Obrábění Titanu – řešení pro lékařský průmysl

Průmysl výroby mini dílů spolu s dílnami vybavenými švýcarskými automaty i výrobci nástrojů jsou již v pohotovosti. Takzvaný medicínský průmysl se dynamicky rozvíjí a jistě bude časem nabývat na svém významu. Stane se pak důležitým oborem se specifickými požadavky na technologii výroby i nástroje. Takto pokračující trend je předpokladatelný s ohledem na celosvětově rostoucí výzkum a vývoj medicíny za účelem prodlužování aktivní věkové hranice.

Zejména oblast ortopedických implantátů přispívá již nyní velkou měrou do požadavků strojírenské (medicínské) výroby. Ta se snaží operativně reagovat a zvyšuje poptávku na vyhovující typy obráběcích center a specializované řezné nástroje, tak aby se výrobci stali konkurence schopnými a aby cenová dostupnost dílů vyhovovala odběratelům.
Výroba dílů pro medicínu představuje přesné obrábění poměrně malých součástí, které jsou navíc z hůře obrobitelných materiálů, jako jsou titan a nerez oceli.
Obrábění složitých tvarů ortopedických součástí nahrazující kosti a klouby je složitý a zdlouhavý proces. Výroba takových dílů z tyčoviny vyžaduje velký stupeň odběru přebytečného materiálu. To výrobu při nedostatečném stupni vhodnosti nástrojů značně prodražuje. Proto se některé díly odlévají  s menším přídavkem pro obrábění. Samotné upínání takových obrobků je také komplikované a vyžaduje složité upínací přípravky. Poslední faktor, který výrobu prodražuje je vyšší stupeň přesnosti.
Soubor těchto podmínek vede k vývoji nové technologie a řešením s cílem asistovat specializovaným dílnám vyrábějícím medicínské díly se snahou zvyšovat jejich produktivitu. Semistandardní a speciální nástroje pro soustružení spolu s vybranými jakostmi karbidů, inovovanou geometrií řezné hrany a utvařeči umožňují produktivně vyrábět díly splňující předepsanou toleranci.
Hlavním znakem rozdílnosti medicínské výroby od běžné je to, že se 90 % dílů pro implantaci vyrábí z titanové slitiny Ti6AL-4V. Menší procento dílů je vyráběno z nerez ocelí, ale chirurgii přeci jen svým poměrem pevnosti a váhy více vyhovuje titan než nerez ocel. K titanu navíc lidská tkáň přilne mnohem lépe.
Titan 6AL-4V je nepoužívanější materiál pro medicínské implantáty, díky jeho nízké váze, vysoké pevnosti a biokompatibilitě. Je výhodný i ve vztahu k pozdějším prováděným metodám vyšetření jako je magnetická rezonance a počítačová tomografie, protože nevykazuje žádné interference.
Titan 6AL-4V je běžně používán pro kyčelní klouby, kostní šrouby, kolenní klouby, kostní výztuhy, dentální implantáty a další chirurgické náčiní a nahrazuje tak donedávna používané chrom kobaltové slitiny.

Při obrábění titanu vznikají nepoměrně větší řezné síly než při obrábění ocelí. Titanové slitiny díky jejich metalurgické charakteristice lze mnohem problematičtěji obrábět než ocel o stejné tvrdosti.
Chovají se spíše jako hůře obrobitelné nerez oceli s ještě větší houževnatostí, těžko utvářenou třískou a větší tendencí ulomit břit nástroje při jeho vnikání a výstupu ze záběru. Používané karbidové nástroje není třeba povlakovat, protože na rozdíl od oceli s titanem chemicky nereagují. Získáme tak ostrou řeznou hranu, což je vlastnost při obrábění titanu velmi potřebná. S ohledem na snížení prostupu tepla do nástroje se doporučuje maximálně použít povlakování metodou PVD (zachovává ostřejší hranu než CVD). K takovému účelu nabízí firma ISCAR jakosti karbidů IC908, IC907, IC1008.
ISCAR v současné době nabízí sortiment standardních mini destiček vhodných pro obrábění titanových dílů. Jde o standardní nepovlakované destičky s velmi ostrou leštěnou řeznou hranou jakosti IC20. Všechny upínatelné do standardních držáků. Pro oblast vnějšího soustružení jde například o nástroje typů SWAPR/L s destičkami WPEB, WPEX nebo pro vnitřní soustružení nástroje řady SWUBR s destičkami WBMT, WBGT. Pro obrábění větších dílů lze použít ISO destičky CCGT-060202AS IC20,CCGT-09T304AS IC20, nebo VCGT-110302AS IC20, VCGT-160408AS IC 20. Na upichování titanu jsou velmi dobře uzpůsobené destičky JET-CUT s přívodem chlazení středem destičky až k řezné hraně. Pro těžší aplikace upichování se doporučují nástroje řady TANG-GRIP.

