Post on 06-Feb-2018
transcript
1
© WZL/Fraunhofer IPT
Fertigungstechnik für medizintechnische Produkte
Prof. Dr.-Ing. F. Klocke
Lehrstuhl für Technologie der Fertigungsverfahren
Fraunhofer Institut für Produktionstechnologie
Seite 1© WZL/Fraunhofer IPT
Struktur
Einleitung
Ziel der Vorlesung
Prothesen/Implantate
Lagentechnologien – customised products
Energiestrahltechnologien (ohne Laser)
Werkzeuge und Systeme
Prozesskette (Brillenfertigung)
2
Seite 2© WZL/Fraunhofer IPT
Was ist Produktionstechnik?
Produktionstechnik befasst sich mit der industriellen Herstellung von Produkten
Markt Entwicklung undKonstruktion
Fertigung Montage Produkt
Produktion
488 nm laser
+-
Fluorescence Activated Cell Sorting
Charged Plates
Single cells sortedinto test tubes
FALS Sensor
Fluorescence detector
Purdue University Cytometry Laboratories
Seite 3© WZL/Fraunhofer IPT
Gestalt
Werkstoffe Prozesse
ProduktFunktionalitätKosten/PreisVerfügbarkeit
3
Seite 4© WZL/Fraunhofer IPT
Produktionstechnik/Fertigungstechnik
Fertigungstechnik ist die Lehre von der wirtschaftlichen Herstellung eines Produktes aus gegebenen Ausgangsmaterialien nach vorgegebenen Maßen, unter Einhaltung bestimmter Toleranzen.
Fertigungsverfahren
Produktionsmaschinen
Produktionsmanagement
Qualitätsmanagement
Fertigungsmesstechnik
Fabriken
Seite 5© WZL/Fraunhofer IPT
Kennzeichen der Fertigungstechnik für medizinische Produkte
Werkstoff/Materialien– biokompatibel
– Metalle
– Anorganische Werkstoffe
– Organische Werkstoffe
Zuverlässigkeit im Funktionsverhalten
Ausfallwahrscheinlichkeit– Produkte
– Prozesse
Werkzeuge
Maschinen
Wirtschaftlichkeit, Kosten/Preis, Verfügbarkeit
4
Seite 6© WZL/Fraunhofer IPT
Medizintechnik - Produktionstechnik
Prothesen Werkzeuge Medizinische Hilfsmittel Geräte
488 nm laser
+-
Fluorescence Activated Cell Sorting
Charged Plates
Single cells sortedinto test tubes
FALS Sensor
Fluorescence detector
Purdue University Cytometry Laboratories
1 mm
Seite 7© WZL/Fraunhofer IPT
Struktur
Einleitung
Ziel der Vorlesung
Prothesen/Implantate
Lagentechnologien – customised products
Energiestrahltechnologien (ohne Laser)
Werkzeuge und Systeme
Prozesskette (Brillenfertigung)
5
Seite 8© WZL/Fraunhofer IPT
Ziel der Vorlesung
Interdisziplinarität zwischen Medizin/Gesundheit und Produktionstechnik aufzeigen
Gemeinsamkeiten und Besonderheiten in der Fertigung von medizinischen und maschinenbaulichen Produkten an Beispielen herausarbeiten
Alternative Wertschöpfungsketten an einem ausgewählten Produktbeispiel diskutieren (Brille)
Seite 9© WZL/Fraunhofer IPT
Struktur
Einleitung
Ziel der Vorlesung
Prothesen/Implantate
Lagentechnologien – customised products
Energiestrahltechnologien (ohne Laser)
Werkzeuge und Systeme
Prozesskette (Brillenfertigung)
6
Seite 10© WZL/Fraunhofer IPT
Beispiele
Prothesen/Implantate
– Hüftgelenkprothesen
– Hüftgelenkkugeln
– Osteosyntheseplatten
– Knochenanbindung
Seite 11© WZL/Fraunhofer IPT
Hüftgelenkprothesen
Quelle: Praxisklinik Freiburg
Quelle: Krankenhaus Bobingen
Quelle: Ruhruni Bochum
Quelle: Sulzer
GestaltGeometrienOberflächengüteStrukturen
7
Seite 12© WZL/Fraunhofer IPT
Herstellung von Hüftgelenkprothesen
Schmieden
Optimierter Schmiedegrat
KostenMaterialeinsatzÖkologie
Seite 13© WZL/Fraunhofer IPT
KennzeichenErwärmung oberhalb der Rekristallisationstemperatur
Schmiedegesenk: hohe Temperaturbeständigkeit
Hohe Verschleißbeständigkeit
Hohe dynamische Festigkeit
Warmarbeitsstähle
Spanende Nachbearbeitung der Aufnahmeflächen für die Hüftgelenkkugeln
8
Seite 14© WZL/Fraunhofer IPT
Beispiele
Prothesen/Implantate
– Hüftgelenkprothesen
– Hüftgelenkkugeln
– Osteosyntheseplatten
– Knochenanbindung
Seite 15© WZL/Fraunhofer IPT
Hüftgelenkkugeln aus Hochleistungskeramiken
hohe Korrosionsbeständigkeit im Körpermilieu bei gleichzeitig guter Körperverträglichkeit
gute Oberflächenqualität und hohe Festigkeit, hoher E-Modul
hohe Härte und sehr gute Benetzbarkeit
hoher Verschleißwiderstand
Sprödigkeit, geringe Risszähigkeit
elektrischer IsolatorQuelle: Ceramtec (Biolox Forte)
9
Seite 16© WZL/Fraunhofer IPT
Linearer Abrieb verschiedener Gleitpaarungen in vivo:
Keramik – Keramik hat im Vergleich zu allen anderen Gleitpaarungen den geringsten Abrieb
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
Met
all-K
unst
stof
f
Ker
amik
-Kun
stst
off
Met
all-M
etal
l
Kera
mik
-Ker
amik
Line
arer
Abr
ieb
/ Jah
r [m
m/a
]
Quelle: Garino J, Willmann G.
