레이저 어시스트를 사용하여 의료 기계 가공을 고성능으로 전환

전통적인 기계 가공이든 하이브리드 공정이든 의료 제조는 기계 제작자와 도구 제작자가 긴장을 늦추지 않아야 합니다.

오늘날 미세 조정된 의료 부품을 가공할 때는 공구 수명과 자동화는 말할 것도 없이 속도가 핵심입니다.

툴링 설계에서 완제품에 이르기까지 의료 기계 가공을 지속적으로 개선하려면 광범위한 플라스틱 및 금속 재료를 처리하는 능력뿐만 아니라 특히 엄격한 규정에 직면하여 예측 가능한 결과를 달성해야 합니다.

터닝 및 밀링이든, 레이저가 스위스 시스템과 팀을 이루어 하나의 기계에서 절단 및 용접 작업을 모두 수행하는 하이브리드 공정이든, 의료 제조에서는 기계 제작자와 도구 제작자가 긴장을 늦추지 않아야 합니다.

공구 수명, 부품 품질 극대화

공구 수명을 유지하면서 뼈 나사의 육각 로브처럼 작은 의료 부품 및 기능을 가공하기 위해 Tsugami/Rem Sales LLC(Windsor, CT)는 포트폴리오의 여러 기계에 맞춤형 속도 4배 장치를 장착했습니다.

Tsugami/Rem Sales의 스위스 제품 관리자인 Derek Briggs는 스위스 스타일 기계의 표준 스핀들은 일반적으로 라이브 도구를 6000~8000rpm으로 회전한다고 말했습니다. “미세한 표면 처리 및 5축 윤곽, 조각 또는 에칭을 수행할 때 도구가 매우 작기 때문에 매우 높은 rpm이 필요합니다. 일반적으로 0.125인치[3.175mm] 이하의 볼 엔드밀을 사용하여 미세 윤곽을 만들고 이러한 유형의 작업 중에 중앙에서 절단합니다. 표면 영상을 공구 수명에 적합한 수준으로 유지하고 표면 조도 요구 사항을 충족하려면 매우 높은 스핀들 속도가 필요합니다."

Tsugami의 솔루션은 최적의 속도(예:20,000rpm)에 도달하기 위해 스핀들 모터에 무리를 주지 않으면서 스핀들 속도를 최대 4배로 늘리는 기어 감속을 사용하는 부착물입니다. Tsugami/Rem Sales는 NSK America에서 만든 고속 스핀들을 통합하여 최대 80,000rpm까지 실행할 수 있습니다.

대부분의 스위스 스타일 선반은 모터가 켜질 때 3개 또는 4개의 스핀들을 동시에 작동시키는 기어 트레인을 사용한다고 Briggs는 말했습니다. 기어링이 감소된 모듈식 스핀들 하나만 있으면 나머지 스핀들보다 빠르게 작동하므로 “다른 스핀들에 부담을 주지 않아도 됩니다. 오늘날 의료 시장이 점점 더 많이 찾고 있는 미세한 표면 처리와 작은 5축 작업을 위해 더 높은 스핀들 속도를 얻을 수 있어 좋습니다.”

표준 나사산 월링 부착물이 확실히 작동하지만 기계가 하루 종일 뼈 나사만 생산하는 경우 제조업체는 표준 강철 롤러 베어링 대신 세라믹 베어링을 요청하는 것을 고려해야 합니다. 세라믹 베어링을 사용하면 작업자는 강철보다 예압을 더 조여서 시스템을 강화하고 최대 스핀들 속도를 유지할 수 있습니다. 세라믹 베어링은 뼈 나사를 절단할 때 매우 미세한 고조파와 진동을 감쇠하고 더 높은 rpm의 열을 흡수하여 열을 훨씬 더 잘 분산시킬 수 있습니다.

