Trends aus dem 3D-Druck

Metall-Laserschmelzen

Knochenbohrer aus dem 3D-Drucker verbessert Operationsverfahren

Das Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) der Leibniz Universität Hannover hat in Zusammenarbeit mit Toolcraft für das Forschungs- und Entwicklungsvorhaben „Entwicklung eines Werkzeuges für die spanende Knochenbearbeitung zur Vermeidung thermisch induzierter Osteonekrose“ einen 3D-gedruckten Knochenbohrer entwickelt.


Bohrer mit integriertem Kühlkanal

Bei der spanenden Bearbeitung von Knochen kann es aufgrund der entstehenden Hitze zu Gewebeschäden kommen. Diese treten ab einer Temperatur von ca. 48°C auf. Durch Kühlung des Werkzeuges besteht die Gefahr, dass Fluid in die Wunde gelangt. Daher ist der Einsatz von konventionellen Werkzeugen mit Kühlung nicht möglich. Bislang erfolgen Operationen iterativ, d.h. das Bohren wird immer wieder unterbrochen, um die Temperatur möglichst niedrig zu halten. Durch das Metall-Laserschmelzen ist die Herstellung von Bohrern mit integrierten Kühlkanälen möglich. So kann der Kühlstoff innerhalb des Werkzeuges fließen – entlang der Helix und wieder zurück zur Werkzeugaufnahme – ohne in die Wunde zu gelangen. Zusätzlich entwickelte Toolcraft einen nicht rotierenden Vorspindelaufsatz mit Zu- und Abflussfunktion für das Kühlmittel. Ein angeschlossenes Kühlmittelreservoir mit Pumpe stellt die kontinuierliche Versorgung sicher.


Die Entwicklung

Als Vorlage für den innengekühlten Prototypen diente ein herkömmlicher Knochenbohrer mit einem Durchmesser von 6 mm. Die Geometrie musste erhalten bleiben, um den Umstieg der Anwender zu erleichtern. Zudem ist die medizinische Verträglichkeit des Materials unabdingbar. Ein Vor- und Rücklauf sorgt für einen ständigen Kühlmittelfluss. Die innenliegenden kreisförmigen Kühlkanäle mit einem Durchmesser von 1,2 mm leiten die thermische Energie weg von der Werkzeugschneide. Um die Kühlmittelzu- und -abfuhr zu ermöglichen, wurden Horizontalbohrungen eingebracht, die den Kühlkreislauf mit dem Bohrer verbinden. Zur Fixierung des Verteilers ist ein Einstich für einen Sicherungsring vorhanden. Eine weitere Herausforderung stellte das Abdichten der beiden Kammern im Verteiler dar.


Resultat

Die Ergebnisse der Bohruntersuchungen zeigen eine signifikante Temperaturreduzierung (um bis zu 70%) mit dem innovativen Bohrwerkzeug. Geringe Vorschübe können nicht mehr zu erhöhten Temperaturen führen, da die Innenkühlung die Temperaturentwicklung ausgleicht. Somit beeinflusst die Wahl eines geeigneten Werkzeuges maßgeblich den Erfolg einer Operation am Knochen. Die Problematik der Knochenschädigung durch zu hohe Prozesstemperaturen besteht bei fast allen Knochenbearbeitungsoperationen. Daher könnte die Technologie auch bei der Herstellung von beispielsweise Sägewerkzeugen Anwendung finden.


Quellen: Toolcraft, IFW


Zwar nix für Knochen, aber für viele andere Materialien:

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