Seite 17© WZL/Fraunhofer IPT
Prozesskette zur Herstellung von Kugelköpfen – Höchste Anforderungen an die Fertigungstechnik (Bsp. Hartbearbeitung)
Pulverauf-bereitung Pressen Grünbear-
beitung Sintern Hartbear-beitung Waschen Qualitäts-
prüfung
10
Seite 18© WZL/Fraunhofer IPT
HartbearbeitungMotivation für die Hartbearbeitung
Hohe Formgenauigkeit (<5 µm) an der Gleitfläche und am Innenkonus
Geringe Oberflächenrauheit ( Ra<10 nm) und absolute Defektfreiheit auf der Gleitfläche
Fertigungsverfahren
Mehrstufiges Kugelschleifen der Gleitfläche und Innenschleifen des Spannkonus
Polieren der Gleitfläche mit Diamantsuspension
Herausforderung
Höchste Prozesssicherheit und Reproduzierbarkeit in der Serienfertigung (Schadensfallproblematik)
Schleifen
Schleifen & Polieren
Seite 19© WZL/Fraunhofer IPT
Schleifen
Quelle: Saint-Gobain Abrasives
Quelle: Saint-Gobain Diamantwerkzeuge
11
Seite 20© WZL/Fraunhofer IPT
Schleifen von Aluminiumoxidkeramik mit Diamantwerkzeugen
Synthetischer Diamant
Kunstharz-, Keramik- und Metallbindungen (galv. Bindungen)
Korngrößen D181 (Vorschleifen)
Fertig- und Feinbearbeitung: D46, D35, D15, D7
Diamantkonzentrationen: C50 (2,2 carat/cm3)
Polieren mit Diamantsuspension, Korngrößen kleiner D3
Schnittgeschwindigkeiten: 20 bis 35 m/s
Duktiles Schleifen bei der Endbearbeitung (Vermeiden von Oberflächenrissen)
Seite 21© WZL/Fraunhofer IPT
Beispiele
Prothesen/Implantate
– Hüftgelenkprothesen
– Hüftgelenkkugeln
– Osteosyntheseplatten
– Knochenanbindung
12
Seite 22© WZL/Fraunhofer IPT
Osteosyntheseplatten, standardisiert, Stückzahl
Metall: Formbarkeit Resorbierbarkeit
Kunststoff: Beanspruchbarkeit Resorbierbarkeit
Keramik: Beanspruchbarkeit Resorbierbarkeit
Schneiden; Feinschneiden
Seite 23© WZL/Fraunhofer IPT
Schnittfläche kann beim Feinscheiden als Funktionsfläche dienen
Feinschneiden
Scherschneiden
FeinschneidenFeinschneiden
ScherschneidenScherschneiden
Gegenüberstellung Scherschneiden – Feinschneiden
13
Seite 24© WZL/Fraunhofer IPT
Prozessablauf Feinschneiden
Einklemmen
Auswerfen
Schneiden
BlechPressplatte mit Ringzacke
Schneidstempel
Blech
GegenstempelSchneidplatte (Matrize)
Seite 25© WZL/Fraunhofer IPT
Matrize
StempelFS
τ
τσσ
τ
τσσ
τ
τσσ
Plastomechanische Gegenüberstellung
Schub- und Zugspannungenführen zur Rissbildung
Matrize
Stempel
FS
tts s
Gegen-stempelFG
Ring-zacke FR
ss
ss
ss
s
s
s
s
FeinschneidenFeinschneidenScherschneidenScherschneiden
1 KraftSchneidspalt uS = 5 % der Blechdicke
3 KräfteSchneidspalt uS = 0,5 % der Blechdicke
Drucküberlagerung unterbindet Rissbildung und Durchbiegung
14
Seite 26© WZL/Fraunhofer IPT
Feinschneidwerkzeug
Seite 27© WZL/Fraunhofer IPT
Osteosyntheseplatten
15
Seite 28© WZL/Fraunhofer IPT
Feinschneiden
Gratfreie Schnitte
Keine oder nur sehr geringe Bruchanteile in der Schnittfläche
Mehrfachwirkende Pressen notwendig
Werkzeugbau ist aufwendig
Seite 29© WZL/Fraunhofer IPT
Beispiele
Prothesen/Implantate
– Hüftgelenkprothesen
– Hüftgelenkkugeln
– Osteosyntheseplatten
– Knochenanbindung
16
Seite 30© WZL/Fraunhofer IPT
Bedingungen für eine stabile Implantatfixierung
Primärstabilität– Straffe mechanische Verankerung des Implantats im
Knochenfach– Verlust der Primärstabilität etwa 9 Monate nach der
Operation
Sekundärstabilität– Langfristige Stabilität des Knochens durch
Knochenintegration
engineering.cua.edu
Hip Clinic
Seite 31© WZL/Fraunhofer IPT
Typen der Implantatintegration
Knocheneinwuchs– Poröse Oberfläche
– Porengröße 100 – 400 µm
– Porenvolumen 30 – 50 %
Knochenanwuchs– Ra > 3 – 15 µm
Bioaktive Integration– Chemischer Verbund zwischen bioaktivem Gewebe und
