo del proyecto de investigación, la producción económica de implantes de diseño biónico multifuncional y no redondo. Los ingenieros demostraron que los procesos de fabricación sincronizados permiten la producción económica de implantes modernos. Además de la producción de nuevas geometrías de componentes, los procesos también ofrecen potencial de optimización para la producción económica de implantes existentes, así como posibles aplicaciones más allá de la industria médica.