Using Air Gaging for Measurement of Orthopedic Devices


OrthopĂ€dische PrĂ€zisionskomponenten können nur dann die hohen QualitĂ€tsstandards erfĂŒllen, wenn jeder einzelne Fertigungsschritt (vom ersten Zuschnitt bis hin zur Endbearbeitung) konsequent stabil ist. Dies erfordert eine prozessorientierte ĂberprĂŒfung der Merkmale, ein umgehendes Feedback bei ToleranzĂŒberschreitungen und das Dokumentieren aller Prozessdaten.
Typischerweise werden, wĂ€hrend die WerkstĂŒcke vom Rohmaterial bis hin zum Endprodukt den Fertigungsprozess durchlaufen, MaĂtoleranz, OberflĂ€chengĂŒte und geometrische Merkmale zunehmend kritischer â umso kritischer ist es, diese Toleranzen einzuhalten bzw. zu erkennen, wann sie ĂŒberschritten sind. Eines der MaĂmerkmale, die am Ende des Fertigungsprozesses orthopĂ€discher Vorrichtungen gemessen werden, ist die enge Toleranz an den KegelflĂ€chen zur Passung der einzelnen Teile. Beispielsweise verwenden die meisten HĂŒft- und Knieimplantate KegelflĂ€chen zur optimalen Ausrichtung und sicheren âArretierungâ der Komponenten in der richtigen Position. Schon bei der Herstellung dieser Teile entscheidet die Kontrolle der Kegelform und GröĂe darĂŒber, wie gut die Leistung der orthopĂ€dischen Implantate wĂ€hrend deren Lebensdauer sein wird.
Warum ist die pneumatische Messtechnik die wirksamste Methode?
Angesichts der zunehmend engeren Toleranzen mĂŒssen die MessgerĂ€te immer robuster sein und die richtigen Auslegungsmerkmale besitzen, damit die Teile korrekt aufgespannt werden. Sie mĂŒssen auĂerdem die zur Messung der geforderten Toleranzen geeignete Auflösung und Genauigkeit aufweisen. Die pneumatische Messtechnik hat sich hier mehr und mehr zum bevorzugten PrĂŒfinstrument fĂŒr die Kontrolle dieser kritischen Parameter entwickelt. Pneumatische MessgerĂ€te sind auĂerordentlich prĂ€zise und bieten sehr hohe Auflösungen. Sie werden typischerweise fĂŒr Anwendungen eingesetzt, bei denen die Toleranzen eng sind â ĂŒblicherweise unter ± 25 ”m â und die OberflĂ€chenrauheit weniger als Rz 6,3 ”m betrĂ€gt. Wenn diese Bedingungen vorliegen, wie beispielsweise bei PrĂ€zisionskegeln fĂŒr medizinische Anwendungen, stellt die pneumatische Messtechnik oft die beste Lösung dar.
Besonders gut eignet sich das pneumatische Messen auch zur PrĂŒfung von MaĂverhĂ€ltnissen; pneumatische MessgerĂ€te sind schnell, einfach zu bedienen und weisen selbst unter hĂ€rtesten Einsatzbedingungen in der Fertigung eine Lebensdauer von vielen Jahren auf â um Millionen von Teilen messen zu können. In einigen FĂ€llen kann die pneumatische Messtechnik sogar zur PrĂŒfung und Beurteilung bestimmter Formmerkmale eines Teils eingesetzt werden.
Die MessdĂŒse, also jene kleine Ăffnung aus der die Luft ausgegeben wird, ist der Grund dafĂŒr, dass die Pneumatische Messtechnik so nĂŒtzlich zur Messung orthopĂ€discher KegelflĂ€chen ist. Kein anderer Messsensor ist so klein oder kann so nah an der Messstelle angeordnet werden, wenn es mehrere Durchmesser oder geometrische Formen zu messen gilt. Kleine elektronische Sensoren oder Wirbelstromsensoren können sich zwar der GröĂe einer MessdĂŒse annĂ€hern, aber nicht mit ihrer Wirtschaftlichkeit oder Eignung zum direkten Einsatz bei der Produktion im Fertigungsbereich mithalten.
Es ist möglich, Durchmesser und Kegel entweder mittels einer Kombination elektronischer Sensoren oder aber per Koordinaten-MessgerĂ€t (KMG) mit Kantentastern zu messen. Die MessdĂŒse kann direkt in ein PrĂ€zisionsgerĂ€t eingebaut werden, sodass sie zur Messung des Teils direkt in der Fertigung einsetzbar ist. So kann die Messung in einem schnellen Messvorgang mit minimalem Bedieneraufwand erledigt werden. Weder KMG noch optische Messtechnik bieten hier die erforderliche Schnelligkeit und Genauigkeit, um eine 100 prozentige Kontrolle der WerkstĂŒcke in der Fertigung zu realisieren und ein sofortiges Feedback zur Prozessleistung bereitzustellen.