Implantatoberfläche
Sulzer
17
Seite 32© WZL/Fraunhofer IPT
Oberflächenerzeugung
Aufrauen der Oberflächen durch Korundstrahlen
Strukturierung der Oberfläche durch Laserstrahl
Aufbringen einer Titanbeschichtung mittels Plasmastrahl
Diffusionsschweißen
Hydroxylapatitbeschichtung
Seite 33© WZL/Fraunhofer IPT
Korundstrahlen
Aufrauen der Oberflächen
Oberflächenverfestigung und Einbringen von Druckeigenspannungen in die Bauteilrandschicht
Steigerung der Dauerwechselfestigkeit
Ermöglichung von mikromechanischer Verankerung zwischen Implantat und Knochen
Quelle: Sulzer
18
Seite 34© WZL/Fraunhofer IPT
LaserstrukturierenStrukturierung entsprechend den Erfordernissen der Bauteilgeometrie
Ermöglichung von Knocheneinwuchs
EZM Würzburg
EZM Würzburg
Seite 35© WZL/Fraunhofer IPT
Titan-Plasmaspritzen
Quelle: Putzier
19
Seite 36© WZL/Fraunhofer IPT
Titan-PlasmaspritzenAufbringen einer Titanbeschichtung mittels Plasmastrahl
Erzeugung einer rauen, porösen Oberfläche
Porösität > 50 %
Ermöglichung von Knocheneinwuchs
0,5 mmMathys Medizinaltechnik
100 µmEZM Würzburg
Uni Hamburg
Intraplant
Seite 37© WZL/Fraunhofer IPT
Diffusionsschweißen
Frisch
Sulzer
20
Seite 38© WZL/Fraunhofer IPT
DiffusionsschweißenAnbindung von Ti- Kugeln
Anbindung von regellosen Ti- Drahtstrukturen
Anbindung von Ti- Maschendrahtstrukturen
Ermöglichung von Knochenan- und einwuchs
Sulzer
Quelle: Sulzer
Seite 39© WZL/Fraunhofer IPT
Mikrostrukturierung durch EDM
21
Seite 40© WZL/Fraunhofer IPT
Hydroxylapatitbeschichtung
Seite 41© WZL/Fraunhofer IPT
Hydroxylapatitbeschichtung
Erzeugung einer rauen Oberfläche
Aktive Wechselwirkung zwischen Implantat und Gewebe
Peptid-Verbund zwischen Aminosäuren und Hydroxylgruppen des Metalls
Hydroxylierung von Oxiden der Übergangsmetalle wie Ti, Mn, Fe, Mo, Cr
Intraplant
Sulzer
Sulzer
22
Seite 42© WZL/Fraunhofer IPT
Hydrophobe und hydrophile Oberflächen
Hydrophil Hydrophob
Seite 43© WZL/Fraunhofer IPT
Fazit
Anwachsverhalten und Oberflächenstruktur stehen in enger Wechselwirkung
23
Seite 44© WZL/Fraunhofer IPT
Struktur
Einleitung
Ziel der Vorlesung
Prothesen/Implantate
Lagentechnologien – customised products
Energiestrahltechnologien (ohne Laser)
Werkzeuge und Systeme
Prozesskette (Brillenfertigung)
Seite 45© WZL/Fraunhofer IPT
Lagentechnologien Individualisierte Produkte – customised products
Rapid Product Manufacturing
Rapid Product Repair and Maintenance
Rapid Tooling
Rapid Prototyping
allen Verfahren ist eines gemeinsam: lagenweises Aufbauen (Generieren) des Produktes
24
Seite 46© WZL/Fraunhofer IPT
Konventionelle Herstellung von keramischen Dentalkomponenten
Datenerfassung Datenverarbeitung Datenumsetzung
Abguss
3D-Digitalisierung CAD/CAM FertigungDental-komponente
• Laserscan• Bildverarbeitung
• Rekonstruieren• Modellieren• Fertigungsstrategie
• MehrachsigeSchleifbearbeitungR
ohda
ten
Pun
ktew
olke
NC
-Pro
gram
m
End
kont
ur
Konventionelle Herstellung über CAD/CAM-Bearbeitung
hohe Härte, gute Oberflächenqualität und hohe Festigkeit
aufwendige Fräs- bzw. Schleifbearbeitung jeder einzelnen Prothese
Material: Aluminiumoxid und Zirkonoxid
Seite 47© WZL/Fraunhofer IPT
Generative Herstellung von keramischen Dentalkomponenten
Generative Herstellung mittel Lasersinterverfahren
parallele Fertigung vieler Prothesen in einem Form- und Werkzeuglosen Prozess
eventuell Nachbearbeitungsschritte wie Infiltration, Nachsintern o. ä. notwendig
Material: Aluminiumoxid und Zirkonoxid
Datenerfassung Datenverarbeitung Fertigung
Abguss
3D-Digitalisierung CAD/SLICEN LasersinternDental-komponente
• Laserscan• Bildverarbeitung
• Rekonstruieren• Modellieren• Slicen