니드포스피드

스핀들 속도를 최대화하는 것 외에도 Tsugami/Rem Sales는 스위스 가공에 더 많은 퀵 체인지 기능을 도입하기 위해 노력하고 있습니다. 이 회사는 작업자가 나사를 풀고, 전체 ER 콜릿 어셈블리 또는 도구 카트리지를 제거하고, 기계 외부로 도구 높이를 설정하고, 미리 준비된 예비 부품을 설치할 수 있도록 하는 탈착식 헤드가 있는 라이브 도구 부착물 및 갱 도구 플레이트를 30분 안에 제공합니다. 초, Briggs는 지적했습니다.

Tsugami/Rem Sales는 또한 평면 밀링, 앵귤러 밀링 및 나사 월링 부착물을 위한 모듈식 도구 설정 외에도 터릿 기계용 퀵 체인지 터릿 홀더를 개발하고 있습니다. “이 홀더는 잠재적으로 기계 충돌이나 공구 파손으로 이어질 수 있는 작업자 오류를 줄이는 데 도움이 되도록 설계되었습니다. 이것은 Zoller 또는 기타 사전 설정 설비에서 기계 외부에서도 수행할 수 있습니다.”

총기 드릴링 응용 프로그램은 사료 및 속도 개선을 위한 사례 연구를 제공했습니다.

Tsugami/Rem Sales가 고주파 안구 종양 제거 장치를 만들어야 했을 때 사양이 까다로웠습니다. 장치의 길이는 5인치(127mm)이고 0.06인치(1.52mm) 구멍이 완전히 뚫려 있어야 했습니다. M4 Sciences의 고주파 맥동 TriboMAM 시스템을 사용하여 작업을 수행했습니다.

맞춤형 티타늄으로 제작된 이 장치는 진공과 유사하며 다른 연조직이 아닌 종양만 빨아들일 수 있다고 Briggs는 설명했습니다. 일반적으로 건 드릴은 회전당 1/10인치 미만으로만 공급될 수 있습니다. "그 도구의 진동이 칩을 아주 작은 조각으로 부수고 고압 냉각수가 구멍에서 칩을 추출하기 때문에" 전체적으로 몇 분이 걸렸을 프로세스가 75% 더 빨리 완료되었습니다.

또 다른 혁신인 저주파 진동(LFV) 서보 시스템 기술은 "의료 부품 생산에 사용되는 거친 재료의 가공에서 가장 큰 발전 중 하나"라고 Marubeni Citizen-Cincom Inc.(Allendale)의 액세서리 판매 쇼 매니저인 Jim Cepican이 말했습니다. , 뉴저지). LFV는 가공하기 어려운 재료의 공구 수명, 칩 컨트롤 및 가공을 개선합니다.

MCC의 L 시리즈 기계는 더 빠른 처리 속도와 향상된 프로그래밍 기능을 위해 "우리와 협력하는 대부분의 의료 제조업체에서 사용합니다"라고 Cepican은 말했습니다. "더 복잡한 의료 부품을 제조하는 데 필요한 B축을 포함하여 축의 수가 증가했습니다."

L12는 의료 시장에서 특히 좋은 판매자라고 지역 영업 관리자 Glen Crews가 덧붙였습니다. “기계의 작은 크기와 높은 스핀들 속도 덕분에 소형 의료 기기 부품 가공에 이상적입니다. 스핀들 크기를 줄여 자재 취급을 더 쉽게 하는 옵션도 모든 기계에서 사용할 수 있습니다.”

Crews는 기계의 표준 스핀들과 호환되는 교차 작업 및 엔드 드릴링을 위해 더 빠른 스핀들이 개발되었다고 덧붙였습니다. "기어 구동 방식이므로 많은 제조업체에서 사용하는 전기 또는 공기 구동식 스핀들보다 더 나은 토크로 높은 스핀들 속도를 얻을 수 있습니다."

스핀들에 정통한

NSK America Corp.(Hoffman Estates, IL)의 산업 영업 관리자인 Michael Gabris는 궁극적으로 적절한 독립형 전기 또는 공압 구동 스핀들을 사용하는 것이 오늘날의 의료 응용 분야에 대한 이송 및 속도를 최적화하는 데 중요하다고 말했습니다.