Současně ISCAR provedl rozsáhlou analýzu ortopedických implantátů na trhu ve snaze stanovit co nejefektivnější nové řady nástrojů pro zlepšení efektivity výroby v této oblasti. Jako výsledek konstrukce takové specifické řady nástrojů, destiček a vývoj utvařečů pro obrábění Ti6AL-4V přichází ISCAR s následujícími doporučeními:

Pro frézovací operace:
Širokou škálu monolitních karbidových jemnozubých i hrubozubých stopkových fréz pro pravoúhlé boční úběry. Pro obrábění tvarových ploch i odjehlování  kulové frézy. Frézy mají tak ostrý břit, že mohou brát při dokončování minimální třísku až 0,01 mm. S obdobnými nástroji ze
submikronových karbidů s PVD povlakem lze obrábět titan i nerez oceli při vysokých rychlostech a posuvech.

Pro operace vrtání a vystružování:
Nové monolitní karbidové vrtáky již od průměrů 0,8 mm s geometrií P a výstružníky geometrie „S“ ze submikronového karbidu IC908.

Pro soustružení:
Broušené destičky VCET, DCET a CCET s novým leštěným utvařečem WF a hladicí geometrií pro polodokončovací a dokončovací operace. Pro extra kvalitní povrch se nabízí destičky VCGT s utvařečem MD. Pro švýcarské automaty přímo konstruovanou řadu nástrojů SWISS-CUT. Ta zahrnuje škálu mininožů pro vyměnitelné destičky, které lze upínat z jedné i druhé strany držáku. To lze s výhodu využít při výměně ve stísněném prostoru stroje. Zahrnuje též destičky pro soustružení, upichování, zapichování a řezání závitů.

Pro upichování:
Nejlépe vyhovuje stávající systém JET-CUT se destičkami šířky 3 a 4 mm. Jde  o zapichovací a upichovací držáky a planžety s destičkami, které mají přívod řezné kapaliny středem přímo k řezné hraně. Chladicí kapalina se tak dostává přímo ke kritickému místu pod oddělovanou třísku a dochází ke skutečně primárnímu efektivnímu chlazení. To ve spojení se submikronovým karbidem IC908 opět garantuje kvalitní povrch a dlouhou životnost nástroje.
Titan je znám svojí vlastností zpevňování povrchové vrstvy. Proto je důležitá pozitivní geometrie břitu a větší úhel střihu, čímž vzniká tenká tříska s relativně malou styčnou plochou na čele nástroje. Navíc vysoké řezné síly při obrábění, kombinované s třením odcházejících třísek, generují poměrně vysoké teploty i do nástroje. Teplo z vlastního obrobku díky špatné vodivosti titanu také odchází špatně a tak je nástroj výrazně tepelně namáhán. Vysoké tlaky a teplo mají za příčinu kráterové výmoly a rychlé opotřebení destičky.
S relativně malým modulem elasticity vykazuje titan větší pružnost než ocel a při obrábění se při větší hloubce třísky více odtlačuje od nástroje. Tenkostěnné součásti se pak řezným tlakem deformují, rozdrnčí se a vznikají problémy s dodržením drsnosti povrchu a výrobní tolerance. Řešením je pokud možno co nejtužší systém upnutí obrobku, tuhý stroj a především vhodná pozitivní geometrie nástrojů. (Obr.6)
Při používání destiček s povlakem (pokud možno PVD) je třeba pečlivě sledovat jeho složení. Titan má mnohdy tendenci při vyšších teplotách obrábění chemicky reagovat právě s prvky
obsaženými v něm a pak může docházet ke zvýšené míře nalepování třísek k řezné hraně.
Všechny problémy obrábění titanu jsou definovány a není jich málo. Skutečností je, že součástí z něj bude stále přibývat a je třeba se na tuto problematiku připravovat včasným přechodem na nové nástrojové řady. www.iscar.cz
 

Publikováno: 5. 4. 2012 | Počet zobrazení: 4680 693