• Werkzeug-& Formlos• Generativ• Parallele Fertigung
Roh
date
n
Pun
ktew
olke
NC
-Pro
gram
m
End
kont
ur
25
Seite 48© WZL/Fraunhofer IPT
Kundenindividuelle Herstellung von Hörgeräten
Scannen 3D-PrintenSelektives Lasersintern
Stereolithographie
Modellieren
Silikonabdruck
Montage der Elektronik
Quelle: PHONAK
Seite 49© WZL/Fraunhofer IPT
Rapid Manufacturing zur flexiblen Produktion von Hörgeräten
Weltweit erfordert der Hörgerätemarkt ca. 6,6 Mio. Geräte jährlich, Tendenz steigend
Eingesetzte, wettbewerbsfähige Fertigungsverfahren: - Selektives Lasersintern- Stereolithographie- 3D-printing
Potenzial: 100% digitale Produktion- Scannen des Ohres beim Audiologen- Datentransfer und -verarbeitung sowie Fertigung der Gehäuse- Möglichkeit der direkten Integration weiterer Funktionalitäten
(Gehäuse und Elektronik in einem Prozessschritt)
26
Seite 50© WZL/Fraunhofer IPT
Verfahrensüberblick: Selektives Lasersintern (SLS, DMLS) I/IIVerfahrensprinzip
– Schichtweises lokales Verschmel-zen von Pulverpartikeln mittels Laserstrahlung
– Direkt: die Pulverpartikel ver-schmelzen direkt untereinander
– Indirekt: das Pulver ist mit einem thermoplastischen Binder gecoated, der die Partikel bindet
Charakteristika– Hohe Bauteilkomplexität– Grosse Materialvielfalt– Ggf. Ausbrennen des Binders
bzw. Infiltration notwendig– Relativ hohe Porosität und
Oberflächenrauheit– Keine Supportstrukur nötig
Verfahrensprinzip SLS Kunststoff: Computermaus
SLS Gießsand: Kern für Sandguss (EOSINT-S Anlage, EOS GmbH)
SLS Metall: Spritzgießeinsatz
Seite 51© WZL/Fraunhofer IPT
Verfahrensüberblick: Selektives Lasersintern (SLS, DMLS) II/IIMaterialien
– Wachs– Thermoplaste– Metall– Gießsand– Keramik
Max. Bauteilgröße & Genauigkeit
– Bauteilgr.: 250x250x150 bis 720x500x450 mm³
– Genauigkeit: +/-0,1 mm
Anlagenkosten– 275 000 - 850 000 US$
SLS: Prozessaufnahmen und Animation (Auszug aus Filmmaterial der Fa. EOS GmbH über EOSINT-M und -S Anlagen)
27
Seite 52© WZL/Fraunhofer IPT
Lagentechnologienschichtweiser Aufbau von Bauteilen, Bauteile wachsen
große Geometrieflexibilität
Metalle, Keramiken und Kunststoffe verarbeitbar
Bei Sinterverfahren ist die porenfreie Herstellung von Bauteilen eine große Herausforderung
Bei Schmelzverfahren (Laser Melting) ist die Genauigkeit die größte Herausforderung, außerdem dürfen keine Risse im Bauteil vorhanden sein
Lagentechnologien werden eingesetzt zur Herstellung von– Prototypen– Replikationswerkzeugen– Bauteilen und– zur Bauteilreperatur
Seite 53© WZL/Fraunhofer IPT
Struktur
Einleitung
Ziel der Vorlesung
Prothesen/Implantate
Lagentechnologien – customised products
Energiestrahltechnologien (ohne Laser)
Werkzeuge und Systeme
Prozesskette (Brillenfertigung)
28
Seite 54© WZL/Fraunhofer IPT
Wasserstrahlschneiden von Biomaterialien des Gewebeapparates
WAIS-Kopf für Schnittversuche an Knochen und Knochenzement
DWS-Schnitt einer Leber DWS-Schnitt einer Niere
Quelle: Habilitationsschrift Dr. med. M. Honl
Seite 55© WZL/Fraunhofer IPT
Wasserstrahlschneiden
Quelle: Waterjet
29
Seite 56© WZL/Fraunhofer IPT
Struktur
Einleitung
Ziel der Vorlesung
Prothesen/Implantate
Lagentechnologien – customised products
Energiestrahltechnologien (ohne Laser)
Werkzeuge und Systeme
Prozesskette (Brillenfertigung)
Seite 57© WZL/Fraunhofer IPT
Struktur
Werkzeuge und Systeme
– Blutpumpe, Rotorfertigung
– Arterienöffnung
– Schrauben, Sägen
– Operationsnadel
– Flow Cytometer
30
Seite 58© WZL/Fraunhofer IPT
Intrakardiales Pumpsystem
3.55 x 7.7 mm²Material: PEEK
Ersatz von Herz-Lungen-Maschine durch intrakorporale Zirkulation
Kein chirurgischer Eingriff