"밀링 머신에서 20,000rpm이 있을 수 있지만 직경이 0.01"[0.254mm]인 드릴이 있으면 제대로 작동하는 데 필요한 속도를 얻지 못할 것입니다."라고 그는 말했습니다. "도구를 아주 쉽게 부러뜨릴 수 있습니다."

실제로 0.005인치(0.127mm)가 솔리드 초경 엔드밀 및 드릴의 표준 직경이 되고 있다고 NSK 제품 관리자 Mike Shea가 덧붙였습니다. "200 sfm을 실행하고 싶다면 올바르게 실행하면 약 76,000 rpm입니다."라고 그는 설명했습니다. “[도구] 제조업체가 100sfm을 실행하도록 권장하더라도 여전히 40,000rpm 미만입니다. 우리의 스핀들은 점점 더 보편화되고 있는 마이크로 및 나노 응용 분야의 가공 요구 사항에 적합합니다.”

NSK 스핀들이 공장을 떠날 때 1μm 미만의 런아웃이 보장된다고 Gabris는 말했습니다. NSK는 또한 3~5미크론의 정확도를 지닌 자체 정밀 콜릿을 제조하며 모든 고속 스핀들에 제조 비용이 많이 드는 세라믹 베어링을 제공합니다.

새 기계에 장착하든 구형 기계에 새로 장착하든 상관없이 "우리의 스핀들이 모든 작업을 수행합니다."라고 Gabris는 말했습니다. 작업자는 "메인 스핀들을 잠그고 스핀들에 전기 및 공기를 공급하거나 공압인 경우 공기를 공급해야 합니다."라고 Shea가 덧붙였습니다. “메인 스핀들이 회전하지 않기 때문에 기계 스핀들이 마모되지 않습니다. 우리의 스핀들에는 기어가 없습니다. 냉각 및 퍼지를 위해 소량의 공기를 적용하여 열 성장이나 고조파 문제 없이 연중무휴 작동이 가능합니다. 이는 지속적으로 생산량이 많은 상황에 이상적입니다.”

반대로 기어드 스피더 헤드만 사용하는 경우 스피더는 20~30분 사용 후 휴식을 취하여 기어의 열을 분산시켜야 한다고 조언했습니다.

도구의 발전

샌드빅 코로만트(뉴저지주 페어 론)는 플라스틱에서 코발트 크롬, 티타늄에 이르기까지 의료 부품 재료를 사용하여 지난 몇 년 동안 툴링을 상당히 발전시켰습니다.

소형 부품 가공 제품 관리자인 Patrick Loughney는 "예, 부품을 더 빠르게 생산하고 공차를 유지하는 것이 중요하지만 프로세스 및 툴링의 예측 가능성도 중요합니다."라고 말했습니다.
예를 들어 선삭 인서트의 경우, "우리는 Inveio 코팅 혁신으로 우리 기술을 엄청나게 바꿨습니다."라고 그는 말했습니다. 이를 통해 더 강력한 기판, 더 정밀한 가장자리 처리 및 새로운 코팅 적용 방식이 가능해졌습니다.

"우리는 이전 공정에서 코팅의 결정이 인서트를 보호하기 위해 무작위로 존재한다는 것을 알아냈습니다."라고 그는 설명했습니다. "이제 우리는 더 나은 공구 수명과 인서트 마모를 제공할 수 있는 한 방향으로 이러한 수정을 정렬할 수 있습니다." 이를 통해 기계에 대한 조정이 줄어들고 안정적인 가공 공정에 중요한 예측 가능한 공구 수명이 제공됩니다. 인서트가 성형된 후 미크론 공차까지 모서리 준비가 실행됩니다.

"우리는 다양한 의료 기능을 실행하기 위해 도구를 수정했습니다."라고 그는 말했습니다. "무릎과 고관절용 커프를 생산하기 위해 특별히 제작된 의료용 보링 바가 있습니다."

