Individuelle Knie-Implantate in Rekordzeit

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Bei dieser Anwendung identifiziert das Programm das Kniegelenk auf einer CT-Aufnahme vollautomatisch und erzeugt ein patientenspezifisches Knochenmodell für die Anpassung des individuellen Kniegelenkimplantats. Ein weiteres Programm schlägt anschließend vor, wie die kundenspezifische Prothese geformt werden soll, und entwirft ebenfalls selbsttätig ein Prothesenmodell im Mesh-Format.

NX-CAM erzeugt CNC-Steuerdaten aus Mesh-Daten

Sowohl das Knochenmodell als auch das Prothesenmodell werden überprüft, bei Bedarf korrigiert und freigegeben. Wer die einzelnen Schritte der Qualitätskontrolle übernimmt, richtet sich nach den Aufgaben und Zuständigkeiten vor Ort. Häufig wird das der Operateur selbst sein. Anschließend erzeugt Siemens NX CAM aus den Mesh-Daten die CNC-Steuerdaten für die Fertigung; auch dieser Schritt unterliegt einer strengen Qualitätskontrolle.

Dieser durchgehende, hochgradig automatisierte Ablauf beschleunigt die Arbeitsvorbereitung enorm. Vergleichbare manuelle Konstruktionen benötigen einen bis zwei Ingenieurtage. Gutes Patientenbildmaterial vorausgesetzt, liefert die Prozedur fertige CNC-Daten in einer halben Stunde. Ein Großteil dieser Zeit entfällt auf die Qualitätskontrolle durch das Personal.

Durchgängige Prozesskette von Patientendaten bis zum Endprodukt möglich

Die unmittelbar anschließende Herstellung des Knie-Implantats kontrolliert eine Steuerung Sinumerik 840D sl von Siemens. Werkzeugmaschinen, die unter dieser offenen Steuerung laufen, lassen sich direkt in ein übergreifendes, betriebliches Fertigungssteuerungssystem einbinden.

Im Idealfall entsteht so eine durchgehende Prozesskette vom Eingang der Patientendaten bis zur Auslieferung der fertigen Werkstücke. Die CNC-Fertigungsdaten wandern papierlos und ohne Zeitverzug von der Arbeitsvorbereitung in die Maschinenhalle.

Durchgehende Prozesskette bietet Qualitätssicherung

Dieser Datenverbund bietet für die Medizintechnik den Vorteil, dass die Hersteller die strengen gesetzlichen Auflagen an Qualitätssicherung und -dokumentation besser erfüllen können. Kundenspezifische Knie-Endoprothesen werden üblicherweise gefräst. Sie bestehen aus einer verschleißbeständigen und schwer zu bearbeitenden Legierung – meist Kobalt-Chrom – und weisen eine schwierige Geometrie mit komplexen Konturen auf. Die Gelenkgleitflächen müssen eine sehr hohe Oberflächenqualität aufweisen.

Diese Aufgabe erledigt eine mit einer Sinumerik ausgestattete Fräsmaschine in einer halben Stunde in einer Aufspannung. Die Hauptrolle spielt dabei das Frästechnologiepaket Sinumerik MDynamics, das alle Fräsmaschinen mit Steuerungen Sinumerik 840D sl besitzen. Häufig benötigte Fräsbearbeitungsgänge sind dort in optimierter Form vorprogrammiert hinterlegt und auf hohe Abtragraten optimiert.

Prothesenbearbeitung im HSC-Zyklus

Für die Prothesen bewährt sich der „High-Speed-Cutting“-Zyklus, der mit hoher Schnittgeschwindigkeit dem Werkstoff gerecht wird. Besondere Zusatzfunktionen sorgen für gleichmäßige Flächen- und Konturverläufe. Die abschließende Feinbearbeitung der Gelenkgleitflächen – nur durch Fräsen, ohne Umspannen – regelt die Funktion „Advanced Surface“. Sie optimiert die Arbeitsgeschwindigkeiten und fügt die Fräsbahnen harmonisch aneinander, sodass spiegelblanke Oberflächen entstehen.

Eine Einzelfertigung wie die beschriebene kann sich kaum Ausschuss leisten. Hier hilft die Prozesssimulation, die Sinumerik-Steuerungen bieten. Sie erzeugt aus den CNC-Daten eine animierte dreidimensionale Prozessvorschau, mit deren Hilfe frühzeitig Programmierfehler entdeckt und ausgemerzt werden können.

Einen zuverlässigen Produktionsablauf unterstützt die Steuerung mit Rüstzeit sparenden Einrichthilfen und zahlreichen Überwachungsfunktionen für Werkstück, Werkzeug und Maschine. In diesem Ablauf ist kein Raum für Ungenauigkeiten und in aller Regel verlässt auf Anhieb ein perfektes Unikat die Maschine. Mit dem Projekt „Image to Implant“ beweist Siemens, dass in einer spezialisierten Prozesskette patientenspezifische Knie-Endoprothesen mit so geringem Aufwand hergestellt werden können, dass sie zukünftig zu einer echten Alternative zu Standardprothesen werden.

Mehr zur Sonderschau „Metal meets Medical“ auf der Metav 2012

* Dipl.-Ing. Sabine Fietz ist Business Manager Medical Device Industry Motion Control Systems der Siemens AG in 91056 Erlangen

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