Die Präzisionstechnologie wird als Schlüsseltechnologie zu den wichtigsten Impulsgebern für die Entstehung von neuen Applikationen, Optimierungs- und Entwicklungsmöglichkeiten auf den nationalen wie internationalen Märkten zukünftig eine führende Rolle einnehmen.
Micro-turned Components in Medical Equipment
Precision engineering is a key technology for creating new applications as well as optimising and further developing existing ones in national and international markets and a driver for future developments.
Als Spitzentechnologie ermöglicht die Ultrapräzisionsbearbeitung die Realisierung von höchsten Qualitäts- und Genauigkeitsanforderungen, die Mikro- und Nanozerspanung sowie die Neugestaltung und Miniaturisierung von Werkzeugen und Komponenten mit hohen Anforderungen an Oberflächen und Toleranzen im Submikrometerbereich. In der Medizintechnik besteht verstärkt die Tendenz zur Miniaturisierung und Oberflächenverbesserung. Die Herstellung von hochgenauen Freiformflächen und 3D-Komponenten in höchster, teils optischer Qualität mit deutlichen Toleranzverengungen ist hierbei immer wichtiger.
Die Haller-Jauch GmbH (Abb. 1) produziert solch kleinste Drehteile für feinwerktechnische und mikrotechnische Anwendungen. Das Unternehmen wurde 1920 in Villingen-Schwenningen gegründet. Villingen-Schwenningen war zu dieser Zeit das europäische Zentrum für die mechanische Großuhrenindustrie. In den Anfangsjahren wurden ausschließlich Pendelfedern und Bauteile für die Herstellung von mechanischen Uhrwerken hergestellt. Im Laufe der Zeit wurden neue Schwerpunkte gesetzt. Heute spielen mechanische Uhrwerke keine wesentliche Rolle mehr.
Abb. 1: Betriebsgebäude der Haller-Jauch GmbH in Villingen-Schwenningen
Es geht auch noch kleiner!
Wo hört die Feinwerktechnik auf und wo fängt die Mikrotechnik an? Der Kopf eines Streichholzes wird oft genutzt, um die Größe von kleinen Dingen anschaulich darzustellen. Das Streichholz ist jedoch bei den Teilen, die in Villingen-Schwenningen hergestellt werden, geradezu gigantisch groß.
Hersteller von medizintechnischen Instrumenten entwickeln für ihre Anwendungen Verbindungsnieten (Abb. 2), die bewegende Teile in kleinste Zangen, Scheren oder Klemmen verbinden. Die kleinsten Nieten haben einen Außendurchmesser von 0,27 mm und eine Länge von 0,35 mm. Ohne diese Verbindungsnieten wären minimalinvasive Eingriffe heute nicht möglich. Dass diese Verbindungsnieten hochfest und sehr präzise sind, muss nicht besonders betont werden, denn schließlich darf ein medizintechnisches Bauteil während eines Eingriffes nie brechen! Festigkeiten von bis zu 1700 Nmm2 werden durch das Ziehen der Drähte und ohne separates Härten erreicht, was die Fertigungskosten niedrig hält. Denn der Kostendruck ist auch im Operationssaal angekommen.
Abb. 2: Gedrehte Verbindungsniete aus 1.4310 und 1.4305 mit einer Zugfest bis 1700 Nmm2
Edelstahl als fertigungstechnische Herausforderung
Als Rohmaterial wird 1.4310 verwendet, ein rostfreier Edelstahl, der relativ schwer spanend zu verarbeiten ist, und durch den Drahtziehprozess hoch verfestigt wurde. Nach dem Drehen werden die Teile gereinigt und auf speziellen Gleitschleifanlagen geschliffen (Abb. 3), um eine noch feinere und definierte Oberflächengüte und Gratfreiheit zu erreichen. Insbesondere für medizintechnische Anwendungen der unterschiedlichen Teile, wie Lagerbuchsen oder Miniaturniete (Abb. 4 und 5), sind das Messen, Dokumentieren und die Handhabung der kleinen Teile sehr anspruchsvoll und nehmen einen wesentlichen Teil des gesamten Fertigungsprozesses ein (Abb. 6).
Abb. 3: Gleitschleifen von kleinen und filigranen Teilen: Kanten verrunden und Oberfläche optimieren
Abb. 4: Miniaturlagerbuchse aus dem Werkstoff 1.4301 Edelstahl
Abb. 5: Miniaturniete aus 1.4310 Edelstahl
Abb. 6: Qualitätssicherung und Logistik: bei kleinen Drehteilen ein Muss!
