Mit Rollieren das Polieren ersetzen – Erfolgsbeispiel aus der Medizintechnik

Czy nagniatanie rolkowe może zastąpić drogie i nieproduktywne procesy, takie jak polerowanie? Na to pytanie można łatwo odpowiedzieć "to zależy". Wyjaśnimy dokładnie, gdzie leżą granice i jakie wymagania można osiągnąć na przykładzie klienta z sektora medycznego.

Implanty biodrowe stawiają wysokie wymagania produkcyjne

W technologii medycznej wymagania stawiane wytwarzanym produktom są niezwykle wysokie. Wszyscy chcemy być i pozostać sprawni i mobilni. Chcemy być w stanie poruszać się bez bólu i pozostać aktywni nawet w podeszłym wieku. Implanty lub sztuczne stawy odgrywają zatem ważną rolę w spełnianiu tych życzeń. Niestety, rzeczywistość jest taka, że w wielu przypadkach nasze stawy są już zużyte i potrzebujemy ich wymiany. Aktualne dane pokazują, że liczba operacji wszczepienia implantu wzrosła o 7% w 2023 roku. W samych Niemczech każdego roku wszczepia się 220 000 stawów biodrowych. Zakładamy, że średnio jedna na cztery osoby będzie potrzebować sztucznego stawu w ciągu swojego życia.

Niestety, nie wszystkie operacje kończą się sukcesem i, niestety, taki staw nie jest stworzony, aby trwać wiecznie. Przybliżona żywotność sztucznego stawu wynosi około 10 lat. Jeśli jakość nie jest dobra, żywotność ulega skróceniu i dochodzi do przedwczesnej rewizji, co zawsze wiąże się z ryzykiem kolejnej operacji. Krótko mówiąc, wszyscy jesteśmy w znacznym stopniu zainteresowani zapewnieniem, że produkcja, na przykład implantu stawu biodrowego, spełnia najwyższe standardy i że jakość stawu jest absolutnie doskonała.

Jednym z wymogów stawianych przegubowi jest niskie tarcie między kulką a gniazdem. Obie powierzchnie muszą być niezwykle gładkie, aby zapobiec odpryskiwaniu z powodu silnie obciążonych powierzchni. Aby osiągnąć ten cel, kulki, które są zwykle wykonane ze stali CoCr lub tytanu, są polerowane w końcowym etapie obróbki. Dla lekarza połysk powierzchni jest decydującym kryterium, które przemawia za lub przeciw zastosowaniu implantu.

Polerowanie jako proces wykończeniowy

Końcowy proces polerowania jest przeprowadzany w kilku etapach. Chropowatość powierzchni jest zmniejszana krok po kroku za pomocą coraz drobniejszych narzędzi polerskich. Jeśli chodzi o produktywność, niska ilość usuwanego materiału jest równoważona przez wymaganą chropowatość, która zazwyczaj wynosi_Ra < 0,02 µm. Aby uzyskać lustrzaną powierzchnię, należy stosować narzędzia polerskie o bardzo małych rozmiarach ziaren. Wielkość ziarna jest zmniejszana na każdym etapie polerowania.

Aby zwiększyć produktywność, nasz klient zakwestionował ten łańcuch procesów i szukał alternatyw dla procesu polerowania.

Nagniatanie rolkowe znacznie zmniejsza wysiłek związany z polerowaniem

Oczywistym pomysłem, a tym samym celem tego projektu, było całkowite zastąpienie procesu polerowania procesem nagniatania rolkowego. Dzięki zastosowaniu hydrostatycznego narzędzia do nagniatania walcowego typu HG6-9, wartość chropowatości mogła zostać niezawodnie zredukowana do _wartości Rz mniejszej niż _Rz < 0,6 µm. Zastosowano prędkość walcowania _vw = 150 m/min i posuw walcowania _fw = 0,1 mm.

W przypadku nagniatania walcowego chropowatość powierzchni jest zmniejszana w procesie formowania poprzez dociskanie walca lub kuli. Oznacza to, że toczący się korpus generuje tak duży nacisk kontaktowy poprzez siłę nagniatania rolkowego, że materiał szczytów chropowatości zaczyna płynąć. Powoduje to wypchnięcie materiału ze szczytów w doliny, co obniża szczyty i podnosi doliny. W tym przypadku zastosowano siłę gładkiego toczenia _Fw = 750 N. Innymi słowy, siła, która jest możliwa do opanowania przez konwencjonalne maszyny do obróbki.

Dzięki zastosowaniu opisanego powyżej procesu nagniatania rolkowego, polerowania nie można całkowicie zastąpić, ale można je znacznie ograniczyć. Możliwe było wyeliminowanie niektórych etapów polerowania, a tym samym osiągnięcie ogólnej redukcji kosztów o -27%.