Platzierung im Herzen über die Beinarterie vor Ort
Postoperative Herzunterstützung bis 7 Tage
Außendurchmesser der Pumpe 4 bis 6,4 mm
Pumpleistung bis zu 4,5 l/min
Intrakardiales Pumpensystem zur patientenschonenden und wirtschaftlichen Behandlung von akuten Herzerkrankungen
Seite 59© WZL/Fraunhofer IPT
Intrakardiales Pumpsystem
3.55 x 7.7 mm²Material: PEEK
Quelle: Impella CardioSystems AG
3 mm
Das Herz saugt venöses Blut aus dem Körper
Rechte Herzkammer
Linke Herzkammer
Körperzirkulation
Linke ventrikulärPumpe
Blut mit geringem Sauerstoffgehalt wird
von der rechten Herzkammer zu den
Lungen, wo es mit Sauerstoff
angereichert wird, und wird dann in die linke
Herzkammer gesaugt.
Arterisches Blut wird von der linken Herzkammer in den Körper gepumpt
31
Seite 60© WZL/Fraunhofer IPT
Intrakardiales Pumpsystem
Gehäuse (1) Elektromotor (2) Welle (3) Rotor (4) Festkörperdichtung (5) Kanüle (6) Einlaufkorb (7) Ansaugschlauch (8) Austrittsöffnungen (9)
Seite 61© WZL/Fraunhofer IPT
Veränderungen in der Rotorproduktion
Fräsen des Rotors, 5 Achs-Fräsen
Spritzgußtechnik(Formeneinsatz
durch EDM hergestellt)
Spritzgußtechnik(Formeneinsatz
durch 5-Achs-Fräsen)
32
Seite 62© WZL/Fraunhofer IPT
Funktionsweise des intrakardialen Pumpsystems
Seite 63© WZL/Fraunhofer IPT
Platzierung der Blutpumpe
33
Seite 64© WZL/Fraunhofer IPT
Katheter mit Mikropumpe
Rota
blad
.ds4
Biegsamer SchaftMikropumpeDichtungZylinderanschlussFührungsdrahtAuslassanschlussDilatationsballon
∅2,
5 m
m
Funktionsprinzip
Seite 65© WZL/Fraunhofer IPT
Mikroerodierte Pumpenkomponenten
500 µm
Pumpendurchmesser 2,5 mm
Material Wolframkarbid
Toleranz +1,5 µm
Drahtdurchmesser 100 µm
Oberflächenrauheit Ra = 0,15 - 0,2 µm
Rotationsgeschwindigkeit nmax=72000 min-1
Pumpenleistung 0,12 l / min
34
Seite 66© WZL/Fraunhofer IPT
Funkenerosives Drahtschneiden
Quelle: CFK Erodierzentrum
Seite 67© WZL/Fraunhofer IPT
Herstellen von komplexen dreidimensionalen Bauteilen
3- bzw. 5 Achsen Fräsen (praktisch keine Materialbeschränkung)
Durch Funkenerosion (zu bearbeitendes Material muss elektrisch leitend sein)
Durch Replikation in Replikationswerkzeugen– Herstellen der Werkzeuge durch Funkenerosion und oder 3-
bzw. 5-Achsenfräsen
35
Seite 68© WZL/Fraunhofer IPT
Struktur
Werkzeuge und Systeme
– Blutpumpe, Rotorfertigung
– Arterienöffnung
– Schrauben, Sägen
– Operationsnadel
– Flow Cytometer
Seite 69© WZL/Fraunhofer IPT
Variabler Katheterkopf
Technische Daten
Durchmesser: 1,75 mm - 3,4 mmLänge: 4,55 mmGeschwindigkeit: bis zu 190.000 U/minMaterial: Titan, Edelstahl, Urethankautschuk
Gefräster Körper(grün)
Vergrößerungs-keilGelenk
Rückstell-feder
Führungsdraht
Innerer und äußerer Schaft
Zusammengepresster Katheterkopf Ausgedehnter Katheterkopf
1 mm
36
Seite 70© WZL/Fraunhofer IPT
Gefräster KörperDrehen und erodieren
VergrößerungskeilDrehen, bohren und erodieren
Gelenkfräsen und bohren
Herstellung
1) Drehen
Ø 0.8
0.7
2) Erodieren
4.55Ø
1.75
Seite 71© WZL/Fraunhofer IPT
Struktur
Werkzeuge und Systeme
– Blutpumpe, Rotorfertigung
– Arterienöffnung
– Schrauben, Nägel, Sägen
– Operationsnadel
– Flow Cytometer
37
Seite 72© WZL/Fraunhofer IPT
Sägen, Knochen und Hartgewebe
Seite 73© WZL/Fraunhofer IPT
Gamma-Verriegelungsnagel
38
Seite 74© WZL/Fraunhofer IPT
Lochschrauben
Quelle: Uni Erlangen
Seite 75© WZL/Fraunhofer IPT
Struktur
Werkzeuge und Systeme
– Blutpumpe, Rotorfertigung
– Arterienöffnung
– Schrauben, Nägel, Sägen
– Operationsnadel
– Flow Cytometer
39
Seite 76© WZL/Fraunhofer IPT
Mikroinvasive Punktionsnadel für die MR-Tomographie
Kohlenstofffaser-verstärkterGrundkörper
HohleGlasfasern
Coating(Kunststoff, Keramik)