Drehteile mit Spitzen (Abb. 7) werden ebenfalls ohne einen abschließenden Rundschleifprozess in der benötigten Qualität fertiggedreht. Auch hier werden als Rohmaterialien rostfreie Edelstähle (1.4310 oder 1.4021) verwendet. Das Fertigdrehen von Spitzen und Nadeln (Abb. 8) kann in vielen Anwendungen ein Rundschleifen ersetzen und somit Fertigungskosten einsparen. Darüber hinaus wird das Vormaterial in den verwendeten Drehmaschinen vor dem Drehen gerichtet, was eine sehr hohe Geradheit gewährleistet.
Abb. 7: Drehteile mit Spitzen aus dem Material 1.4310 Edelstahl und 1.4021 Edelstahl
Abb. 8: Gedrehte Nadeln aus den Materialien 1.4301 und 1.4305
Die Nadeln besitzen im fertig gedrehten Zustand eine Zugfestigkeit von bis zu 1700 Nmm2 und können eine Länge von 30 mm aufweisen. Auch hier wird auf Rundschleifen und Härten verzichtet, was bei dieser medizintechnischen Anwendung erhebliche Kosten einspart. Bei den Nadeln werden die Kanten durch Gleitschleifen definiert abgerundet.
Drehteile aus schwer zerspanbaren Edelstählen (Abb. 9) mit Außendurchmessern bis maximal 4,5 mm werden für diverse feinwerktechnische Anwendungen für die Automobiltechnik und Messtechnik hergestellt. Die Stückzahlen bewegen sich hier typischerweise zwischen 2000 Stück und zwei Millionen Stück. Häufig platzieren die Kunden Rahmenaufträge, die dann durch Lieferabrufe und Teillieferungen erfüllt werden.
Abb. 9: Drehteile aus verschiedenen, schwer zerspanbaren Edelstählen (1.4310; 1.4021; 1.4301)
Titan – ein Muss für die Medizintechnik
Aus Titan werden durch Drehen Implantate mit einem Außendurchmesser von 2,0 mm und einem Innendurchmesser von 1,6 mm hergestellt (Abb. 10). Die Teile werden aus dem Vollen gedreht und gebohrt. Die Kanten werden durch gleitschleifen gerundet. Aber auch sehr dünnwandige kleine Rohre können gedreht werden. So sind Rohre mit Wandstärken bis zu 0,1 mm durch die spezielle Spanntechnik möglich. Da die Werkzeuge um das Werkstück drehen und das Werkstück nicht dreht, wird das Rohrmaterial geschont.
Abb. 10: Gedrehte Implantate aus dem Material: Titan Grade 1-5
Maschinen – modern und hochpräzise
Die Haller-Jauch GmbH fertigt ausschließlich auf Drehmaschinen eines Herstellers aus der Schweiz (Abb. 11). Diese Maschinen waren ursprünglich für die Herstellung von Drehteilen für die Uhrenindustrie entwickelt worden. Die Maschinen sind für die Verarbeitung von Vormaterial auf Ringen oder Spulen ausgelegt und können Durchmesser von 0,3 mm bis maximal 4,5 mm verarbeiten.
Abb. 11: Blick in die Produktionshalle
Durch die Verwendung von Rohmaterial in Ringform ist der Materialverbrauch optimiert, da kein Verschnitt auftritt, wie dies bei Drehmaschinen mit Stangenzuführung teilweise erheblich ist. Darüber hinaus wird das Vormaterial in der Maschine durch eine Vorrichtung sehr genau gerichtet. Die Drehwerkzeuge rotieren auf einem Drehkopf um das stehende Werkstück und Rohmaterial (bis zu 12 000 U/min). Eine Gegenspannzange greift das Teil beim Abdrehen oder Abstechen. Dadurch sind plane und ebene Flächen ohne Butzen oder aber Konturen an beiden Enden des Drehteiles möglich.
Darüber hinaus ist die Bearbeitung schonend für das oft sehr dünne Rohmaterial, da es in der Maschine nicht rotiert und demnach nicht beschleunigt werden muss. Die Teile können axial gebohrt, gesenkt und abgegriffen werden. Allerdings ist die Anzahl der Bearbeitungswerkzeuge maschinenbedingt eingeschränkt, was dazu führt, dass nicht alle Drehteilegeometrien auf diesen Maschinen gefertigt werden können.
Das Leistungsspektrum beschränkt sich nicht nur auf die Mikrotechnik. Durchmesser von bis 4,5 mm sind typische feinwerktechnische Dimensionen, die auch in vielen Konstruktionen in der Automobiltechnik Anwendung finden. Die Teilelänge ist nicht eingeschränkt. Es gibt Anwendungen, bei denen die Teile nicht ganz abgestochen werden und die Teilekette wieder auf eine Rolle aufgerollt wird. So können die Drehteile dann im Folgeprozess automatisiert zugeführt werden.
Haller-Jauch GmbH
Steinkirchring 39
D-78056 Villingen-Schwenningen
