Manufactura de implantes médicos con geometría biónica optimizada
Tres empresas se asociaron para fabricar implantes integrados de manera funcional mediante novedosos procesos de mecanizado sincronizados.
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Editado por Eduardo Tovar
Con información de HornCompartir
El torneado excéntrico permite una elaboración altamente productiva de contornos exteriores no redondos.
Crédito: Horn/Sauermann
Con el proyecto conjunto financiado por el Ministerio Federal de Educación e Investigación de Alemania (BMBF), tres 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) demostraron su experiencia en la industria médica.
Mediante nuevos y modernos procesos de manufactura, estos socios abordaron 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 manufactura: torneado excéntrico, torneado poligonal y torno-fresado en espiral.
Contenido destacado
Geometría biónica optimizada en implantes: una nueva era
Los implantes médicos modernos para ortopedia, traumatología y odontología se caracterizan por unas 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 requieren un diseño cada vez más sofisticado para facilitar su fijación en el cuerpo y hacerlos menos invasivos para el paciente.
Los nuevos diseños de los implantes conducen a un aumento de los costos de manufactura porque las superficies ya no son circulares ni 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 costos 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, es necesario un proceso eficiente para una producción económica.
Múltiples ejes giratorios sincronizados: la innovación en manufactura
Los novedosos procesos de manufactura de torneado excéntrico, torneado poligonal y torno-fresado en espiral 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.
El torneado poligonal ofrece la posibilidad de producir contornos no redondos en tornos.
Crédito: Horn/Sauermann
Los socios del proyecto investigaron y desarrollaron novedosos procedimientos de manufactura a lo largo de todo el proceso y la cadena de proveedores, desde las máquinas y la tecnología de control hasta el diseño de la herramienta, el prototipo y la producción en preserie.
Los procesos de fabricación se simularon y diseñaron con base en métodos conocidos y los mismos principios matemáticos para determinar los requisitos de la herramienta y la máquina.
Torneado excéntrico en manufactura: un cambio revolucionario
Las inspecciones se dividieron en pruebas de equivalencia en condiciones de laboratorio, así como en pruebas previas a la producción en serie en entornos de laboratorio y cercanos a la aplicación. Los ingenieros se centraron en la tecnología de máquinas y herramientas para el desarrollo y diseño de los distintos procesos.
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 manufactura muy productiva de contornos exteriores excéntricos. La rotación de la herramienta reduce la carga térmica en el filo cortante, lo que garantiza una larga vida útil de la herramienta. El proceso permite también la producción de perfiles cónicos.
El proceso de torneado poligonal produce contornos exteriores e interiores no circulares con forma de hipotrocoide. Al igual que el torneado excéntrico rotativo, este proceso ofrece la posibilidad de producir contornos no circulares en tornos.
El torno-fresado en espiral es un sistema muy productivo para fabricar roscas de tornillos óseos.
Crédito: Horn/Sauermann
En este proceso, los ejes paralelos de la pieza y la herramienta se desplazan entre sí a una distancia axial y se llevan a una relación de velocidad específica mediante un acoplamiento posicional. La distancia axial, la relación de velocidad de la pieza respecto a la herramienta y el diámetro de corte de los insertos definen la dimensión del contorno. Un sistema de herramientas para torneado poligonal se adapta individualmente al contorno de la pieza que se va a fabricar.
El torno-fresado en espiral es un procedimiento muy productivo que permite fabricar roscas para tornillos óseos. Uno o dos cortadores circulares se colocan en un ángulo determinado con respecto a la pieza de trabajo. Los sentidos de giro de los cortadores y de la pieza pueden ser iguales o contrarios.
La relación de velocidad entre la pieza y los dos cortadores depende del número de roscas y de insertos del cortador. Por primera vez, el torno-fresado en espiral también puede utilizarse para producir de forma económica roscas con un paso variable real al cambiar dinámicamente el perfil de la rosca.
Inspecciones cercanas a la producción en serie
Gracias al éxito de las pruebas en un entorno de producción casi en serie, los socios del proyecto ZykloMed han dado un gran paso hacia el objetivo del proyecto de investigación: la producción económica de implantes de diseño biónico multifuncional y no redondo.
Los ingenieros demostraron que los procesos de manufactura 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.
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