Schneide
500 µm
Quelle: Institut für MikroTherapie
MRT der Wirbelsäule
- Artefaktfreie Abbildung von Operationsinstrumenten sowie der Operationsumgebung
- Integration einer umfangreichen Multifunktionalität zur Erweiterung des potenziellen Einsatzspektrums
Ergänzung und Unterstützung konventioneller chirurgischer Verfahren durch bildgesteuerte
mikroinvasive Techniken
Seite 77© WZL/Fraunhofer IPT
Dreilumige Punktionsnadel
Dreilumige CFK-Punktionsnadel
Außendurchmesser: 1,2 mm (12 G)
Innendurchmesser: 232 µm, 312 µm, 632 µm
Anschlüsse: Luer-Lock
Parallele Funktionen:Laserintervention, Medikation und Endoskopie
40
Seite 78© WZL/Fraunhofer IPT
Struktur
Werkzeuge und Systeme
– Blutpumpe, Rotorfertigung
– Arterienöffnung
– Schrauben, Nägel, Sägen
– Operationsnadel
– Flow Cytometer (Innovation)
Seite 79© WZL/Fraunhofer IPT
Massively Parallel Cell Capture and Sort (MPCAS): Eine Alternative zur konventionellen Durchflusscytometry
488 nm laser
+-
Fluorescence Activated Cell Sorting
Charged Plates
Single cells sortedinto test tubes
FALS Sensor
Fluorescence detector
Purdue University Cytometry Laboratories
Fraunhofer CMI, Boston
Teuer ($ 250.000)
Mechanisch komplex
Erfordert erfahrene Techniker
Schwierig
Anfällig für Fehler
Schnelle individuelle Zellsicherung
Schnelle Zellseparation
Wegweiser für weitere biologische Prozesse
Geringe Kosten, Portabilität
41
Seite 80© WZL/Fraunhofer IPT
Innovatives ProduktMikrotechnologie
MEMS, Mikro-Elektro-Mechanisches-System
Sensoren
hybride TechnologienDiamantschneiden, Galvanisieren, Ätzen
Extrem geringe Toleranzen
Submikrometerdimensionen
Seite 81© WZL/Fraunhofer IPT
Struktur
Einleitung
Ziel der Vorlesung
Prothesen/Implantate
Lagentechnologien – customised products
Energiestrahltechnologien (ohne Laser)
Werkzeuge und Systeme
Prozesskette (Brillenfertigung)
42
Seite 82© WZL/Fraunhofer IPT
Optische SehhilfenZunehmender Einsatz von Freiformflächen in Serienprodukten
– Brillengläser– Kontaktlinsen– Glaspressformen
Trend zu individuellen Brillengläsern mit sehr geringen Losgrößen bei gleichzeitig hohen Taktzeiten kleiner 60 Sekunden
Spezifikation von Brillengläsern– Genauigkeit von 1 µm über die gesamte
Freiformfläche– Oberflächenrauheiten materialabhängig
zwischen 10 nm und 200 nm– Maximaler nichtrotationssymmetrischer Anteil
der Freiformflächen beträgt 12 mm– Durchsatz größer 80 Stück/h
Brillenglas, Kontaktlinse und GlaspressformQuelle: SatisLoh, Philips, Fraunhofer IPT
Seite 83© WZL/Fraunhofer IPT
Optische Grundlagen: Fehlsichtigkeiten des Auges - Myopie
myopes Auge
myopes Auge mitkorrigierendem Minusglas
Der Brennpunkt der fernakkomodiertenAugenlinse liegt im Inneren des Auges vor der Netzhaut
Die Sehschärfe ist für die Ferne reduziert
Der zu hohe Brechwert der Augenlinse muss durch ein sog. Minusglas ergänzt werden
Der Brennpunkt des Systems Brillenglas / Augeliegt auf der Netzhaut
Quelle: Zeiss, Doktorvortrag S. Lange
43
Seite 84© WZL/Fraunhofer IPT
Optische Grundlagen: Fehlsichtigkeiten des Auges - Hyperopie
hyperopes Auge
hyperopes Auge mitkorrigierendem Plusglas
Der Brennpunkt der fernakkomodiertenAugenlinse liegt hinter der Netzhaut
Die Sehschärfe für ferne Objekte ist nicht unbedingt reduziert
die notwendige Akkomodation bedeutet jedoch eine permanente Anstrengung des Auges
Der zu geringe Brechwert der Augenlinse kanndurch ein sog. Plusglas ergänzt werden
Der Brennpunkt des Systems Brillenglas / Augeliegt auf der Netzhaut
Quelle: Zeiss, Doktorvortrag S. Lange
Seite 85© WZL/Fraunhofer IPT
Optische Grundlagen: Werkstoff und Geometrie bilden die optischeFunktion