Auswahl der richtigen PrĂŒfmittelauslegung
Es gibt praktisch ebenso viele Methoden zur Festlegung von Kegelanforderungen wie Hersteller von Kegelkomponenten. Die BezugsflÀche kann von Hersteller zu Hersteller variieren und die Toleranzen können auf verschiedene Weise angegeben werden.
Je nachdem, wie die Teile zu einer Einheit zusammengefĂŒgt werden, können die Toleranzen am Kegel enger sein als an den Durchmessern oder umgekehrt. Alternativ kann auch eine Kombination von Kegeltoleranzen an nur einem Durchmesser vorgegeben sein. Somit ist die Angabe auf der Zeichnung die beste Leitlinie bei der Auswahl der geeignetsten AusfĂŒhrung des pneumatischen Messmittels. Bei der pneumatischen Messtechnik sind die PrĂŒfmittel jeweils speziell fĂŒr jede verschiedene Kegelanwendung angefertigt, so dass es entscheidend ist, die Anforderungen werkstĂŒckspezifisch zu betrachten. Dennoch sind die FlexibilitĂ€t und die VorzĂŒge dieser Messmethode nahezu unschlagbar: sie bietet sehr hohe Auflösungen und die Messsensoren können vielfach kombiniert werden, um direkt in der Fertigung jede beliebige Anzahl von dimensionellen und geometrischen Messdaten zu erhalten.
Verschiedene Arten pneumatischer Kegelmessmittel
Medizinische Implantate mĂŒssen auĂerordentlich haltbar und widerstandsfĂ€hig sein, so dass die Kegelpassung zwischen Matrize und Patrize sehr genau sein muss. Die beiden Teile mĂŒssen sicher miteinander verbunden sein und auf der korrekten Höhe sitzen. Bei der Herstellung ist es ĂŒbliche Praxis, 100 Prozent der Teile zu prĂŒfen, um die Fertigungsgenauigkeit beider Komponenten sicherzustellen. Dies erfolgt in der Regel mittels der differentialen pneumatischen Messtechnik, welche die notwendige hohe Auflösung und Genauigkeit mit der im Fertigungsbereich geforderten Schnelligkeit, einfachen Bedienung und Robustheit kombiniert.
Der gĂ€ngigste Typ eines pneumatischen Kegelmessmittels weist zwei DĂŒsenpaare in zwei Messebenen auf und ist fĂŒr die Mantelanlage zwischen WerkstĂŒck und Messmittel ausgelegt (siehe Abbildungen). Ist der Kegelwinkel zu groĂ, besteht am kleineren Kegelende mehr Spiel zwischen den beiden OberflĂ€chen. Ist der Kegelwinkel zu klein, besteht am gröĂeren Ende mehr Spiel. In beiden FĂ€llen kann dies den Formschluss der Verbindung verringern, wodurch die âsichere Verbindungâ im Laufe der Zeit verloren gehen kann, indem sie sich lockert bzw. durchdreht. Ist der Kegelwinkel korrekt, aber die GröĂe falsch, fĂŒhrt dies zu einer falschen GesamtlĂ€nge der orthopĂ€dischen Einheit und damit zu unerwarteten Ergebnissen nach der Implantation.
FĂŒr KegeldĂŒsenmessdorne mit Mantelanlage messen keine Teildurchmesser, sondern zeigen vielmehr die Durchmesserdifferenz an zwei Messstellen auf dem WerkstĂŒck an, die dann mit den entsprechenden Messstellen des Normals bzw. des Meisters verglichen werden. Falls die Durchmesserdifferenz am groĂen Ende des Kegels gröĂer ist als die Durchmesserdifferenz am kleinen Ende, werden die oberen DĂŒsen mehr Gegendruck erkennen als die unteren DĂŒsen. Dies beschreibt in diesem Fall einen negativen Kegel bzw. einen gröĂeren Kegelwinkel. Ist die Durchmesserdifferenz am kleinen Ende gröĂer, liegt der umgekehrte Fall vor und am MessgerĂ€t ist ein positiver Kegel abzulesen. Da jedoch ein Pneumatisches Kegelmessmittel mit Mantelanlage nur Durchmesserdifferenzen anzeigt, wird es nicht den Teildurchmesser an den beiden Stellen anzeigen. So liefert diese Art pneumatischer Messmittel zwar gute Angaben zum VerschleiĂ des Messkegels und erlaubt die Vorhersage einer FormschlussfĂ€higkeit der Verbindung, kann jedoch nichts ĂŒber die Positioniergenauigkeit der Kegelkomponenten aussagen.
