Výroba lékařských nástrojů pomocí CNC obrábění

Často využívaným výrobním řešením pro splnění náročných kritérií medicínských nástrojů je CNC obrábění. Tento proces hromadné výroby je spolehlivý, přesný, škálovatelný a snadno přizpůsobitelný. Pokroky v CNC obráběcích strojích dnes umožňují realizovat i velmi sofistikované úkoly, vyžadující vyšší úroveň přesnosti a opakovatelnosti, a neustále se rozšiřuje rozsah toho, co je v konstrukci nástrojů fyzicky možné.
Současné obráběcí stroje umožňují výrobu pokročilejších produktů zdravotnických prostředků. Výrobci strojů neustále hledají způsoby, jak optimalizovat výkon řízením vibrací, zvyšováním rychlosti stroje, snižováním nákladů na údržbu a poskytováním flexibilních obráběcích platforem umožňujících provádět více komplexních úkolů v jednom nastavení. Uplatňují se pokročilá technická řešení, mezi něž patří např. lineární pohony nebo hydrostatická vodítka.
Víceosé CNC stroje pracují s pohybem po několika nezávislých osách, k němuž se většinou používá vedení s hřebenem a pastorkem nebo lineární šroubový a vratně se pohybující kuličkový pohon, což ale vlivem tření a opotřebení způsobuje limitující faktory, pokud jde o přesnost i rychlost. To se však netýká alternativního řešení s využitím lineárních pohonných systémů, jež se díky minimalizaci tření pohybují mnohem rychleji s vyšší přesností, navíc nevykazují prakticky žádné opotřebení. Dalším inovativním řešením pohonu pro snížení tření je hydrostatické vedení, které využívá přesně vybroušené vodicí dráhy, odpružené tenkým filmem nepřetržitě čerpaného oleje z vozíku, který drží obrobek. Flotace oleje potlačuje vibrace a odstraňuje tření, což zajišťuje vynikající kvalitu povrchu obráběného dílu.

Od prototypů po hi-tech produkt
Každý nový produkt začíná prototypem. Jakmile je návrh schválen, může být hotový díl naprogramován a obroben již za jeden den, což umožňuje začít hned pracovat na testování vhodnosti a funkčnosti. Fyzické prototypy pomáhají identifikovat potenciální konstrukční nedostatky, které lze vylepšit, pak stačí obvykle upravit jen program stroje.
Po zadání návrhu může správně fungující CNC fréza nebo soustruh vyrobit totožné díly v jakémkoli objemu s minimálními odchylkami v toleranci mezi nimi, obvykle 5 mikronů či méně, a právě přesnost a opakovatelnost patří k hlavním trumfům CNC.
Další z výhod je možnost využití řady biokompatibilních materiálů. Například polypropylen, polyethylen a polyoxymethylen jsou nejlepší pro tenkostěnné sektory, lze použít také nylon, který je však limitován malým zpracovatelským oknem, zatímco polykarbonát a PET vyžadují jemné řízení teploty. Pro aplikace s vysokou pevností se osvědčují ABS plněné skleněnými vlákny.
Kovové komponenty lékařské kvality, jako jsou vodicí dráty, šrouby, implantáty a držáky, jsou vyráběny z titanu, nerezové oceli, hliníku, mědi a také slitin Kovar, Invar a Inconel. Perspektivní volbou pro svou odolnost proti zalomení a únavě je Nitinol, chytrý materiál s tvarovou pamětí.