optische Funktion eines Brillenglases ist abhängig von:
dem Werkstoff und der Geometrie des optischen Systems:
- Geometrie der Brillenglasvorderfläche- Geometrie der Brillenglasrückfläche- Ausrichtung des Brillenglases
die Brechzahl n:Verhältnis der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts im Vakuum zur Ausbreitungs-geschwindigkeit des Lichts im Brillenglas
Prof. Ernst Abbe1840 - 1905
Ausbreitungsgeschwindigkeitdes Lichts im Vakuum
Ausbreitungsgeschwindigkeitdes Lichts in Glas
=n =CVakuum
CGlas
Quelle: Doktorvortrag S. Lange
44
Seite 86© WZL/Fraunhofer IPT
Flächengeometrien von Brillengläsern: die asphärischeBrillenglasoptik
rotations-symmetrisch
astigmatische Abweichung < 0,25 dptastigmatische Abweichung > 0,25 dpt
asphärische Rezeptfläche
Bei asphärischen Brillengläsern:
ändert sich der Krümmungsradius vom Scheitelpunkt zur Peripherie kontinuierlich
ist die asphärische Fläche auf der Brillenglasvorderfläche verwirklicht
besteht die Möglichkeit zur Korrektur der sphärischen Aberration
besteht die Möglichkeit zur astigmatischen Korrektur ausschließlich in einer Hauptschnittebene
Quelle: Doktorvortrag S. Lange
Seite 87© WZL/Fraunhofer IPT
Flächengeometrien von Brillengläsern: die atorische Brillenglasoptik
Atorische Brillengläser sind gekennzeichnet durch:
eine nicht rotationssymmetrische Fläche mit ungleichen Krümmungen in senkrecht zueinander stehenden Hauptschnitten
mindestens eine nicht kreisförmige Krümmung
die Möglichkeit zur Korrektur der sphärischen und der astigmatischen Aberration in beiden Hauptebenen
ein an die dioptrische Wirkung angepasstes Flächendesign
unterschiedliche Aufbiegung beider Meridiane
atorische Gestaltung der Außenfläche eines Brillenglases
astigmatische Abweichung < 0,25 dptastigmatische Abweichung > 0,25 dpt
atorische Rezeptfläche
Quelle: Doktorvortrag S. Lange
45
Seite 88© WZL/Fraunhofer IPT
Flächengeometrien von Brillengläsern: das individualisierte Massenprodukt
Asphäre
Atorus
individuelle, unsymmetrische Freiformfläche mit bis zu 50.000 Bildpunkten der Progressionsfläche (z.B. individuelles Gleitsichtglas):
asphärische Brillenglasvorderfläche mit Gleitsicht-Design+ atorische Brillenglasrückfläche+ Wirkungsanstieg+ prismatische Nebenwirkungen+ Verzeichnung+ benötigte dioptrische Wirkung+ geometrische Kenndaten + ...
Sehbereiche einesGleitsichtglases
FernbereichProgressionszoneNahbereichRandbereich
Quelle: Doktorvortrag S. Lange
Seite 89© WZL/Fraunhofer IPT
Brillenglasfertigung: individualisierte Gläser von der Bestellung bis zur Auslieferung
Grundglaskontrolle• Oberflächenqualität• Dicke• Scheitelbrechwert
Brillenglas auf Lager
Formgebung:Vor-, FeinschleifenGießenFräsen
MessenDickeRadius
Finishing:Polieren
Visuelle Kontrolle
Abblocken
MessenOberflächenqualitätDickeScheitelbrechwert
ReinigungBeschichtung
BlockenSchutzlackauftragen
Quelle: Doktorvortrag S. Lange
46
Seite 90© WZL/Fraunhofer IPT
Brillenglasfertigung: Prozessketten zur Herstellung von Brillengläsern
VorschleifenVorschleifen
FeinschleifenFeinschleifen
PolierenPolieren
Massenfertigung
Produktindividualität
Lageraufwand
22
WerkzeugbauWerkzeugbau
ReplikationReplikation
TempernTempern
11
( Polieren )( Polieren )
Massenfertigung
Produktindividualität
Lageraufwand
FräsenFräsen
( Drehen )( Drehen )
33
PolierenPolieren
Massenfertigung
Produktindividualität
LageraufwandQuelle: Doktorvortrag S. Lange
Seite 91© WZL/Fraunhofer IPT
Brillenglasmaterialien: organische Brillengläser 11 22 33
Brechzahlbereich von n = 1,5 bis n = 1,665
geringes spezifisches Gewicht
hohe Bruchfestigkeit, höhere Elastizität
beliebige Farbgebung