한편, CoroMill 316 헤드 교환형 밀링 시스템은 특히 임플란트를 지지하는 무릎 트레이 생산을 위해 확장된 절삭 깊이로 수정되었습니다.

샌드빅 코로만트는 또한 폴리에테르 에테르 케톤과 같은 의료용 플라스틱용 특수 선삭 인서트를 제작했습니다. Loughney는 "대부분의 인서트가 상단에 분사되어 플라스틱이 달라붙지 않습니다."라고 설명했습니다.
10월에는 의료 및 항공우주 분야의 내열 재료용으로 특별히 제작된 새로운 드릴이 회사의 2년 주기의 일부가 될 것입니다. 신제품 출시.

그러나 샌드빅 코로만트의 가장 큰 장애물은 소용돌이 치는 인서트입니다. Loughney는 “대부분의 경우 뼈 나사는 특수한 나사 형태를 가지고 있습니다. “뼈 나사를 가지고 나온 의사는 모두 자신의 고유한 실 모양이 있는 것 같습니다. 따라서 표준 인서트만 판매할 수는 없습니다. 그것들은 모두 특별히 설계되어야 합니다. 사례별로 이러한 인서트를 연삭할 때 매우 유연해야 합니다.”

레이저 온 탭

기존의 기계 가공만으로는 비용을 채울 수 없을 때 하나 이상의 레이저를 공정에 추가하면 제조 능력이 크게 향상됩니다.

예를 들어 Tsugami/Rem Sales의 LaserSwiss 공작 기계 라인은 의료 산업을 위해 만들어졌습니다. Tsugami LaserSwiss의 마케팅 매니저인 Tina Carnelli는 LaserSwiss는 전통적인 CNC Swiss 터닝과 레이저 절단을 하나의 기계에 결합했다고 설명했습니다. "이는 의료 제조업체가 하나의 설정과 하나의 부품 프로그램으로 스텐트와 같은 복잡한 의료 부품을 생산할 수 있음을 의미합니다"라고 그녀는 말했습니다. "우리는 최근 한 기계에서 세 가지 작업을 효과적으로 결합하기 위해 용접용 두 번째 레이저 헤드를 LaserSwiss 기계에 추가했습니다."

Marubeni Citizen-Cincom에서 "우리 기계에 레이저 절단 및 용접을 도입한 것은 우리가 수행한 가장 중요한 수정 사항 중 하나입니다."라고 지역 영업 관리자인 Rich Kuhn이 말했습니다. “동일한 기계에서 가공 작업과 레이저 절단을 수행할 수 있는 능력은 부품 생산에 필요한 작업 수를 줄이는 데 큰 영향을 미칩니다. 자동화를 추가하고 레이저 용접을 수행함으로써 의료 고객은 계속 증가하는 높은 허용 오차 요구 사항을 해결하기 위한 추가적인 선택을 할 수 있게 되었습니다.”

물론 레이저는 한동안 독립형 의료 제조 솔루션이었습니다. 예를 들어 Trumpf Inc.(Farmington, CT)의 산업 관리자인 Salay Quaranta에 따르면 Trumpf의 포트폴리오는 레이저 용접 및 정밀 절단 응용 분야에서 추적성을 위한 적층 제조 및 레이저 마킹에 이르기까지 의료 기기 제조업체에서 널리 사용됩니다.

적층 제조 또는 3D 프린팅은 Trumpf에게 수많은 기회를 제공했다고 그녀는 덧붙였습니다. “TruPrint 1000을 사용하여 다양한 치과용 크라운, 브리지 및 RPD를 제작함으로써 제조업체는 플레이트에서 가장 작은 단일 배치 부품 및 시리즈를 생산할 수 있습니다. 멀티레이저 옵션을 사용하면 고객 주문을 처리할 수 있는 유연성을 유지하면서 생산량을 최대 80%까지 늘릴 수 있습니다. 복잡한 모양도 CAD 설계에서 최고 품질의 3D 금속 부품으로 빠르고 쉽게 변환할 수 있습니다.”