Všestrannost
Všestrannost CNC obrábění znamená, že návrháři stejně jako lékařští technici mají široký prostor pro výběr materiálu, který je pro zamýšlenou aplikaci nejlepší, jelikož zdravotnické prostředky musí splňovat přísné normy na odolnost, bezpečnost a biokompatibilitu.
Díky své všestrannosti se CNC obrábění hodí pro všechny způsoby zakázkové výroby zdravotnických produktů, jako jsou nejrůznější nástroje a svorky z nerezové oceli, chirurgické implantáty, ortotické a protetické komponenty, vysokoteplotní armatury pro sterilizační komory. Frézováním si materiál zachovává své homogenní mechanické vlastnosti pro splnění vyšších standardů kvality. Umožňuje tak vyrábět díly s dlouhou životností, které lze nosit na těle nebo uvnitř těla po velkou část života.
CNC obrábění však není nejvhodnější pro velké objemy plastových dílů, u nichž se uplatňuje spíše vstřikování nebo vytavitelné lití, což ovšem závisí na výrobě vyhrazených lisovacích nebo licích forem. Jejich výroba trvá podstatně déle a vyžadují velké počáteční investice. Na základě skenů těla lze obrábět tak, aby řešení byla přesně sladěna s biomechanikou pacienta.

Přesné obrábění
Budoucnost strojírenské výroby pro sektor lékařství ovlivňuje zejména přesné obrábění, které na rozdíl od konvenční výroby umožňuje produkovat díly s přesností na mikrony. Pro lékařské aplikace to přináší zásadní výhody miniaturizace, což je jeden ze stěžejních faktorů, personalizovaného přizpůsobení a vysokého výkonu. Přesné obrábění umožňuje širokou škálu materiálů, digitálně řízený kontrolní řídicí software s umělou inteligencí, který poskytuje optimální rozměrovou přesnost a umožňuje tak složité konstrukční prvky.
Na přesné obrábění spoléhá řada zařízení, jako jsou např. inzulínové pumpy, kardiostimulátory a implantáty pro monitoring srdce, defibrilátory, biometrické sledovače, přístroje pro dialýzu ledvin, ale i přenosné rentgenové přístroje, MRI skenery nebo systémy podávání léků. Díky přesné technologii je možné optimalizovat pouzdro produktu, vnitřní architekturu, integraci elektroniky a u nositelných zařízení jejich minimálně invazivní tvar s ultratenkým mikrolisovaným krytem pro komfortní používání.
I chirurgové a zubní lékaři těží z přesné výroby. Mohou si podle svých preferencí nechat vyvíjet specifické nástroje, jako jsou řezačky, bioptické jehly, držáky implantátů, nebulizéry, nebo vybavit robotického asistenta vlastními chapadly. Nástroje, které lze pomocí přesného obrábění vyrobit, umožňují také operace s robotickou podporou, jako jsou operace srdečních chlopní.
Přesné obrábění se hodí i pro kritické aplikace, jako jsou protézy a ortézy. Pomocí víceosých CNC strojů jsou frézovány z titanu nebo kobalt-chromu s některými plastovými součástmi z polyethylenu, akrylu, polyethylentereftalátu nebo polyetheretherketonu, např. kloubní implantáty pro rameno, kyčel nebo koleno, implantáty pro ruku, kotník nebo loket, implantovatelné porty katetru, ale i páteřní, kochleární či kranioplastické implantáty (při poškození lebky). V případě zejména posledních jmenovaných se stále více uplatňuje také 3D tisk.
Pro mnoho aplikací je však CNC obrábění rychlejší než 3D tisk a díly, které dokáže vyrobit, jsou mnohem pevnější a přesnější.
Z důvodů efektivity nebo složitých geometrií se někdy používá hybridní přístup. 3D kovový tisk lze použít k vývoji organických vnitřních mřížových struktur pro lehké součásti, které jsou následně dokončeny CNC obráběním. Podobně řada medicínských zařízení vděčí za špičkovou povrchovou úpravu kombinaci vytlačování hliníku s přesným frézováním a laserovým zařízením v procesu, který nezanechává žádné hrany a povrchové otřepy, a to ani uvnitř zařízení.

Josef Vališka
Foto: SME, Lincotek Medical, Seco Tools, Todays Medical

Publikováno: 3. 3. 2023 | Počet zobrazení: 158 40