leichte Verarbeitung
dickere Brillengläser
erhöhter Tragekomfort durch geringes Gewicht
individuelle, wirkungsunabhängige Farbgebung
erhöhte Konturflexibilität bei vergleichsweise geringemanlagen- und prozesstechnischen Aufwand
Hartbeschichtung notwendig
Quelle: Zeiss, Doktorvortrag S. Lange
47
Seite 92© WZL/Fraunhofer IPT
Brillenglasfertigung: Replikation organischer Brillengläser 11 22 33
Material Kürzel Brechzahl n Abbe-Zahl ν Dichte [g/cm3]
Niedrigbrechende Kunststoffe
CR 39 1,501 58,0 1,32
Hochbrechende Kunststoffe
MR 6 1,600 37,0 1,34
Polycarbonat PC 1,590 31,0 1,20
Polymethyl-methaacrylat
PMMA 1,510 47,0 0,99
Befüllen Polymerisieren Entformen Tempernfertiges
Brillenglas
Quelle: Zeiss, Doktorvortrag S. Lange
Seite 93© WZL/Fraunhofer IPT
Brillenglasmaterialien: mineralische Brillengläser 11 22 33
großer Brechzahlbereich von n = 1,5 bis n = 1,9
hohe Oberflächenhärte
geringe Dispersion selbst bei hoher Brechzahl
gute Verschmelzbarkeit verschiedener Materialien
hohe Wärmebeständigkeit
gute Umweltverträglichkeit
dünne Brillengläser
Kratzfestigkeit
weniger Farbsäume verglichen mit organischen Gläsern
keine spürbaren Kanten bei Bi-/Trifokalgläsern
Quelle: Zeiss, Doktorvortrag S. Lange
48
Seite 94© WZL/Fraunhofer IPT
Brillenglasfertigung: spanabhebende Bearbeitungsverfahren für mineralische Brillengläser mit undefinierter Schneide11 22 33
Material Kürzel Brechzahl n Abbe-Zahl ν Dichte [g/cm3]
Brillenkron B 270 1,525 58,6 2,55Highcrown HC 42 1,604 41,7 2,67
Schwerflint SF 64 1,706 30,6 3,00
Bariumflint BaSF 64 1,706 40,2 2,99Lantal LaSF 35 1,800 35,4 3,62
Schleifen undPolieren der Vorderseite
HalbfabrikatSchleifen undPolieren der Rückfläche
Fertiges Brillenglas
Quelle: Zeiss, SatisLoh, Doktorvortrag S. Lange
1. Schleifbearbeitung
2. Vor- und Korrekturpolitur
Seite 95© WZL/Fraunhofer IPT
Brillenglasfertigung: spanabhebende Bearbeitungsverfahren für organische Brillengläser mit definierter Schneide
Alternative Bearbeitungsstrategien für nicht rotationssymmetrische optische Oberflächen:
3.1 Fly-Cutting-/Fräs-Prozess (z.B. Toromatic, Fa. SatisLoh )
3.2 Hybridbearbeitung Fräsen und Drehen (z.B. VPro, Fa. SatisLoh)
3.3 Hybridbearbeitung Fräsen und Fast-Tool-Servo Drehen(z.B. HSC100, Fa. Schneider (limitierte Frequenz); z.B. VFT, Fa. SatisLoh (ab 2006))
Quelle: SatisLoh, Doktorvortrag S. Lange
11 22 33
49
Seite 96© WZL/Fraunhofer IPT
Brillenglasfertigung: Hybridbearbeitung durch kombinierten Fräs-/Drehprozess
Herstellung von Brillen mit Freiformfläche durch seriellen Fräs-Dreh-Prozess (V-Pro Kinematik) Quelle: SatisLoh
Seite 97© WZL/Fraunhofer IPT
Design, Mode, Chic
50
Seite 98© WZL/Fraunhofer IPT
BrilleMassenprodukt (Verfügbarkeit und Preis)
– Niedrigpreissegment– Preiswettbewerb– Preisführerschaft
kundenindividuelles Produkt (Asphäre, Atorus, kundenindividuelle Freiformfläche)
– Premiumsegment– Technologieführerschaft– Marktführerschaft– Preisführerschaft
Design, Trend, Mode (Brillenfassung und Außenrand)
Funktionalität– Korrektur der Fehlsichtigkeit– Temperaturbeständigkeit ( -50°C, +100°C)– kratzbeständigkeit– Reinigungsverhalten– alterungsbeständig– Schutz gegen schlagartige Belastung, Zerbrechen
Seite 99© WZL/Fraunhofer IPT
Der Weg zu unsLaboratorium für Werkzeugmaschinen und Betriebslehre der RWTH AachenSteinbachstraße 53b52074 AachenTelefon: +49 (0) 2 41/80-27 40 0Fax: +49 (0) 2 41/80-22 29 3info@wzl.rwth-aachen.dewww.wzl.rwth-aachen.de
Fraunhofer-Institut fürProduktionstechnologie IPTSteinbachstraße 1752074 AachenTelefon: +49 (0) 2 41/89 04-0Fax: +49 (0) 2 41/89 04-1 98info@ipt.fraunhofer.dewww.ipt.fraunhofer.de