T4: Innenformschleifen von Biokeramiken

Hintergrund
Die derzeit industriell gefertigten, keramischen Femurkomponenten werden endformnah gesintert. In den nachfolgenden Prozessschritten wird die Außenseite der Femurkomponente, die Gleitfläche, geschliffen und poliert. Die Innenseite wird jedoch nicht bearbeitet und ausschließlich mittels Knochenzement an dem Femur fixiert. Aktuelle klinische Studien zeigen, dass in dieser Haftverbindung zwischen Femurkomponente und Knochenstumpf die häufigste Versagensursache eines Kniegelenkimplantats liegt. Um dieser zu begegnen, soll durch den Schleifprozess eine definierte Rauheit auf der Innenseite eingestellt werden, wodurch die Hafteigenschaften positiv beeinflusst werden. Dieser Ansatz erfordert jedoch eine Schleifbearbeitung, die bislang aufgrund der ungünstigen Kontakt- und Eingriffsbedingungen nicht wirtschaftlich realisiert werden kann. Die schlechte Zugänglichkeit auf der Innenseite der Femurkomponente sowie konkave Freiformflächen der schwer zerspanbaren Biokeramik lassen derzeitige Fertigungsmethoden an ihre Grenzen stoßen. Als Folge entstehen an der Femurkomponente Abplatzungen, Risse oder Zugeigenspannungen. Am Werkzeug kommt es zu Zusetzungen, Bindungsrissen und thermischem Verschleiß. Diese Effekte werden vorwiegend auf eine ungenügende Kühlung im Schleifspalt zurückgeführt. Bei Außenkühlung erreicht der Kühlschmierstoff die Kontaktzone nicht, da der Strahl durch das Werkzeug selbst oder die Geometrie der Femurkomponente abgelenkt wird. Dieser Problematik kann durch Werkzeugspezifikationen sowie Prozess- und Kühlschmierstoffzuführstrategien begegnet werden, die den spezifischen Randbedingungen des Anwendungsfalls angepasst sind.

Forschungsansatz
Die Makrogeometrie der endformnah gesinterten Femurkomponente wird durch fünfachsiges Schleifen mit torischen Werkzeugen erzeugt. Im Rahmen des Teilprojekts T4 werden neue innengekühlte, torische Schleifwerkzeuge entwickelt, deren Einsatzverhalten an die besonderen Anforderungen bei der Innenbearbeitung konkav gekrümmter Biokeramiken angepasst wird. Die Entwicklung erfolgt dabei in mehreren Schritten: Im ersten Schritt wird der Einfluss der Kontaktgrößen auf Topographie und Randzoneneigenschaften der Innenfläche der Femurkomponente sowie auf den Werkzeugverschleiß unter Variation des Bindungssystems des torischen Schleifwerkzeugs untersucht. Zudem werden für die neuen Bindungssysteme geeignete Abrichtstrategien erarbeitet. In dem zweiten Entwicklungsschritt wird ermittelt, wie groß der Kühlschmierstoffvolumenstrom in Abhängigkeit der zuvor ermittelten Zusammenhänge sein muss, um eine ausreichende Prozesskühlung zu gewährleisten. Auf Basis des erforderlichen Mindestvolumenstroms werden im dritten Entwicklungsschritt innengekühlte, torische Prototyp-Schleifwerkzeuge iterativ entwickelt. Abschließend werden die in Teilprojekt D4 bereits entwickelten Rauheits- und Verschleißmodelle für das neue innengekühlte Schleifwerkzeugbindungssystem angepasst und eine Handlungsanweisung zur Prozessauslegung aufgestellt.

Vision der Forschungsarbeiten
ist die langfristige und dauerhafte Verbesserung der Haftverbindung zwischen der Innenseite einer Kniegelenksendoprothese und dem Femur durch die Erzeugung einer Oberfläche mit definierter Rauheit durch Schleifbearbeitung. Hierdurch wird die Lebensdauer der Implantate verlängert. Als Folge dessen werden kostenintensive und den Patienten zusätzlich belastende Revisionsoperationen vermieden.