Neuartiger Knochenbohrer verbessert Operationen

Das Metall-Laserschmelzen kommt in vielen Branchen zum Einsatz. In der Medizintechnik können damit ebenfalls Erfolge erzielt werden. So lassen sich durch den Einsatz eines additiv hergestellten Knochenbohrers Gewebeschäden verhindern, die beim Operieren mit einem konventionell gefertigten Bohrer entstehen können.

Bei der spanenden Bearbeitung von Knochen kann es aufgrund der entstehenden Hitze zu Gewebeschäden kommen. Diese treten ab einer Temperatur von 48 Grad Celsius auf. Durch Kühlung des Werkzeugs besteht die Gefahr, dass Fluid in die Wunde gelangt. Daher ist der Einsatz von konventionellen Werkzeugen mit Kühlung nicht möglich. So erfolgen Operationen bislang iterativ, das heißt, das Bohren wird immer wieder unterbrochen, um die Temperatur nicht zu stark ansteigen zu lassen. Zur Verbesserung des Verfahrens diente das Forschungsvorhaben „Entwicklung eines Werkzeuges für die spanende Knochenbearbeitung zur Vermeidung thermisch induzierter Osteonekrose“ (WesKo) zusammen mit dem Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) der Leibniz Universität Hannover.

Durchgängige Kühlung möglich

Durch das Metall-Laserschmelzen ist die Herstellung von Bohrern mit integrierten Kühlkanälen möglich. So kann der Kühlstoff innerhalb des Werkzeugs fließen – entlang der Helix und wieder zurück zur Werkzeugaufnahme – ohne in die Wunde zu gelangen. Zusätzlich zum Aufbau des Bohrers entwickelte Toolcraft einen nicht rotierenden Vorspindelaufsatz mit Zu- und Abflussfunktion für das Kühlmittel.

Ein Kühlmittelreservoir mit Pumpe stellt die kontinuierliche Versorgung sicher. Als Vorlage für den innengekühlten Prototypen diente ein herkömmlicher Knochenbohrer mit einem Durchmesser von sechs Millimetern. 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 Millimetern leiten die thermische Energie weg von der Werkzeugschneide. Um den Kühlmittelfluss 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.

Schicht für Schicht zum Erfolg

Zunächst definierte das Projektteam die Kühlleistung hinsichtlich Durchflussvolumen, Temperatur und Wärmekapazität des Kühlmediums. Danach entwickelten die Mitglieder eine Methodik zum Einbringen eines geschlossenen Kühlkreislaufs in das Werkzeugsubstrat unter Erhalt der Werkzeugstabilität und der Prozessfähigkeit. Als Material wurde der biokompatible Werkstoff 1.4404 gewählt. Die Planung der geometrischen Beschaffenheit des Bohrers sowie der innenliegenden Kühlkanäle erfolgte mittels CAD- und Simulationssoftware und Unterstützung der Schmidt WFT.

Nach der Herstellung des Bohrers im 3D-Druckverfahren und der zerspantechnischen Nachbearbeitung erfolgten die Einsatzuntersuchungen durch das IFW. Unter dem Einsatz von Wasser als Kühlmittel bohrten sie in Kunst- und Rinderknochen bei gleichzeitiger Überwachung der Prozesstemperatur im Knochen. Dabei nahmen sie Referenztemperaturmessungen mit ausgeschalteter und eingeschalteter Werkzeugkühlung sowie größerem und geringerem Vorschub vor.

Die Ergebnisse der Bohruntersuchungen zeigen eine signifikante Reduzierung des üblichen Temperaturanstiegs (bis zu 70 Prozent) mit dem 3D-gedruckten Bohrwerkzeug. Vorschübe führen nicht mehr zu erhöhten Temperaturen führen, da die Innenkühlung die Temperaturentwicklung ausgleicht.

Titelbild: Toolcraft