Hierzu wird ein Pneumatisches Messmittel mit Stirnanlage (bisweilen auch als Flansch-AusfĂŒhrung bezeichnet) verwendet, bei dem eine ringförmige Aufnahme zur pneumatischen Kegelmessung so dimensioniert ist, dass sie den gesamten Kegel aufnehmen kann. Je nachdem, wo sich die BezugsflĂ€che des Teils befindet, kann das Teil auf dem Ende des Kegels oder auf einem Flansch (einer Schulter) gegen die obere TeileoberflĂ€che referenziert werden. Dies ermöglicht die Messung von Durchmessern auf bekannten Höhen (zusĂ€tzlich zu der Spielabweichung, wie bei der AusfĂŒhrung mit Mantelanlage). Eine zusĂ€tzliche Ebene an MessdĂŒsen kann ergĂ€nzt werden, um eine konkave bzw. konvexe Zylinderform zu prĂŒfen, d. h. zwei weitere Bedingungen, welche die KontaktflĂ€che zwischen den beiden Passformkomponenten (Innen- und AuĂenkonus)verringern.
Der dritte Typ pneumatischer Kegelmessmittel ist eine Mischung aus den zuvor erlĂ€uterten Arten. Dabei handelt es sich im Wesentlichen um ein Pneumatisches Messmittel mit Mantelanlage und einem LĂ€ngenmesssensor, der auf die OberflĂ€che der BezugsflĂ€che referenziert ist. Somit kann angezeigt werden, wie tief das pneumatische Messmittel in das zu messende Teil eintaucht. WĂ€hrend also am pneumatischen AuswertegerĂ€t der Kegelwinkel abzulesen ist, liefert die Anzeige des LĂ€ngenmesssensors eine Tiefenangabe der Einzeldurchmesser. Beim Messen eines WerkstĂŒcks mit Innenkegel wird, wenn die Kegelsteigung zu groĂ ist, das MessgerĂ€t weiter in das Teil eintauchen. Ist die Steigung zu klein, wird es nicht so weit wie erwartet in das Teil eintauchen. Wird diese Eintauchtiefe mit einem Messtaster ermittelt, kann dieser Wert zur Berechnung der Durchmesser in beliebigen Messtiefen herangezogen werden.
BerĂŒcksichtigung der OberflĂ€che
Aufgrund der hohen Genauigkeit und Auflösung der pneumatischen Messtechnik kann diese durch die OberflĂ€chengĂŒte des Teils beeinflusst werden. Dies fĂŒhrt zu Komplikationen bei der Anwendung der pneumatischen Messtechnik, da fĂŒr deren Einsatz eine gute OberflĂ€che erforderlich ist. Bei normalen Gebrauch bedeckt der Luftstrahl der MessdĂŒsen einen Bereich der OberflĂ€che des Teils. Der Luftstrahl wird von der OberflĂ€che reflektiert, um den fĂŒr die Messung erforderlichen Gegendruck zu erzeugen. Auf einer glatten OberflĂ€che ist die Differenz zwischen der durchschnittlichen OberflĂ€che und den Rauheitsspitzen, die im Falle eines Innendurchmesser-WerkstĂŒcks gleichbedeutend mit minimalem Spiel sind, eher unerheblich. Ist jedoch die OberflĂ€che sehr rau, kann der Bereich bzw. die Stelle, an dem der Gegendruck aufgebaut wird, erheblich abweichen. Dies kann auf der Anzeige des pneumatischen MessgerĂ€ts registriert werden und sich auf den angezeigten Durchmesser auswirken.
Allerdings können bei Problemen mit der OberflĂ€che spezielle Schritte unternommen werden, um diese zu berĂŒcksichtigen. So lange die OberflĂ€chenrauheit unter Rz 6,3 ”m liegt, kann das Offset normalerweise ignoriert werden. Aber selbst wenn nicht kann ein Fehler, welcher wĂ€hrend der Prozessentwicklung entdeckt wird, kompensiert und der tatsĂ€chliche Durchmesser dem Maschinenbediener angezeigt werden. Durch die Gegebenheit der OberflĂ€chenbeschaffenheit und deren Reaktion bei frei abblasender MessdĂŒse können elektronische VerstĂ€rker und Messrechner auch zuverlĂ€ssige Berechnungen von mittleren oder maximalen Durchmessern bereitstellen.
Schlussfolgerung
OrthopĂ€dische PrĂ€zisionskomponenten mĂŒssen zuverlĂ€ssig extrem hohe QualitĂ€tsstandards erfĂŒllen. Eines der kritischen MaĂmerkmale, die wĂ€hrend des Fertigungsprozesses gemessen werden, ist die enge Toleranz an den KegelflĂ€chen zur Passung der einzelnen Teile. Angesichts der zunehmend engeren Toleranzen mĂŒssen die MessgerĂ€te robuster sein und die richtigen Auslegungsmerkmale besitzen, damit die Teile korrekt aufgespannt werden. AuĂerdem mĂŒssen sie die zur Messung der geforderten Toleranzen geeignete Auflösung und Genauigkeit aufweisen. Die pneumatische Messtechnik hat sich mehr und mehr zum PrĂŒfinstrument erster Wahl fĂŒr die Kontrolle dieser kritischen Parameter entwickelt.
Artikel verfasst von George Schuetz, Director Precision Gages bei Mahr Inc.