금속 기반의 레이어별 파우더 베드 생산과 관련하여 레이저를 기존 기계 가공과 차별화할 수 있는 것은 바로 이러한 설계 유연성입니다.

Quaranta는 "3D 프린팅으로 디자인 기술을 활용함으로써 제조업체나 연구소는 거의 그물 모양에 가까운 제품을 만들 수 있습니다."라고 말했습니다. “기존 가공에서 볼 수 있는 스크랩이 거의 없으며 야금술이 건전합니다. 제조업체는 이러한 플랫폼을 활용하여 임플란트 및 치과 크라운에서 많은 응용 분야를 위한 스캐폴드 및 구조물에 이르기까지 다양한 구성 요소를 구축할 수 있습니다."

보조 운영에 대한 더 많은 자동화

의료 부품 생산의 모든 측면에 적용되는 엄격한 규정과 안정적이고 예측 가능한 프로세스를 보장해야 하는 필요성 때문에 자동화에 이상적입니다. 그러나 샌드빅 코로만트의 Loughney에 따르면 이러한 엄격한 감독은 난제를 제시합니다. 프로세스가 일단 결정되면 재료 또는 프로세스 혁신이 기다리고 있는 경우에도 변경하기가 매우 어렵고 시간 또는 비용면에서 비효율적일 수 있습니다.

"우리는 의료 제조에서 더 많은 자동화를 보고 있지만 대부분은 단조에서 게이트를 연마하는 것과 같이 많이 제어되지 않는 2차 작업에 있습니다."라고 그는 말했습니다. "자동화로 생산되는 엉덩이 줄기와 같은 새로운 제품을 보고 있습니다."

교체가 빈번한 배치로 생산되는 의료 부품의 경우 책임과 추적 가능성이 가장 중요하다고 그는 말했습니다. “그런 것을 자동화하는 것은 조금 더 어렵습니다. 그러나 그것은 변화하고 있습니다. 시스템과 소프트웨어는 더 잘 추적할 수 있을 정도로 개선되고 있습니다.”
인더스트리 4.0을 향한 지속적인 추진과 관련하여 기계 제조업체는 수많은 혁신으로 대응하고 있습니다.

요청에 따라 Rem Sales는 부품 로드 및 언로딩을 위한 FANUC 로봇 공학과 Tsugami Swiss 기계, 공정 중 측정을 위한 Keyence 비전 시스템, 즉석에서 오프셋 조정을 자동화하기 위한 자동 보정을 통합할 것이라고 Briggs가 말했습니다. “로봇으로 기계에서 컨베이어에서 부품을 당겨서 방향을 지정하고 측정 장치의 고정 장치에 배치합니다. 측정된 치수가 허용오차를 벗어나면 Caron Engineering AutoComp 시스템이 작동 중인 기계에서 자동으로 보정하고 로봇은 불량 부품을 별도의 빈에 넣어 불량 부품과 좋은 부품이 섞이지 않도록 합니다.”

MCC의 Cepican은 오늘날의 고객에게 "단순히 부품을 처리하는 단일 기계를 제공할 수 없습니다."라고 설명했습니다. “우리는 완전한 처리 시스템을 제공해야 합니다. 여기에는 고도로 기술적인 자동화 시스템이 포함됩니다.” MCC는 여러 가지 자동 로딩 및 언로딩 시스템을 설계했습니다. 예를 들어, 빈 부품을 기계에 로드하여 가공된 구성요소에 레이저 용접하는 시스템입니다.

Star CNC Machine Tool Corp.(Roslyn Heights, NY)의 총책임자인 George Bursac은 "자동화는 한동안 의료 제조의 일부였으며 새로운 요구 사항에 따라 확장되고 있습니다."라고 덧붙였습니다. 그는 뼈 나사, 치과 임플란트, 수술 도구 및 이러한 제품과 관련된 기타 구성 요소와 같은 의료 구성 요소가 "많은 변경 없이 동일하게 유지되고 있지만", "우리 팀은 제조 회사가 요구할 수 있는 모든 새로운 과제에 대응하고 있습니다"라고 말했습니다.